JP6224709B2 - 多数の分子サイズ燃料添加物 - Google Patents

Description

本発明は、一般的に、触媒作用を提供して化石燃料の燃焼工程を改善することができる新生代の燃料添加物と、取りわけ、燃焼室の内側で分子サイズ粒子を有するオーバーベースのマグネシウム化合物と組み合わせた鉄化合物を含有する触媒とに関連する。そのような燃料添加物触媒は、燃料油燃焼、天然ガス燃焼、静止ガスタービン、天然ガス点火式レシプロエンジン、ディーゼルエンジン、ガソリンエンジン、及び全ての静止二元燃料エンジンに対して特に有用である。触媒は、ＮＯｘ、一酸化炭素、及び微粒子のような重大な排気物質を低減すると同時に、関わっている燃焼工程の燃料効率を改善する。触媒は、一部の金属灰を様々な燃焼工程の排気に追加するが、そのような灰の量及び灰微粒子のサイズは、無視できる点まで低減される。ディーゼル燃料を含む蒸留燃料油の最近の変化は、いわゆる低硫黄又は超低硫黄蒸留燃料と呼ばれるものまでの硫黄の量の大幅な低減を伴っている。そのような燃料を作る蒸留処理中に、燃料の潤滑性は、それが燃料噴射システムを抱える主要な問題を引き起こす可能性があるようなレベルまで低下する。本発明の触媒の一実施形態は、失われた潤滑性を回復する潤滑剤を燃料添加物に追加することによってこの問題に対処する。

最も一般的に使用される化石燃料は、天然ガス、ガソリン、蒸留燃料油、及び石炭である。そのような燃料の消費量を低減し、同時に燃料燃焼から生じる排気ガスからの汚染物質を低減する必要性は、大きい課題である。

従来技術の燃料添加物は、一般的に、ガソリン及び蒸留燃料油を含む液体化石燃料に使用することに制限されている。鉄とオーバーベースのマグネシウムとを含有する金属触媒を使用する利益は当業者に公知であるが、従来技術は、重量で約３０ＰＰＭから７０ＰＰＭの鉄の濃度及び鉄の３〜８部毎にマグネシウムの重量で約１部のマグネシウム含有量に制限されてきた。平均粒子サイズも、約．００７ミクロンに制限されていた。従来技術の多くの場合にＡＳＴＭ仕様内であるが得られる高い灰含有量と大きい粒子サイズとは、従来技術の限界である。そのような大きい粒子サイズはまた、添加物にコストを追加することは別にしても、「米国環境保護局」が推奨するものよりも高いレベルで空気の中に金属粒子を導入する。

米国特許第３，３３２，７５５ Ａ号明細書 ７／１９６７ Ｋｕｋｉｎ ４４／６０３ 米国特許第４，１０４，１８０ Ａ号明細書 ８／１９７８ Ｂｕｒｎｏｐ ５０８−３９２ 米国特許第５，１４５，４８８ Ａ号明細書 ９／１９９２ Ｗｅｂｅｒ 米国特許第６，８６６，０１０ Ｂ２号明細書 ３／２００５ Ｍａｙ 米国特許第６，８８１，２３５ Ｂ２号明細書 ４／２００５ Ｍａｙ 米国特許第６，９８６，３２７ Ｂ２号明細書 １／２００６ Ｍａｙ 米国特許第７，２２９，４８２ Ｂ２号明細書 ６／２００７ Ｍａｙ 米国特許第７，５２４，３４０ Ｂ２号明細書 ４／２００９ Ｍａｙ

「汚染物質低減及びエネルギ節約のためのボイラー燃料添加物」、Ｅｌｉｏｔ編、１９７８，ｐｐ．６７−７２ Ｒｉｓｉｎｇ，Ｂ．、「添加物を使用する微粒子排出量低減」、Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｐａｐｅｒ ＴＰ−９８０１０，Ｊａｎ．９，１９９８，Ｗｅｓｔｉｎｇｈｏｕｓｅ Ｐｏｗｅｒ Ｃｏｒｐ．、Ｏｒｌａｎｄｏ，ＦＬ ３２８２６−２３９９ Ｍａｙ、Ｗ．、「燃焼タービン排気微粒子排出量低減：機構的説明」、Ｊｕｎｅ ２００２ Ｍａｙ、Ｗ．、「ディーゼル燃料の燃焼効率を改善するための触媒」、インド石油及びガス調査シンポジウム、Ｓｅｐｔ．２００２ 「炎発光分光法：基本及び応用」、燃焼工程のレーザ診断に基づくＩＣＳ訓練コースで与えられたＧｉｏｒｇｉｏ Ｚｉｚａｋ講演、ＮＩＬＥＳ、Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｃａｉｒｏ、Ｅｇｙｐｔ、１８−２２ Ｎｏｖ．２０００ 「新しい燃料添加物の合成」、Ｓａｌａｌ Ａｂｄｕｌｈａｄｉ Ａｂｄｕｌｌａ Ｍｕｒｒｈｉｇｅ及びＡｈｍｅｄ Ａｂｄｕｌａｍｉｅｒ ｈｕｓｓａｉｎ Ａｌ−Ａｍｉｅｒｙ、２０１０；２（５）、Ｂｉｏｃｈｅｍｉｃａｌ ｄｉｖｉｓｉｏｎ、Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ ａｐｐｌｉｅｄ ｓｃｉｅｎｃｅ、Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ、イラク Ｊ．Ｈｕｓｓａｉｎ，Ｋ．Ｐａｌａｎｉｒａｄｊａ，及びＮ．Ａｌｇｕｍｕｒｔｈｉ、Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｐｏｎｄｉｃｈｅｒｒｙ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｐｕｄｕｃｈｅｒｒｙ，Ｉｎｄｉａ、Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ａｎｄ Ｓｔｕｄｉｅｓ，Ｖｏｌ．ＩＩＩ／Ｉｓｓｕｅ ＩＩ／Ａｐｒｉｌ−Ｊｕｎｅ，２０１２

