JP5288740B2 - 軽油組成物の製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、動植物油脂および/または動植物油脂由来成分であるトリグリセリド含有炭化水素を原料として製造された環境低負荷型軽油基材を含有し、かつ接触分解装置より得られる軽油留分を水素化処理して得られる接触分解軽油基材を5〜30質量%含有したライフサイクルCO排出特性および燃費、部材影響に優れた軽油組成物に関するものである。
従来、軽油の基材としては、原油の常圧蒸留装置から得られる直留軽油に水素化精製処理や水素化脱硫処理を施したもの、原油の常圧蒸留装置から得られる直留灯油に水素化精製処理や水素化脱硫処理を施したもの等が知られている。従来の軽油組成物は上記軽油基材及び灯油基材を1種または2種以上配合することにより製造されている。また、これらの軽油組成物には、必要に応じてセタン価向上剤や清浄剤等の添加剤が配合される(例えば、非特許文献1参照。)。
小西誠一著,「燃料工学概論」,裳華房,1991年3月,p.136−144
ところで、近年、早急な大気環境改善及び環境負荷低減を目指して、内燃機関用燃料である軽油中の硫黄分含有量及び芳香族分含有量の低減が求められている。また同時に地球温暖化問題に対応するため、一層の燃費向上に貢献しかつ二酸化炭素(CO)削減に効果的な燃料性状が求められており、その解決手段の1つとして合成燃料や再生可能エネルギーであるバイオディーゼル燃料(以降BDFとも表記する。)を代替燃料として用いることが検討されている。
現在BDFと称される燃料は、主として天然の動植物油脂を原料にした脂肪酸アルキルエステル混合物であり、排出ガス中のすす生成寄与度が大きいとされている芳香族化合物分や排出ガス後処理触媒への被毒等の影響が大きいとされている硫黄分をほとんど含まず、またそれ自身が分子中に酸素を持った含酸素化合物であるため、代替燃料の有力な候補として着目されている。また、植物由来であることから再生可能エネルギーと位置づけられているため、1997年に締結された国際間での二酸化炭素削減プロトコル、いわゆる京都議定書においてはBDF起因の二酸化炭素は排出量として計上されないルールである点も、BDFは政策的なメリットとして有している(例えば、特許文献1参照。)。
特開2004−189885号公報
しかしながら、天然の動植物油脂を原料とした脂肪酸アルキルエステルは本来重質な成分が多く、エンジン燃焼等における燃え切り性が悪くなり、燃焼時の未燃炭化水素排出を増加させる懸念がある。また、脂肪酸アルキルエステルは分子中に酸素を含有する構造であり、さらにはその構造中に不飽和脂肪酸基を多く含有する脂肪酸アルキルエステルの場合は、その化学組成上酸化安定性に劣り、色相の劣化やスラッジの生成およびエンジン部材への悪影響が懸念されている。更には、脂肪酸アルキルエステルを精製する際の原料である脂肪酸グリセライド、アルキルアルコール及び副生成物であるグリセリン混合物はエステル交換反応後の工程で十分に除去することが困難であり、エンジン部材や燃料噴射系への悪影響だけでなく、潤滑部等でエンジンオイルと接触した際にオイル側の性能を著しく低下せしめる可能性が極めて懸念されているものである。
さらに近年石油系燃料の需要構造の変化により従来主に重油用基材として用いられてきた接触分解装置から得られる軽油留分が余剰になると見込まれており、この接触分解装置から得られる軽油留分の有効利用が検討されている。
従って、有害排気成分の低減と共にライフサイクルにおけるCOを低減し、燃費を向上させ、部材影響に優れた軽油組成物の提供に関して、天然の動植物油脂を原料にした脂肪酸アルキルエステル混合物の使用では、これらの性能改善を同時に達成することはできない。さらに、これらのエンジン性能は他の燃料性状とも密接に関連するため、これらの要求性能を高水準で同時に達成できる高品質の燃料を設計することは非常に困難であり、なおかつ市販燃料油として求められている諸性能を十分満たし、また現実的な製造方法の検討を踏まえた例、知見は存在していない。
本発明は、かかる実状に鑑みてなされたものであり、その目的は、動植物油脂および動植物油脂由来成分であるトリグリセリド含有炭化水素を原料として製造された環境低負荷型軽油基材を含有し、かつ接触分解装置より得られる軽油留分を水素化処理して得られる接触分解軽油基材を5〜30質量%含有したライフサイクルCO排出特性ならびに燃費、部材影響に優れた軽油組成物を提供することにある。
本発明者らは、上記課題を解決するために鋭意研究した結果、本発明を完成するに至った。
すなわち本発明は、動植物油脂および/または動植物油脂由来成分を含有する原料油類とアルミニウム、ケイ素、ジルコニウム、ホウ素、チタン及びマグネシウムから選ばれる2種以上の元素を含んで構成される多孔性無機酸化物並びに該多孔性無機酸化物に担持された周期律表第6A族及び第8族の元素から選ばれる1種以上の金属を含有する触媒とを、水素圧力2〜13MPa、液空間速度0.1〜3.0h−1、水素油比150〜1500NL/L、反応温度150〜480℃の条件下で接触させることによって製造される鎖状飽和炭化水素を5〜50質量%含有し、かつ接触分解装置より得られる軽油留分を水素化処理して得られる接触分解軽油基材を5〜30質量%含有してなる、セタン指数54以上、芳香族含有量が17質量%以上である軽油組成物に関する。
また本発明は、硫黄含有量が10質量ppm以下、酸価が0.10mgKOH/g以下、蒸留性状の90%留出温度が280℃以上350℃以下であることを特徴とする前記記載の軽油組成物に関する。
また本発明は、前記鎖状飽和炭化水素は炭素数15から18までの鎖状飽和炭化水素を50質量%以上含有し、脂肪酸アルキルエステル含有量が2質量%以下、遊離脂肪酸含有量が1質量%以下、ナトリウム、カリウム、カルシウム、マグネシウムの金属分の合計が10質量ppm以下、硫黄含有量が3質量ppm以下、酸素含有量が1質量%以下、水分が500容量ppm以下の含炭化水素混合留分であることを特徴とする前記記載の軽油組成物に関する。
本発明によれば、動植物油脂および動植物油脂由来成分であるトリグリセリド含有炭化水素を原料として製造された環境低負荷型軽油基材を含有し、かつ接触分解装置より得られる軽油留分を含有することにより、従来の軽油組成物では実現が困難であったライフサイクルCO排出特性ならびに燃費、酸化安定性に優れ、かつ部材安定性に優れた軽油組成物を提供することができる。
以下、本発明について詳細に説明する。
本発明の軽油組成物の構成成分として、動植物油脂および/または動植物油脂由来成分を含有する原料油類と、アルミニウム、ケイ素、ジルコニウム、ホウ素、チタン及びマグネシウムから選ばれる2種以上の元素を含んで構成される多孔性無機酸化物並びに該多孔性無機酸化物に担持された周期律表第6A族及び第8族の元素から選ばれる1種以上の金属を含有する触媒とを、水素圧力2〜13MPa、液空間速度0.1〜3.0h−1、水素油比150〜1500NL/L、反応温度150〜480℃の条件下で接触させることによって製造される鎖状飽和炭化水素留分からなる環境低負荷型軽油基材および接触分解装置より得られる軽油留分を水素化処理することによって製造される炭化水素混合留分の接触分解軽油基材が用いられる。
本発明にかかる環境低負荷型軽油基材とは、所定の原料油を水素化処理して得られる低硫黄の軽油留分、灯油留分、若しくはそれらの混合物である。
該原料油としては、動植物油脂および/または動植物油脂由来成分を含有した原料油類であることが必要である。本発明における動植物油脂および/または動植物油脂由来成分を含有した原料油類とは、天然もしくは人工的に生産、製造される動植物油脂、動植物油脂成分および/またはこれらの油脂を由来して生産、製造される成分、これらの油脂製品の性能を維持、向上させる目的で添加される成分を示している。動物油脂および動物油の原料としては、牛脂、牛乳脂質(バター)、豚脂、羊脂、鯨油、魚油、肝油等が挙げられ、植物油脂および植物油原料としては、ココヤシ、パームヤシ、オリーブ、べにばな、菜種(菜の花)、米ぬか、ひまわり、綿実、とうもろこし、大豆、ごま、アマニ、ヤトルファ等の種子部及びその他の部分が挙げられるが、これ以外の油脂、油であっても使用に問題はない。これらの原料油に関してはその状態が固体、液体であることは問わないが、取り扱いの容易さおよび二酸化炭素吸収能や生産性の高さから植物油脂、植物油を原料とする方が好ましい。また、本発明においては、これらの動物油、植物油を民生用、産業用、食用等で使用した廃油も雑物等の除去工程を加えた後に原料とすることができる。また、プラスチックや溶剤等の化学品由来の成分も雑物等の除去工程を加えた後に原料とすることができる。
これらの原料油類中に含有されるグリセライド化合物の脂肪酸基部分の代表的な組成としては、飽和脂肪酸と称する分子構造中に不飽和結合を有しない脂肪酸である酪酸(CCOOH)、カプロン酸(C11COOH)、カプリル酸(C15COOH)、カプリン酸(C19COOH)、ラウリン酸(C1123COOH)、ミリスチン酸(C1327COOH)、パルミチン酸(C1531COOH)、ステアリン酸(C1735COOH)、及び不飽和結合を1つもしくは複数有する不飽和脂肪酸であるオレイン酸(C1733COOH)、リノール酸(C1731COOH)、リノレン酸(C1729COOH)、リシノレン酸(C1732(OH)COOH)等が挙げられる。自然界の物質におけるこれら脂肪酸基の炭化水素部は一般に直鎖であることが多いが、本発明において本発明で規定する性状を満たす限りで、側鎖を有する構造、すなわち異性体であっても使用することができる。また、不飽和脂肪酸基における分子中の不飽和結合の位置も、本発明において本発明で規定する性状を満たす限りで、自然界で一般に存在確認されているものだけでなく、化学合成によって任意の位置に設定されたものも使用することができる。
動植物油脂および動植物油脂由来成分はこれらの脂肪酸基を1種または複数種有しており、原料によってその有する脂肪酸基は異なっている。例えば、ココヤシ油はラウリン酸、ミリスチン酸等の飽和脂肪酸基を比較的多く有しているが、大豆油はオレイン酸、リノール酸等の不飽和脂肪酸基を多く有している。
これらの原料油類には、動植物油脂および/または動植物油脂由来成分が主としてオレイン酸およびリノール酸の脂肪酸基を有するグリセライドを含有し、これらのグリセライドの合計が40質量%以上であることが好ましく、また動植物油脂および/または動植物油脂由来成分が主としてオレイン酸、リノール酸およびパルミチン酸の脂肪酸基を有するグリセライドを含有するものであり、それらのグリセライドの合計が80質量%以上である原料油類であることが好ましい。原料油類がこの範囲にあると、ライフサイクル二酸化炭素の低減能が向上すると共に、環境低負荷型軽油基材をより容易に製造することができる。なお、このような性状を有する代表的な植物油として、パーム油、菜種油、大豆油などが挙げられる。
また、原料油類としては250℃以上の留分を含有していることが好ましく、300℃以上の留分を含有していることがより好ましく、360℃以上の留分を含有していることが更に好ましい。沸点が250℃以上の留分を含有していない場合には、製造時にガス分の生成が増加するため液生成物の収率が減少し、ライフサイクル二酸化炭素が増加する恐れがある。
本発明における環境低負荷型軽油基材は、動植物油脂および/または動植物油脂由来成分を含有する原料油類と、アルミニウム、ケイ素、ジルコニウム、ホウ素、チタン及びマグネシウムから選ばれる2種以上の元素を含んで構成される多孔性無機酸化物並びに該多孔性無機酸化物に担持された周期律表第6A族及び第8族の元素から選ばれる1種以上の金属を含有する水素化処理触媒とを、水素圧力2〜13MPa、液空間速度0.1〜3.0h−1、水素油比150〜1500NL/L、反応温度150〜480℃の条件下で水素化処理を行うことにより得られる。
水素化処理触媒としては、アルミニウム、ケイ素、ジルコニウム、ホウ素、チタン及びマグネシウムから選ばれる2種以上の元素を含んで構成される多孔性無機酸化物並びに該多孔性無機酸化物に担持された周期律表第6A族及び第8族の元素から選ばれる1種以上の金属を含有する触媒が用いられる。
水素化処理触媒の担体としては、アルミニウム、ケイ素、ジルコニウム、ホウ素、チタン及びマグネシウムから選ばれる2種以上の元素を含んで構成される多孔性の無機酸化物が用いられる。一般的にはアルミナを含む多孔性無機酸化物であり、その他の担体構成成分としてはシリカ、チタニア、ジルコニア、ボリア、マグネシアなどが挙げられる。望ましくはアルミナとその他構成成分から選ばれる少なくとも1種類以上を含む複合酸化物である。また、このほかの成分として、リンを含んでいてもよい。アルミナ以外の成分の合計含有量は1〜20質量%であることが好ましく、2〜15質量%であることがより望ましい。含有量が1質量%に満たない場合、十分な触媒表面積を得ることが出来ず、活性が低くなる恐れがあり、含有量が20質量%を超える場合、担体の酸性質が上昇し、コーク生成による活性低下を招く恐れがある。リンを担体構成成分として含む場合には、その含有量は、酸化物換算で1〜5質量%であることが望ましく、2〜3.5質量%であることがさらに望ましい。
アルミナ以外の担体構成成分である、シリカ、チタニア、ジルコニア、ボリア、マグネシアの前駆体となる原料は特に限定されず、一般的なケイ素、チタン、ジルコニウム、ボロン、マグネシウムを含む溶液を用いることができる。例えば、ケイ素についてはケイ酸、水ガラス、シリカゾルなど、チタンについては硫酸チタン、四塩化チタンや各種アルコキサイド塩など、ジルコニウムについては硫酸ジルコニウム、各種アルコキサイド塩など、ボロンについてはホウ酸など、マグネシウムについては硝酸マグネシウムなどを用いることができる。リンとしては、リン酸あるいはリン酸のアルカリ金属塩などを用いることができる。
これらのアルミナ以外の担体構成成分の原料は、担体の焼成より前のいずれかの工程において添加する方法が望ましい。例えば、予めアルミニウム水溶液に添加した後にこれらの構成成分を含む水酸化アルミニウムゲルとしてもよく、調合した水酸化アルミニウムゲルに添加してもよく、あるいは市販のアルミナ中間体やベーマイトパウダーに水あるいは酸性水溶液を添加して混練する工程に添加してもよいが、水酸化アルミニウムゲルを調合する段階で共存させる方法がより望ましい。これらのアルミナ以外の担体構成成分の効果発現機構は解明できていないが、アルミニウムと複合的な酸化物状態を形成していると思われ、このことが担体表面積の増加や、活性金属となんらかの相互作用を生じることにより、活性に影響を及ぼしていることが考えられる。
水素化処理に用いる触媒の活性金属としては、周期律表第6A族および第8族金属から選ばれる少なくとも一種類の金属が用いられる。第6A族金属としては、Mo、Wなどが挙げられ、第8族金属としてはNi、Co、Pd、Pt、Rh、Ir、Auなどが挙げられる。
水素化処理触媒としては、第6A族および第8族から選択される二種類以上の金属を含有するものが特に好ましい。例えば、第6A族金属と第8族金属との組み合わせ、第8族金属同志の組み合わせなどが挙げられる。
第6A族金属と第8族金属の組み合わせとしては、例えば、Co−Mo、Ni−Mo、Ni−Co−Mo、Ni−W、Co−W、Co−Ni−Wなどの組み合わせを挙げることができる。これらのうち、Co−Mo、Ni−Mo、Ni−Co−Mo、Ni−Wの組み合わせがより好ましい。なお、水素化処理に際しては、これらの金属を硫化状態に転換して使用するのが好ましい。
第8族金属同志の組み合わせとしては、例えば、Pd−Pt、Pd−Ir、Pd−Rh、Pd−Au、Pd−Ni、Pt−Rh、Pt−Ir、Pt−Au、Pt−Ni、Rh−Ir、Rh−Au、Rh−Ni、Ir−Au、Ir−Ni、Au−Ni、Pd−Pt−Rh、Pd−Pt−Ir、Pt−Pd−Niなどの組み合わせを挙げることができる。これらのうち、Pd−Pt、Pd−Ni、Pt−Ni、Pd−Ir、Pt−Rh、Pt−Ir、Rh−Ir、Pd−Pt−Rh、Pd−Pt−Ni、Pd−Pt−Irの組み合わせがより好ましい。なお、水素化処理に際しては、これらの金属を還元状態に転換して使用するのが好ましい。
活性金属を担体に担持させる方法は特に限定されず、通常の水素化触媒を製造する際に適用される公知の方法を用いることができる。通常は、活性金属の塩を含む溶液を触媒担体に含浸する方法が好ましく採用される。また平衡吸着法、Pore−filling法、Incipient−wetness法なども好ましく採用される。例えば、Pore−filling法は、担体の細孔容積を予め測定しておき、これと同じ容積の金属塩溶液を含浸する方法であるが、含浸方法は特に限定されるものではなく、金属担持量や触媒担体の物性に応じて適当な方法で含浸することができる。また、複数の金属を担持する場合には混合溶液を用いて同時に担持してもよく、または単独溶液を用いて逐次担持してもよい。金属溶液は水溶液でもよく有機溶剤を用いてもよい。
金属担持は、構成されている多孔質担体の調製全工程終了後に行ってもよく、多孔質担体調製中間工程における適当な酸化物、複合酸化物に予め担持した後に更なるゲル調合工程あるいは加熱濃縮、混練を行ってもよい。
活性金属の担持量は特に限定されないが、触媒質量に対し金属量合計で0.1〜10質量%であることが好ましく、より好ましくは0.15〜5質量%、さらに好ましくは0.2〜3質量%である。
触媒は、水素気流下において予備還元処理を施した後に用いるのが好ましい。一般的には水素を含むガスを流通し、200℃以上の熱を所定の手順に従って与えることにより触媒上の活性金属が還元され、水素化活性を発現することになる。
原料油の水素化処理条件としては、水素圧力2〜13MPa、液空間速度0.1〜3.0h−1、水素/油比150〜1500NL/Lの条件で行われることが望ましく、水素圧力3〜12MPa、液空間速度0.2〜2.0h−1、水素油比200〜1200NL/Lといった条件がより望ましく、水素圧力4〜10.5MPa、液空間速度0.25〜1.0h−1、水素油比300〜1000NL/Lといった条件がさらにより望ましい。これらの条件はいずれも反応活性を左右する因子であり、例えば、水素圧力および水素/油比が前記下限値に満たない場合には反応性の低下や急速な活性低下を招く恐れがあり、水素圧力および水素/油比が前記上限値を超える場合には圧縮機等の過大な設備投資を要する恐れがある。液空間速度は低いほど反応に有利な傾向にあるが、前記下限未満の場合は極めて大きな反応塔容積が必要となり過大な設備投資となる傾向にあり、他方、前記上限を超えている場合は反応が十分進行しなくなる傾向にある。
反応温度は目的とする原料油重質留分の分解率あるいは目的とする留分収率を得るため150〜480℃の範囲が好ましく、望ましくは220〜400℃、さらに望ましくは260〜360℃の範囲に設定する。反応温度が前記下限値に満たない場合には、反応が十分に進行しなくなる恐れがあり、前記上限値を超える場合には過度に分解が進行し、液生成物留率の低下を招く傾向にある。
反応器形式は、固定床方式であってもよい。すなわち、水素は原料油に対して向流または並流のいずれの形式をとることもでき、また、複数の反応塔を有し向流、並流を組み合わせた形式のものでもよい。一般的な形式としてはダウンフローであり、気液双並流形式を採用することができる。また、反応器は単独または複数を組み合わせてもよく、一つの反応器内部を複数の触媒床に区分した構造を採用しても良い。本発明において、反応器内で水素化精製された留出油は気液分離工程、精留工程等を経て所定の留分に分画される。このとき、反応に伴い生成する水分あるいは原料油に硫黄分が含まれている場合には硫化水素が発生する可能性があるが、複数の反応器の間や生成物回収工程に気液分離設備やその他の副生ガス除去装置を設置しても良い。
一般的に水素ガスは加熱炉を通過前あるいは通過後の原料油に随伴して最初の反応器の入口から導入するが、これとは別に、反応器内の温度を制御するとともに、できるだけ反応器内全体に渡って水素圧力を維持する目的で触媒床の間や複数の反応器の間に導入してもよい。このようにして導入される水素をクエンチ水素と呼称する。このとき、原料油に随伴して導入する水素に対するクエンチ水素との割合は望ましくは10〜60容量%、より望ましくは15〜50容量%である。クエンチ水素の割合が前記下限値より低い場合には後段反応部位での反応が十分進行しない恐れがあり、前記上限値を超える場合には反応器入口付近での反応が十分進行しない恐れがある。
さらに、上記の触媒(水素化処理触媒)以外に、必要に応じて被処理油に随伴して流入するスケール分をトラップしたり触媒床の区切り部分で水素化処理触媒を支持したりする目的でガード触媒、脱金属触媒、不活性充填物を用いてもよい。なお、これらは単独又は組み合せて用いることができる。
本発明にかかる接触分解軽油基材とは、所定の原料油を水素化処理して得られる低硫黄の軽油留分、灯油留分、若しくはそれらの混合物である。該原料油としては、接触分解装置より得られた軽油留分であることが必要である。
原料油として用いられる接触分解装置より得られた軽油留分とは、常圧蒸留装置より得られる常圧残油や減圧蒸留装置より得られる減圧残油などを原料とし、接触分解装置にて、例えば、超安定Y型ゼオライトを10〜50質量%含有する触媒を用いて、反応帯域の出口温度480〜540℃、触媒/油比4〜12wt/wt、反応圧力1〜3kg/cmG、上記原料油と上記触媒との接触時間1〜3秒の条件下で処理することにより得られる軽油留分のことである。
また、原料油としては、接触分解装置より得られた軽油留分にその他の石油系炭化水素留分を混合しているものを用いてもよい。
石油系炭化水素を混合する場合、石油系炭化水素留分の比率は原料油全体の容量に対して10〜99容量%が望ましく、30〜99容量%がより望ましく、60〜98容量%がさらにより望ましい。石油系炭化水素留分の比率が前記下限値に満たない場合には、副生する水の処理に要する設備が必要となる可能性があり、石油系炭化水素留分の比率が前記上限値を超える場合にはライフサイクル二酸化炭素削減の観点からは好ましくない。
該石油系炭化水素留分としては、原油の常圧蒸留装置から得られる直留軽油、常圧蒸留装置から得られる直留重質油や残査油を減圧蒸留装置で処理して得られる減圧軽油、減圧重質軽油あるいは脱硫重油を水素化分解して得られる水素化分解軽油、これらの石油系炭化水素を水素化精製して得られる水素化精製軽油若しくは水素化脱硫軽油等が挙げられるが、ライフサイクル二酸化炭素低減の観点で重質な直留軽油や減圧軽油が好ましい。
原料油類の水素化処理条件としては、水素圧力2〜13MPa、液空間速度(LHSV)0.1〜3.0h−1、水素/油比150〜2000NL/Lといった条件で行われることが望ましく、水素圧力3〜12MPa、液空間速度0.2〜2.8h−1、水素/油比200〜1800NL/Lといった条件がより望ましく、水素圧力4〜11MPa、液空間速度0.3〜2.7h−1、水素/油比300〜1600NL/Lといった条件がさらにより望ましい。これらの条件はいずれも反応活性を左右する因子であり、例えば、水素圧力および水素/油比が前記下限値に満たない場合には反応性の低下や急速な活性低下を招く恐れがあり、水素圧力および水素/油比が前記上限値を超える場合には圧縮機等の過大な設備投資を要する恐れがある。液空間速度は低いほど反応に有利な傾向にあるが、前記下限未満の場合は極めて大きな反応塔容積が必要となり過大な設備投資となる傾向にあり、他方、前記上限を超えている場合は反応が十分進行しなくなる傾向にある。
本発明にかかる接触分解においては、単一の水素化処理触媒もしくは二段層に構成した水素化処理触媒(前段触媒および後段触媒)で原料油を処理することができる。二段層に構成する場合は、前段触媒によって留出油に含まれる酸素分、硫黄分を減少せしめ、後段触媒で分解反応による任意の留分を得ることを目的とするものであり、前段触媒容量と後段触媒容量はそれぞれ任意に設定することができる。二段層の場合は、全水素化処理触媒容量に対する前段触媒容量の比率としては10〜90容量%が望ましく、25〜75容量%がより望ましい。前段触媒容量の比率が前記下限値に満たない場合には、前段触媒によって処理された留出油中の酸素分含有量を十分低下することが出来ず、前記上限値を超える場合には、反応が十分に進行しなくなる恐れがある。
前段触媒によって処理された留出油に含まれる酸素分は原料油類に含まれる酸素分に対して40重量%以下に減少させることが望ましく、30重量%以下であることがより望ましい。水素化処理触媒と接触する留出油中の酸素分は触媒活性点を被毒するため、前段触媒と接触後の留出油中の酸素分が40重量%を超える場合には十分な活性が得られない傾向がある。
また、原料油類の硫黄分含有量を10質量ppm以下に制御しうる場合には、周期律表第8族金属から選ばれる少なくとも1種類の金属を使用することができる。好ましくはRu、Rd、Ir、PdおよびPtから選ばれる少なくとも1種類であり、さらに好ましくはPdまたは/およびPtである。活性金属としてはこれらの金属を組み合わせたものでよく、例えば、Pt−Pd、Pt−Rh、Pt−Ru、Ir−Pd、Ir−Rh、Ir−Ru、Pt−Pd−Rh、Pt−Rh−Ru、Ir−Pd−Rh、Ir−Rh−Ruなどの組み合わせを採用することができる。
水素化処理触媒および水素化処理前段触媒の担体としては多孔性の無機酸化物が用いられる。一般的にはアルミナを含む多孔性無機酸化物であり、その他の担体構成成分としてはシリカ、チタニア、ジルコニア、ボリア、ケイ素、マグネシウムなどが挙げられる。望ましくはアルミナとその他構成成分から選ばれる少なくとも1種類以上を含む複合酸化物である。また、このほかの成分として、リンを含んでいてもよい。アルミナ以外の成分の合計含有量は1〜20重量%であることが好ましく、2〜15重量%であることがより望ましい。含有量が1重量%に満たない場合、十分な触媒表面積を得ることが出来ず、活性が低くなる恐れがあり、含有量が20重量%を超える場合、担体の酸性質が上昇し、コーク生成による活性低下を招く恐れがある。リンを担体構成成分として含む場合には、その含有量は、酸化物換算で1〜5重量%であることが望ましく、2〜3.5重量%であることがさらに望ましい。
アルミナ以外の担体構成成分である、シリカ、チタニア、ジルコニア、ボリア、マグネシアの前駆体となる原料は特に限定されず、一般的なケイ素、チタン、ジルコニウム、ボロン、マグネシウムを含む溶液を用いることができる。例えば、ケイ素についてはケイ酸、水ガラス、シリカゾルなど、チタンについては硫酸チタン、四塩化チタンや各種アルコキサイド塩など、ジルコニウムについては硫酸ジルコニウム、各種アルコキサイド塩など、ボロンについてはホウ酸など、マグネシウムについては硝酸マグネシウムなどを用いることができる。リンとしては、リン酸あるいはリン酸のアルカリ金属塩などを用いることができる。
これらのアルミナ以外の担体構成成分の原料は、担体の焼成より前のいずれかの工程において添加する方法が望ましい。例えば、予めアルミニウム水溶液に添加した後にこれらの構成成分を含む水酸化アルミニウムゲルとしてもよく、調合した水酸化アルミニウムゲルに添加してもよく、あるいは市販のアルミナ中間体やベーマイトパウダーに水あるいは酸性水溶液を添加して混練する工程に添加してもよいが、水酸化アルミニウムゲルを調合する段階で共存させる方法がより望ましい。これらのアルミナ以外の担体構成成分の効果発現機構は解明できていないが、アルミニウムと複合的な酸化物状態を形成していると思われ、このことが担体表面積の増加や、活性金属となんらかの相互作用を生じることにより、活性に影響を及ぼしていることが考えられる。
水素化処理触媒および水素化処理前段触媒の活性金属としては、周期律表第6A族および第8族金属から選ばれる少なくとも一種類の金属を含有し、望ましくは第6A族および第8族から選択される二種類以上の金属を含有している。例えば、Co−Mo、Ni−Mo、Ni−Co−Mo、Ni−Wなどが挙げられ、水素化前処理に際しては、これらの金属を硫化物の状態に転換して使用する。
活性金属の含有量は、例えば、WとMoの合計担持量は、望ましくは酸化物換算で触媒重量に対して12〜35重量%、より望ましくは15〜30重量%である。WとMoの合計担持量が前記下限値に満たない場合、活性点数の減少により活性が低下する可能性があり、前記上限値を超える場合には、金属が効果的に分散せず、同様に活性の低下を招く可能性がある。また、CoとNiの合計担持量は、望ましくは酸化物換算で触媒重量に対して1.5〜10重量%、より望ましくは2〜8重量%である。コバルトとニッケルの合計担持量が1.5重量%未満の場合には充分な助触媒効果が得られず活性が低下してしまう恐れがあり、10重量%より多い場合には、金属が効果的に分散せず、同様に活性を招く可能性がある。
水素化処理後段触媒としては、周期律表第6A族および第8族金属から選ばれる少なくとも一種類の金属を含有し、望ましくは第6A族および第8族から二種類以上の金属を含有している。例えば、Co−Mo、Ni−Mo、Ni−Co−Mo、Ni−Wなどが挙げられ、望ましくはNi−Mo、Ni−Co−Mo、Ni−Wが選ばれる。水素化処理に際してはこれらの金属を硫化物の状態に転換して使用する。
水素化処理後段触媒の担体としては、酸性質を有する無機酸化物が採用されるが、シリカ、アルミナ、ボリア、ジルコニア、マグネシア、ゼオライトのうち少なくとも二種類を含有していることが望ましい。例えば、シリカ−アルミナ、チタニア−アルミナ、ボリア−アルミナ、ジルコニア−アルミナ、チタニア−ジルコニア−アルミナ、シリカ−ボリア−アルミナ、シリカ−ジルコニア−アルミナ、シリカ−チタニア−アルミナ、シリカ−チタニア−ジルコニア−アルミナが望ましく、シリカ−アルミナ、ボリア−アルミナ、ジルコニア−アルミナ、チタニア−ジルコニア−アルミナ、シリカ−ボリア−アルミナ、シリカ−ジルコニア−アルミナ、シリカ−チタニア−アルミナがより望ましく、シリカ−アルミナ、シリカ−ジルコニア−アルミナがさらにより望ましい。これらの複合酸化物にゼオライトを含有されていることがもっとも望ましい。アルミナが含まれる場合、アルミナと他の成分との比率は担体に対して任意の割合を取りうるが、アルミナの含有量が担体重量の96重量%以下であることが望ましく、90重量%以下であることがより望ましい。アルミナ含有量が96重量%を越える場合には、十分な酸性質が得られず所定の水素化分解活性を発揮することが難しい傾向にある。
水素化処理後段触媒に用いられるゼオライトの結晶骨格を構成する成分としては、シリカのほかアルミナ、チタニア、ボリア、ガリウムなどがあるが、シリカとアルミナを含むゼオライト、すなわちアルミノシリケートが望ましい。ゼオライトの結晶構造には多くの種類が報告されているが、たとえばフォージャサイト型、ベータ型、モルデナイト型、ペンタシル型などがある。本発明においては、十分な水素化分解活性を発揮するという点でフォージャサイト型、ベータ型、ペンタシル型がより望ましく、特にフォージャサイト型、ベータ型がさらにより望ましい。これらのゼオライトは、合成開始時の原材料の量論比に応じてアルミナ含有量を調整したもの、あるいは所定の水熱処理および/または酸処理を施したものを用いることができる。このうち、水熱処理および/または酸処理により超安定化した超安定化Y型がもっとも望ましい。この超安定化Y型はゼオライト本来の20Å以下のミクロ細孔と呼ばれる微細細孔構造に加え、20〜100Åの範囲に新たな細孔が形成されており油脂成分の酸素分を転換するために良好な反応場を提供しているものと推察され、該細孔直径を有する細孔の容積は0.03ml/g以上が望ましく、0.04ml/gがより望ましい。なお、ここでいう細孔容積は、一般的には水銀圧入法によって求めることができる。水熱処理条件としては公知の条件を用いることができる。超安定化Y型の物性としては、シリカ/アルミナのモル比率として10〜120が好ましく、15〜70がより好ましく、20〜50がさらにより好ましい。シリカ/アルミナのモル比率が120よりも高い場合酸性質が低く、十分な水素化分解活性を発揮できない恐れがある。また、シリカ/アルミナのモル比率が10より低い場合には酸性質が強すぎ、コーク生成反応を促進することにより急激な活性低下を招く恐れがある。ゼオライトの含有量は担体重量に対して2〜80重量%が望ましく、4〜75重量%がより望ましい。ゼオライト含有量が前記下限値に満たない場合には水素化分解活性を発揮できない恐れがあり、ゼオライト含有量が前記上限値を超える場合には酸性質が強すぎ、コーク生成反応を促進する恐れがある。
水素化処理触媒および水素化処理前段触媒、後段触媒のいずれの触媒においても、活性金属を触媒に含有させる方法は特に限定されず、通常の水素化処理触媒を製造する際に適用される公知の方法を用いることができる。通常は、活性金属の塩を含む溶液を触媒担体に含浸する方法が好ましく採用される。また平衡吸着法、Pore−filling法、Incipient−wetness法なども好ましく採用される。例えば、Pore−filling法は、担体の細孔容積を予め測定しておき、これと同じ容積の金属塩溶液を含浸する方法であるが、含浸方法は特に限定されるものではなく、金属担持量や触媒担体の物性に応じて適当な方法で含浸することができる。
硫化物への転換に必要となる硫黄化合物の供給方法としては、原料油類中に含まれる含硫黄炭化水素化合物を比較的高濃度で含有する軽油基材から供給する方法、および含硫黄炭化水素化合物を原料油類に混合して使用する方法、硫化水素ガスを原料油類にリサイクル使用する方法などが考えられるが、本発明はこの方法によらず使用することが可能である。ここで示した含硫黄炭化水素化合物とは、具体的には、スルフィド、ジスルフィド、ポリスルフィド、チオール、チオフェン、ベンゾチオフェン、ジベンゾチオフェンおよびこれらの誘導体などが例として挙げられる。これらの含硫黄炭化水素化合物は単一の化合物であってもよく、あるいは2種以上の混合物であっても構わない。
本発明の軽油組成物は、上記のようにして得られた環境低負荷型軽油基材を5〜50質量%、および上記のようにして得られた接触分解軽油基材を5〜30質量%含有するものである。環境低負荷型軽油基材の含有割合は、好ましくは5〜30質量%であり、接触分解軽油基材の含有割合は、好ましくは5〜20質量%である。
本発明においては、前記で製造された環境低負荷型軽油基材および接触分解軽油基材の他に、原油等から精製された石油系水素化処理油を混合して所定の性能を満たした軽油組成物を製造することができる。
本発明の軽油組成物における該石油系水素化処理油の含有割合は、20〜90質量%であり、好ましくは30〜80質量%である。
該原油等から精製された石油系水素化処理油としては、原油の常圧蒸留装置から得られる直留軽油、常圧蒸留装置から得られる直留重質油や残査油を減圧蒸留装置で処理して得られる減圧軽油、減圧重質軽油あるいは脱硫重油を水素化分解して得られる水素化分解軽油、これらの石油系炭化水素を水素化処理して得られる水素化処理軽油若しくは水素化脱硫軽油等が挙げられる。
これらの石油系水素化処理油は、所定の条件を満たす範疇で、複数の軽油留分基材及び灯油留分基材を配合して構成することができる。また、天然ガス、アスファルト、石炭、バイオマスなどを原料にして合成される合成軽油等も使用することができる。
該石油系水素化処理油の水素化処理は、石油精製工程において一般的な水素化脱硫装置を用いて処理を行うことができる。一般的には軽油留分の場合、反応温度300〜380℃、水素圧力3〜8MPa、LHSV0.3〜2h−1、水素/油比100〜500NL/Lといった条件で行われる。
石油系水素化処理に用いられる触媒は一般的な水素化脱硫用触媒を適用できる。活性金属としては、通常、周期律表第6A族および第8族金属が好ましく用いられ、例えばCo−Mo、Ni−Mo、Co−W、Ni−Wが挙げられる。担体としてはアルミナを主成分とした多孔質無機酸化物が用いられる。これらの条件、触媒は原料油の性状を満たす限りにおいて特に限定されるものではない。
また、石油系水素化処理油は上述の石油系原料油を水素化触媒の存在下で水素化処理したものも用いることができる。水素化処理条件は、通常、反応温度170〜320℃、水素圧力2〜10MPa、LHSV0.1〜2h−1、水素/油比100〜800NL/Lである。好ましくは反応温度175℃〜300℃、水素圧力2.5〜8MPa、LHSV0.2〜1.5h−1、水素/油比150〜600NL/Lであり、さらに好ましくは反応温度180℃〜280℃、水素圧力3〜7MPa、LHSV0.3〜1.2h−1、水素/油比150〜500NL/Lである。
石油系原料油の水素化処理に用いる触媒は、水素化活性金属を多孔質担体に担持したものである。多孔質担体としては無機酸化物が挙げられる。具体的な無機酸化物としては、アルミナ、チタニア、ジルコニア、ボリア、シリカ、あるいはゼオライトがあり、本発明ではこのうちチタニア、ジルコニア、ボリア、シリカ、ゼオライトのうち少なくとも1種類とアルミナによって構成されているものがよい。その製造法は特に限定されないが、各元素に対応した各種ゾル、塩化合物などの状態の原料を用いて任意の調製法を採用することができる。さらには一旦シリカアルミナ、シリカジルコニア、アルミナチタニア、シリカチタニア、アルミナボリアなどの複合水酸化物あるいは複合酸化物を調製した後に、アルミナゲルやその他水酸化物の状態あるいは適当な溶液の状態で調製工程の任意の工程で添加して調製してもよい。アルミナと他の酸化物との比率は多孔質担体に対して任意の割合を取り得るが、好ましくはアルミナが90質量%以下、さらに好ましくは60質量%以下、より好ましくは40質量%以下である。
石油系原料油の水素化処理に用いる触媒の活性金属としては周期律表第8族金属から選ばれる少なくとも1種類の金属である。好ましくはRu、Rd、Ir、PdおよびPtから選ばれる少なくとも1種類であり、さらに好ましくはPdまたは/およびPtである。活性金属としてはこれらの金属を組み合わせたものでよく、例えばPt−Pd、Pt−Rh、Pt−Ru、Ir−Pd、Ir−Rh、Ir−Ru、Pt−Pd−Rh、Pt−Rh−Ru、Ir−Pd−Rh、Ir−Rh−Ruなどの組み合わせを採用することができる。
活性金属の担持量は特に限定されないが、触媒質量に対し金属量合計で0.1〜10質量%、好ましくは0.15〜5質量%、さらに好ましくは0.2〜3質量%である。
触媒は、水素気流下において予備還元処理を施した後に用いるのが好ましい。一般的には水素を含むガスを流通し、200℃以上の熱を所定の手順に従って与えることにより触媒上の活性金属が還元され、水素化活性を発現することになる。
本発明には、軽油留分の水素化処理油以外にも、灯油留分の水素化処理油などを用いることができる。かかる灯油留分は、所定の原料油を水素化処理して得られる灯油留分とすることができる。該原料油としては、原油の常圧蒸留により得られる直留灯油が主であるが、水素化分解軽油と共に製造される水素化分解灯油、上記の灯油留分を水素化処理して得られる水素化処理灯油を用いることができる。また、天然ガス、アスファルト分、石炭、バイオマスなどを原料とする合成灯油を使用することも可能である。
本発明の水素化処理油灯油留分は、上述の原料油を水素化触媒の存在下で水素化処理(脱硫及び精製)したものを用いることができる。
灯油留分の水素化処理条件は、通常、反応温度220〜350℃、水素圧力1〜6MPa、LHSV0.1〜10h−1、水素/油比10〜300NL/Lである。好ましくは反応温度250℃〜340℃、水素圧力2〜5MPa、LHSV1〜10h−1、水素/油比30〜200NL/Lであり、さらに好ましくは反応度270℃〜330℃、水素圧力2〜4MPa、LHSV2〜10h−1、水素/油比50〜200NL/Lである。
本発明は前述の原料油類および製造方法により製造される環境低負荷型軽油基材を使用する必要があり、環境低負荷型軽油基材は炭素数15から18までの鎖状飽和炭化水素を50質量%以上含有し、脂肪酸アルキルエステル含有量が2質量%以下、遊離脂肪酸含有量が1質量%以下、ナトリウム、カリウム、カルシウム、マグネシウムの金属分の合計が10質量ppm以下、硫黄含有量が3質量ppm以下、酸素含有量が1質量%以下、水分が500容量ppm以下である含炭化水素混合留分でなければならない。
本発明で用いる環境低負荷型軽油基材は、炭素数15から18までの鎖状飽和炭化水素を50質量%以上含有する必要がある。鎖状飽和炭化水素とは直鎖飽和炭化水素(ノルマルパラフィン類)および側鎖を有する飽和炭化水素(イソパラフィン類)の双方を示す。該基材は炭素数15から18までの鎖状飽和炭化水素を85質量%以上含有することが好ましく、90質量%以上含有することがさらに好ましい。炭素数15から18までの鎖状飽和炭化水素は着火性、発熱量、酸化安定性に優れた成分であるため、該基材の含有量がこれに満たない場合は、エンジン性能や軽油組成物の酸化安定性が悪化する可能性がある。
なお、ここでいう鎖状飽和炭化水素とは、GC−TOFMSを用いて得ることができる。GC−TOFMSにおいては、先ず、試料の構成成分をガスクロマトグラフィーにより分離し、分離された各成分をイオン化する。次いで、イオンに一定の加速電圧を与えたときの飛行速度がイオンの質量によって異なることに基づき、イオンを質量分離し、イオン検出器への到達時間の違いに基づいて質量スペクトルを得るものである。なお、GC−TOFMSにおけるイオン化法としては、フラグメントイオンの生成を抑制し、イソパラフィン類の測定精度をより向上させることができることから、FIイオン化法が好ましい。
本発明における測定装置及び測定条件を以下に示す。
(GC部)
装置:HEWLETT PACKARD製、HP6890 Series GC System & Injector
カラム:A glient HP−5(30m×0.32mmφ、0.25μm−film)
キャリアガス:He、1.4mL/分(一定流量)
注入口温度:320℃
注入モード:スプリット(スプリット比=1:100)
オーブン温度:50℃にて5分間保持し、5℃/分で昇温し、320℃にて6分間保持する
注入量:1μL
(TOFMS部)
装置:日本電子製、JMS−T100GC
対抗電極電圧:10.0kV
イオン化法:FI+(電界イオン化)
GCインターフェース温度:250℃
測定質量範囲:35〜500。
該基材は、酸化安定性確保のために、脂肪酸アルキルエステル含有量が1質量%以下であることが必要であり、好ましくは0.5質量%以下、より好ましくは0.1質量%以下である。なお、ここでいう脂肪酸アルキルエステル含有量とは、表1に示す条件にて極性カラムを用いたガスクロマトグラフィーにより測定される基材全量に対する脂肪酸アルキルエステル含有量を示す。
Figure 0005288740
該基材は、酸化安定性確保のために、遊離脂肪酸含有量が1質量%以下あることが必要であり、好ましくは0.5質量%以下、より好ましくは0.1質量%以下である。なお、ここでいう遊離脂肪酸含有量とは、表1に示す条件にて極性カラムを用いたガスクロマトグラフィーにより測定される基材全量に対する遊離脂肪酸含有量を示す。
該基材は、酸化安定性ならびにエンジン内のデポジット生成抑制、エンジンオイルの劣化防止の観点から、ナトリウム、カリウム、カルシウム、マグネシウムの金属分の合計が10質量ppm以下であることが必要であり、8質量ppm以下であることが好ましく、6質量ppm以下であることがより好ましい。なお、ここでいうナトリウム、カリウム、カルシウム、マグネシウムの測定方法には一般的な元素分析装置を適用することができ、例えばICP発光分析装置により測定される各金属分の濃度を合計して求めることができる。
該基材は、環境負荷性能を向上し、使用するエンジンに装着された排出ガス後処理装置の性能維持のため、硫黄含有量が3質量ppm以下であることが必要であり、2質量ppm以下であることが好ましく、1質量ppm以下であることがより好ましい。なお、ここでいう硫黄分含有量とは、JIS K 2541「硫黄分試験方法」により測定される軽油組成物全量基準の硫黄分の質量含有量を意味する。
該基材は、酸化安定性ならびに燃費向上、エンジンオイルの劣化防止の観点から、酸素含有量が1質量%以下であることが必要であり、0.5質量%以下であることが好ましく、0.1質量%以下であることがより好ましい。なお、酸素分含有量は一般的な元素分析装置で測定することができ、例えば、試料を白金炭素上でCOに転換し、あるいはさらにCOに転換した後に熱伝導度検出器を用いて測定することもできる。
該基材は、酸化安定性ならびに燃費向上、エンジンオイルの劣化防止の観点から、水分が500容量ppm以下であることが必要であり、300容量ppm以下であることが好ましく、100容量ppm以下であることがより好ましい。なお、ここでいう水分とは、JIS K 2275「水分試験方法(原油及び石油製品)」で規定される水分である。
本発明によって製造される軽油組成物は前述の含炭化水素混合留分の環境低負荷型軽油基材および接触分解軽油基材を用い、セタン指数54以上、芳香族含有量が17質量%以上であることが必要である。
また、さらに硫黄含有量10質量ppm以下、酸価0.10mgKOH/g以下、蒸留性状の90%留出温度が280℃以上350℃以下であることが好ましい。
本発明の軽油組成物の硫黄分含有量は、エンジンから排出される有害排気成分低減と排ガス後処理装置の性能向上の点から10質量ppm以下であることが好ましく、より好ましくは5質量ppm以下、さらに好ましくは3質量ppm以下、特に好ましくは2質量ppm以下、最も好ましくは1質量ppm以下である。なお、ここでいう硫黄分含有量とは、JIS K 2541「硫黄分試験方法」により測定される軽油組成物全量基準の硫黄分の質量含有量を意味する。
本発明の軽油組成物の酸素分含有量は、酸化安定性向上の観点から0.5質量%以下であることが好ましく、より好ましくは0.4質量%以下、さらに好ましくは0.3質量%以下、特に好ましくは0.2質量%以下、最も好ましくは0.1質量%以下である。なお、酸素分含有量は一般的な元素分析装置で測定することができ、例えば、試料を白金炭素上でCOに転換し、あるいはさらにCOに転換した後に熱伝導度検出器を用いて測定することもできる。
本発明の軽油組成物におけるセタン指数は、54以上であることが必要であり、より好ましくは56以上である。セタン指数が54に満たない場合には、排出ガス中のNOx、PM及びアルデヒド類の濃度が高くなりやすい。また、セタン価の上限に関しては特に制限はないものの、排ガス中の黒煙低減の観点から、90以下であることが好ましく、88以下であることがより好ましく、85以下であることがさらに好ましい。また本発明の軽油組成物においては、必要に応じてセタン価向上剤を適量配合することができる。なお、ここでいうセタン指数とは、JIS K 2280「石油製品−燃料油−オクタン価及びセタン指数試験方法並びにセタン指数算出方法」に準拠して算出されるセタン指数を意味する。
本発明の軽油組成物における酸化安定性試験後の過酸化物価については特に制限はないが、貯蔵安定性、部材への適合性の点から、好ましくは50質量ppm以下であり、より好ましくは30質量ppm以下、さらに好ましくは10質量ppm以下である。なお、ここでいう酸化安定性試験とは、ASTM D2274−94に準拠して、95℃、酸素バブリング下、16時間の条件で実施するものであり、過酸化物価とは石油学会規格JPI−5S−46−96に準拠して測定される値を意味する。本発明の軽油組成物には、全不溶解分や過酸化物価を低減するために、酸化防止剤や金属不活性剤等の添加剤を適宜添加することができる。
本発明の軽油組成物における酸化安定性試験後の全不溶解分については特に制限はないが、貯蔵安定性の点から、2.0mg/100mL以下であることが好ましく、1.5mg/100mL以下であることがより好ましく、1.0mg/100mL以下であることがさらに好ましく、0.5mg/100mL以下であることが特に好ましい。なお、ここでいう酸化安定性試験とは、ASTM D2274−94に準拠して、95℃、酸素バブリング下、16時間の条件で実施するものである。また、ここでいう酸化安定性試験後の全不溶解分とは、前記酸化安定性試験に準拠して測定される値を意味する。
本発明の軽油組成物における芳香族分含有量は、自動車部材影響の観点から18容量%以上である。さらに環境負荷低減効果を高め、NOx及びPM低減の観点から、好ましくは23容量%以下である。なお、本発明でいう芳香族分含有量とは、社団法人石油学会により発行されている石油学会法JPI−5S−49−97「炭化水素タイプ試験方法−高速液体クロマトグラフ法」に準拠され測定された芳香族分含有量の容量百分率(容量%)を意味する。
本発明の軽油組成物における蒸留性状としては、90容量%留出温度が280℃以上350℃以下であることが好ましい。90容量%留出温度が前記上限値を超えると、PMや微小粒子の排出量が増加し環境負荷低減性能が低下する傾向にあり、90容量%留出温度が前記下限値に満たないと、燃費向上効果が不十分となり、エンジン出力が低下する傾向にある。そのため、90容量%留出温度は、より好ましくは285℃以上345℃以下、さらに好ましくは290℃以上340℃以下である。
10容量%留出温度には特に制限はないが、好ましくは265℃以下、より好ましくは260℃以下である。10容量%留出温度が前記上限値を超えると、排ガス性能が悪化する傾向にある。また、10容量%留出温度は、好ましくは160℃以上、より好ましくは170℃以上、さらに好ましくは180℃以上である。10容量%留出温度が前記下限値に満たないと、エンジン出力や高温時の始動性が悪化する傾向にある。
なお、ここでいう10容量%留出温度、90容量%留出温度とは、全てJIS K 2254「石油製品−蒸留試験方法」により測定される値を意味する。
本発明の軽油組成物の引火点については特に制限はないが、安全上の理由により50℃以上であることが好ましく、54℃以上であることがより好ましく、58℃以上であることがさらに好ましい。なお、本発明でいう引火点はJIS K 2265「原油及び石油製品引火点試験方法」で測定される値を示す。
本発明の軽油組成物の15℃における密度については特に制限はないが、発熱量確保の観点から、750kg/m以上であることが好ましく、755kg/m以上がより好ましく、760kg/m以上がさらに好ましい。また、当該密度は、NOx、PMの排出量を低減する点から、850kg/m以下であることが好ましく、845kg/m以下がより好ましく、840kg/m以下がさらに好ましい。なお、ここでいう密度とは、JIS K 2249「原油及び石油製品の密度試験方法並びに密度・質量・容量換算表」により測定される密度を意味する。
本発明の軽油組成物は、HFRR摩耗痕径(WS1.4)が好ましくは410μm以下、より好ましくは400μm以下となる潤滑性能を有することが望ましい。HFRR摩耗痕径(WS1.4)が410μmを超える場合は、特に分配型噴射ポンプを搭載したディーゼルエンジンにおいて、運転中のポンプの駆動トルク増、ポンプ各部の摩耗増を引き起こし、排ガス性能、微小粒子性能の悪化のみならずエンジン自体が破壊される恐れがある。また、高圧噴射が可能な電子制御式燃料噴射ポンプにおいても、摺動面等の摩耗が懸念される。なお、本発明でいうHFRR摩耗痕径(WS1.4)とは、社団法人石油学会から発行されている石油学会規格JPI−5S−50−98「軽油−潤滑性試験方法」により測定される値を意味する。
本発明の軽油組成物の水分含有量については特に制限はないが、酸化安定性ならびに燃費向上、エンジンオイルの劣化防止の観点から、500容量ppm以下であることが好ましく、300容量ppm以下であることがより好ましく、100容量ppm以下であることがさらに好ましい。なお、ここでいう水分とは、JIS K 2275「水分試験方法(原油及び石油製品)」で規定される水分である。
本発明の軽油組成物の30℃における動粘度については特に制限はないが、2.5mm/s以上であることが好ましく、2.7mm/s以上であることがより好ましく、2.9mm/s以上であることがさらに好ましい。当該動粘度が2.5mm/sに満たない場合は、燃料噴射ポンプ側の燃料噴射時期制御が困難となる傾向にあり、またエンジンに搭載された燃料噴射ポンプの各部における潤滑性が損なわれるおそれがある。また、本発明の軽油組成物の30℃における動粘度は5mm/s以下であることが好ましく、4.7mm/s以下であることがより好ましく、4.5mm/s以下であることがさらに好ましい。当該動粘度が5mm/sを超えると、燃料噴射システム内部の抵抗が増加して噴射系が不安定化し、排出ガス中のNOx、PMの濃度が高くなってしまう。なお、ここでいう動粘度とは、JIS K 2283「原油及び石油製品−動粘度試験方法及び粘度指数算出方法」により測定される動粘度を意味する。
本発明の軽油組成物における10%残油の残留炭素分については特に制限はないが、微小粒子やPM低減の観点、並びにエンジンに搭載される排ガス後処理装置の性能維持の観点から、0.1質量%以下であることが好ましく、0.08質量%以下であることがより好ましく、0.06質量%以下であることがさらに好ましい。なお、ここでいう10%残油の残留炭素分とは、JIS K 2270「原油及び石油製品−残留炭素分試験方法」により測定される10%残油の残留炭素分を意味する。
本発明の軽油組成物においては、灰分の含有量が0.01質量%未満であることが好ましい。灰分の含有量が前記上限値を超えると、エンジンでの燃焼過程中に灰分がPMの核となり、PM全体の量及びナノ粒子の量が増加してしまう。また、灰分のまま排出された場合であっても、灰分が排ガス後処理装置に堆積してしまい、後処理装置の性能低下を招いてしまうことがある。さらには、燃料噴射系に対する悪影響も考えられる。なお、本発明でいう灰分とは、JIS K 2272「原油及び石油製品の灰分並びに硫酸灰分試験方法」によって測定される値を意味する。
また、本発明の軽油組成物の全酸価は0.1mgKOH/g以下であることが好ましい。全酸価は混合物内の遊離脂肪酸量を示しているため、この値が大きいと酸性化合物による部材への悪影響が懸念される。そのため、全酸価は0.1mgKOH/g以下であることが好ましく、0.05mgKOH/g以下であることがより好ましく、0.03mgKOH/g以下であることがさらに好ましい。なお、ここでいう全酸価とは、JIS K 2501「石油製品及び潤滑油−中和価試験方法」により測定される全酸価を意味する。
本発明の軽油組成物においては、必要に応じてセタン価向上剤を適量配合し、得られる軽油組成物のセタン価を向上させることができる。
セタン価向上剤としては、軽油のセタン価向上剤として知られる各種の化合物を任意に使用することができ、例えば、硝酸エステルや有機過酸化物等が挙げられる。これらのセタン価向上剤は、1種を単独で用いてもよく、2種以上を組み合わせて用いても良い。
本発明においては、上述のセタン価向上剤の中でも硝酸エステルを用いることが好ましい。かかる硝酸エステルには、2−クロロエチルナイトレート、2−エトキシエチルナイトレート、イソプロピルナイトレート、ブチルナイトレート、第一アミルナイトレート、第二アミルナイトレート、イソアミルナイトレート、第一ヘキシルナイトレート、第二ヘキシルナイトレート、n−ヘプチルナイトレート、n−オクチルナイトレート、2−エチルヘキシルナイトレート、シクロヘキシルナイトレート、エチレングリコールジナイトレートなどの種々のナイトレート等が包含されるが、特に、炭素数6〜8のアルキルナイトレートが好ましい。
セタン価向上剤の含有量は、組成物全量基準で500質量ppm以上であることが好ましく、600質量ppm以上であることがより好ましく、700質量ppm以上であることがさらに好ましく、800質量ppm以上であることが特に好ましく、900質量ppm以上であることが最も好ましい。セタン価向上剤の含有量が500質量ppmに満たない場合は、十分なセタン価向上効果が得られず、ディーゼルエンジン排出ガスのPM、アルデヒド類、さらにはNOxが十分に低減されない傾向にある。また、セタン価向上剤の含有量の上限値は特に限定されないが、軽油組成物全量基準で、1400質量ppm以下であることが好ましく、1250質量ppm以下であることがより好ましく、1100質量ppm以下であることがさらに好ましく、1000質量ppm以下であることが最も好ましい。
セタン価向上剤は、常法に従い合成したものを用いてもよく、また、市販品を用いてもよい。なお、セタン価向上剤と称して市販されているものは、セタン価向上に寄与する有効成分(すなわちセタン価向上剤自体)を適当な溶剤で希釈した状態で入手されるのが通例である。このような市販品を使用して本発明の軽油組成物を調製する場合には、軽油組成物中の当該有効成分の含有量が上述の範囲内となることが好ましい。
本発明の軽油組成物においては、上記セタン価向上剤以外の添加剤を必要に応じて配合することができ、特に、潤滑性向上剤および/または清浄剤が好ましく配合される。
潤滑性向上剤としては、例えば、カルボン酸系、エステル系、アルコール系およびフェノール系の各潤滑性向上剤の1種又は2種以上が任意に使用可能である。これらの中でも、カルボン酸系及びエステル系の潤滑性向上剤が好ましい。
カルボン酸系の潤滑性向上剤としては、例えば、リノ−ル酸、オレイン酸、サリチル酸、パルミチン酸、ミリスチン酸、ヘキサデセン酸及び上記カルボン酸の2種以上の混合物が例示できる。
エステル系の潤滑性向上剤としては、グリセリンのカルボン酸エステルが挙げられる。カルボン酸エステルを構成するカルボン酸は、1種であっても2種以上であってもよく、その具体例としては、リノ−ル酸、オレイン酸、サリチル酸、パルミチン酸、ミリスチン酸、ヘキサデセン酸等がある。
潤滑性向上剤の配合量は、HFRR摩耗痕径(WS1.4)が前述の好ましい範囲内であれば特に制限されないが、組成物全量基準で35質量ppm以上であることが好ましく、50質量ppm以上であることがより好ましい。潤滑性向上剤の配合量が前記の範囲内であると、配合された潤滑性向上剤の効能を有効に引き出すことができ、例えば分配型噴射ポンプを搭載したディーゼルエンジンにおいて、運転中のポンプの駆動トルク増を抑制し、ポンプの摩耗を低減させることができる。また、配合量の上限値は、それ以上加えても添加量に見合う効果が得られないことから、組成物全量基準で150質量ppm以下であることが好ましく、105質量ppm以下であることがより好ましい。
清浄剤としては、例えば、イミド系化合物;ポリブテニルコハク酸無水物とエチレンポリアミン類とから合成されるポリブテニルコハク酸イミドなどのアルケニルコハク酸イミド;ペンタエリスリトールなどの多価アルコールとポリブテニルコハク酸無水物から合成されるポリブテニルコハク酸エステルなどのコハク酸エステル;ジアルキルアミノエチルメタクリレート、ポリエチレングリコールメタクリレート、ビニルピロリドンなどとアルキルメタクリレートとのコポリマーなどの共重合系ポリマー、カルボン酸とアミンの反応生成物等の無灰清浄剤等が挙げられ、中でもアルケニルコハク酸イミド及びカルボン酸とアミンとの反応生成物が好ましい。これらの清浄剤は、1種を単独で又は2種以上を組み合わせて使用することができる。
アルケニルコハク酸イミドを使用する例としては、分子量1000〜3000程度のアルケニルコハク酸イミドを単独使用する場合と、分子量700〜2000程度のアルケニルコハク酸イミドと分子量10000〜20000程度のアルケニルコハク酸イミドとを混合して使用する場合とがある。
カルボン酸とアミンとの反応生成物を構成するカルボン酸は1種であっても2種以上であってもよく、その具体例としては、炭素数12〜24の脂肪酸および炭素数7〜24の芳香族カルボン酸等が挙げられる。炭素数12〜24の脂肪酸としては、リノール酸、オレイン酸、パルミチン酸、ミリスチン酸等が挙げられるが、これらに限定されるものではない。また、炭素数7〜24の芳香族カルボン酸としては、安息香酸、サリチル酸等が挙げられるが、これらに限定されるものではない。また、カルボン酸とアミンとの反応生成物を構成するアミンは、1種であっても2種以上であってもよい。ここで用いられるアミンとしては、オレイルアミンが代表的であるが、これに限定されるものではなく、各種アミンが使用可能である。
清浄剤の配合量は特に制限されないが、清浄剤を配合した効果、具体的には、燃料噴射ノズルの閉塞抑制効果を引き出すためには、清浄剤の配合量を組成物全量基準で30質量ppm以上とすることが好ましく、60質量ppm以上とすることがより好ましく、80質量ppm以上とすることがさらに好ましい。30質量ppmに満たない量を添加しても効果が現れない可能性がある。一方、配合量が多すぎても、それに見合う効果が期待できず、逆にディーゼルエンジン排出ガス中のNOx、PM、アルデヒド類等を増加させる恐れがあることから、清浄剤の配合量は300質量ppm以下であることが好ましく、180質量ppm以下であることがより好ましい。
なお、先のセタン価向上剤の場合と同様、潤滑性向上剤又は清浄剤と称して市販されているものは、それぞれ潤滑性向上または清浄に寄与する有効成分が適当な溶剤で希釈された状態で入手されるのが通例である。このような市販品を本発明の軽油組成物に配合する際には、軽油組成物中の当該有効成分の含有量が上述の範囲内となることが好ましい。
また、本発明における軽油組成物の性能をさらに高める目的で、後述するその他の公知の燃料油添加剤(以下、便宜上「その他の添加剤」という。)を単独で、または数種類組み合わせて添加することもできる。その他の添加剤としては、例えば、エチレン−酢酸ビニル共重合体、アルケニルコハク酸アミドなどの低温流動性向上剤;フェノール系、アミン系などの酸化防止剤;サリチリデン誘導体などの金属不活性化剤;ポリグリコールエーテルなどの氷結防止剤;脂肪族アミン、アルケニルコハク酸エステルなどの腐食防止剤;アニオン系、カチオン系、両性系界面活性剤などの帯電防止剤;アゾ染料などの着色剤;シリコン系などの消泡剤等が挙げられる。
その他の添加剤の添加量は任意に決めることができるが、添加剤個々の添加量は、軽油組成物全量基準でそれぞれ好ましくは0.5質量%以下、より好ましくは0.2質量%以下である。
以下、実施例及び比較例に基づいて本発明をさらに具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に何ら限定されるものではない。
(実施例1および比較例1〜3)
表2に示した環境低負荷型軽油基材、接触分解軽油基材および石油系基材である水素化処理油(水素化精製油)を調合して軽油組成物を製造した(実施例1および比較例1〜3)。
なお、使用した添加剤は以下のとおりである。
・潤滑性向上剤:リノ−ル酸を主成分とするカルボン酸混合物
・清浄剤:オレイン酸を主成分とするカルボン酸混合物とオレイルアミンとの
反応生成物
・低温流動性向上剤:エチレン−酢酸ビニル共重合体
調合した軽油組成物の調合比率、及びこの調合した軽油組成物に対して、15℃における密度、30℃における動粘度、蒸留性状、飽和分含有量、芳香族分含有量、セタン指数、酸価を測定した結果を表3に示す。
なお、燃料油の性状は以下の方法により測定した。
密度は、JIS K 2249「原油及び石油製品の密度試験方法並びに密度・質量・容量換算表」により測定される密度を指す。
動粘度は、JIS K 2283「原油及び石油製品−動粘度試験方法及び粘度指数算出方法」により測定される動粘度を指す。
蒸留性状は、全てJIS K 2254「石油製品−蒸留試験方法」によって測定される値である。
飽和分含有量および芳香族分含有量は、社団法人石油学会により発行されている石油学会法JPI−5S−49−97「炭化水素タイプ試験方法−高速液体クロマトグラフ法」に準拠され測定された芳香族分含有量の容量百分率(容量%)を意味する。
全酸価とは、JIS K 2501「石油製品及び潤滑油−中和価試験方法」により測定される全酸価を意味する。
セタン指数は、JIS K 2280「石油製品−燃料油−オクタン価及びセタン価試験方法並びにセタン指数算出方法」の「8.4変数方程式を用いたセタン指数の算出方法」によって算出した価を指す。なお、上記JIS規格におけるセタン指数は、セタン価向上剤を添加したものに対しては適用されないが、本発明ではセタン価向上剤を添加したもののセタン指数も、上記「8.4変数方程式を用いたセタン指数の算出方法」によって算出した値を表すものとする。
実施例および比較例で使用した軽油組成物は、表3に示すとおり、環境低負荷型軽油基材、接触分解軽油基材および石油系基材である水素化精製油を特定の割合で調合して製造したものである。
実施例1及び比較例1〜3の各軽油組成物を用いて、以下に示す各種試験を行った。全ての試験結果を表4に示す。表4の結果から分かるように、実施例1の軽油組成物は、比較例1〜3の軽油組成物に比べ、ライフサイクルでの二酸化炭素排出量が少ないこと、燃費が良好であること、部材安定性に優れていることの全てを兼ね備えていることが明らかである。
なお、車両試験に係わる試験方法は、「国土交通省監修新型自動車審査関係基準集」同別添27「ディーゼル自動車10・15モード排出ガス測定の技術基準」に準拠している。
(車両排ガス試験、燃費試験)
下記に示すディーゼルエンジン搭載車両(車両1)を用いて、燃費の測定を行った。試験モードは、図1に示す実走行を模擬した過渡運転モードで行い、燃費は試験モード中に消費した燃料容積流量を燃料温度補正し、重量値に置き換えた値について、比較例1の燃料を供試した場合の結果を100として、各結果を相対的に比較、定量化した。
(車両諸元):車両1
エンジン種類:インタークーラー付過給直列4気筒ディ−ゼル
排気量 :3L
圧縮比 :18.5
最高出力 :125kW/3400rpm
最高トルク:350Nm/2400rpm
規制適合 :平成9年度排ガス規制適合
車両重量 :1900kg
ミッション:4AT
排ガス後処理装置:酸化触媒
(ライフサイクルCO算出)
ライフサイクルCOは、ディーゼルエンジン搭載車両における軽油組成物の燃焼に伴い発生したCOと、採掘から車両タンクへの燃料給油までに発生したCOと分けて算出した。
燃焼に伴い発生したCO(以下、「Tank to Wheel CO」という。
)は、上記車両試験を行ったときのCO排出量、走行燃費及び燃料密度に基づいて、各軽油組成物単位発熱量当たりの排出量として算出した。
また、採掘から車両タンクへの燃料給油までに発生したCO(以下、「Well to Tank CO」という。)は、原料及び原油ソースの採掘、輸送、加工、配送、車両への給油までの一連の流れにおけるCO排出量の総和として算出した。なお、「Well to Tank CO」の算出にあたっては、下記(1B)〜(5B)に示す二酸化炭素の排出量を加味して演算を行った。かかる演算に必要となるデータとしては、本発明者らが有する製油所運転実績データを用いた。
(1B)各種処理装置、ボイラー等設備の燃料使用に伴う二酸化炭素の排出量。
(2B)水素を使用する処理においては、水素製造装置における改質反応に伴う二酸化炭素の排出量。
(3B)接触分解装置等の連続触媒再生を伴う装置を経由する場合は、触媒再生に伴う二酸化炭素の排出量。
(4B)軽油組成物を、横浜で製造又は陸揚げし、横浜から仙台まで配送し、仙台で車両に給油したときの二酸化炭素の排出量。
(5B)動植物油脂および動植物油脂由来の成分は原産地をマレーシアおよびその周辺地域とし、製造を横浜で行うとした際の二酸化炭素の排出量。
なお、動植物油脂および動植物油脂由来の成分を使用した場合、いわゆる京都議定書においてはこれらの燃料に起因する二酸化炭素は排出量として計上されないルールが適用される。本計算においては、燃焼時に発生する「Tank to Wheel CO」に対してこれを適用させた。
このようにして算出した「Tank to Wheel CO」と「Well to Tank CO」、並びにこれらの総和であるライフサイクルCO(LC)の各排出量をそれぞれ表4に示す。なお、比較例1を100とし、各結果を相対的に比較、定量化した数値もあわせて示す。
(ゴム浸漬試験)
エンジン部品のO−リング等で使用されているゴム部材に対する影響を確認するため、以下に示す手順で浸漬試験を行った。ゴムを構成している化合物の1つであるアクリロニトリルが結合アクリロニトリル質量中心値として、全体の25%以上35%以下であるニトリルゴム(中ニトリルゴム)を評価対象のゴム部材とし、MIL R6855に準拠して試験燃料を100℃に加熱、保持し、その中に試験ゴム部材を70時間浸漬させる。評価は70時間後の試験ゴム部材の体積変化で比較、定量化する。判定は試験前後における体積変化率絶対値が±20%以上の場合を不合格(×)とし、±10%以上±20%以内の場合をボーダーライン(△)、±10%以内の場合を合格(○)とする。
Figure 0005288740
Figure 0005288740
Figure 0005288740
車両排ガス試験、燃費試験における実走行を模擬した過渡運転モードである。

Claims (3)

  1. 動植物油脂および/または動植物油脂由来成分を含有する原料油類とアルミニウム、ケイ素、ジルコニウム、ホウ素、チタン及びマグネシウムから選ばれる2種以上の元素を含んで構成される多孔性無機酸化物並びに該多孔性無機酸化物に担持された周期律表第6A族及び第8族の元素から選ばれる1種以上の金属を含有する触媒とを、水素圧力2〜13MPa、液空間速度0.1〜3.0h−1、水素油比150〜1500NL/L、反応温度150〜480℃の条件下で接触させることによって鎖状飽和炭化水素を製造し、前記鎖状飽和炭化水素(A)5〜30質量%と、接触分解装置より得られる軽油留分を水素化処理して得られる接触分解軽油基材(B)5〜20質量%と、原油等から精製された石油系水素化処理油(C)50〜90質量%とを配合することにより、セタン指数54以上、芳香族含有量が18容量%以上23容量%以下である軽油組成物を製造することを特徴とする軽油組成物の製造方法
  2. 硫黄含有量が10質量ppm以下、酸価が0.10mgKOH/g以下、蒸留性状の90%留出温度が280℃以上350℃以下であることを特徴とする請求項1に記載の軽油組成物の製造方法
  3. 前記鎖状飽和炭化水素は炭素数15から18までの鎖状飽和炭化水素を50質量%以上含有し、脂肪酸アルキルエステル含有量が2質量%以下、遊離脂肪酸含有量が1質量%以下、ナトリウム、カリウム、カルシウム、マグネシウムの金属分の合計が10質量ppm以下、硫黄含有量が3質量ppm以下、酸素含有量が1質量%以下、水分が500容量ppm以下の含炭化水素混合留分であることを特徴とする請求項1に記載の軽油組成物の製造方法
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