必要なものは、広範な化石燃料に利用することができ、添加物を使用する機器への損傷が事実上排除され、大気の中に放出されるいずれの金属灰も現在のＥＰＡ推奨標準をかなり下回るような低い粒子密度及び粒子サイズを有する新しい触媒燃料添加物である。

そのような触媒を利用することができる燃焼工程のタイプは、以下に限定されるものではないが、燃焼工程によって燃焼する蒸留燃料油、天然ガス燃焼、静止天然ガスタービン、天然ガス点火式レシプロエンジン、ガソリン及びディーゼルエンジン、大型の静止ディーゼル及び全ての静止二元燃料エンジンを含む。金属灰の濃度が低いほど及び粒子サイズが小さいほど、天然ガスが燃焼する環境及び機器に対する危険性が低下する。

本発明は、分子サイズの添加物粒子サイズを含む化石燃料と共に使用するための燃料添加物触媒を含む。それは、これらの燃料添加物の成分としての多数の金属、金属酸化物、及び金属化合物の組成物を含む。それは、天然ガス、ガソリン、ディーゼル燃料、蒸留燃料、及び石炭を含む化石燃料に対するそのような燃料添加物の応用を含む。小さい粒子サイズは、添加物を利用する燃焼機器への汚染又は損傷の危険性を有意に低減して触媒の同じ品質を提供する。

別の好ましい実施形態において、燃料添加物に使用する広範な金属、金属酸化物、及び金属化合物は、２００〜２５００ｎｍの波長の重要なスペクトルバンドにわたる複合蛍光発光スペクトルにおけるギャップが、複合金属の発光スペクトルにおけるギャップを最小にするように選択された金属、金属酸化物、及び金属化合物を追加することによって最小にされるように選択される。そのような最小化は、ＮＯｘ排出の低減を改善し、化石燃料のより完全な燃焼を促進する。

別の好ましい実施形態において、追加の潤滑剤は、石油を精製する工程中に低下して低い又は超低の硫黄ディーゼル又は蒸留燃料になる潤滑性からのエンジン部品の摩耗を低減する目的のために本発明の燃料触媒に追加される。

別の好ましい実施形態において、本発明の燃料添加物は、排気ガス再循環又は「選択的触媒還元」と共に使用され、ＮＯｘ及び一酸化炭素排出を更に低減し、かつ化石燃料を利用する燃焼工程のための燃料効率を改善する。

広範な工業、商業、及び住宅使用における広範な天然ガス、ガソリン、蒸留油、及びディーゼル燃料燃焼工程へのそのような燃料添加物の用途が含まれている。

方法ＩＰ５４１／０６試験の試験結果のグラフィック表示の図である。 方法ＩＰ５４１／０６試験の試験結果の大縮尺グラフィック表示の図である。 石炭、ガス、及び油燃焼の出力炎光スペクトルの全体的グラフィック表示の図である。 紫外線及び光エネルギにおけるブタン燃料の出力炎光スペクトルのグラフィック表示の図である。 ２００〜６００ｎｍの波長バンドにおける鉄ＩＩＩに対する正規化発光スペクトルのグラフィック表示の図である。 ２００〜６００ｎｍの波長バンドにおける銅ＩＩに対する正規化発光スペクトルのグラフィック表示の図である。 ８００〜２５００ｎｍの波長バンドにおけるマグネシウムＩＩに対する正規化発光スペクトルのグラフィック表示の図である。 ８００〜２５００ｎｍの波長バンドにおける銅ＩＩに対する正規化発光スペクトルのグラフィック表示の図である。 天然ガスバーナーの中に燃料添加物を注入するためのシステムの概略図である。 排煙再循環の様々なパーセントで作動する小さいディーゼルエンジンのための排出炭化水素の変化のグラフィック表示の図である。 排煙再循環の様々なパーセントで作動する小さいディーゼルエンジンのための一酸化炭素の変化のグラフィック表示の図である。 排煙再循環の様々なパーセントで作動する小さいディーゼルエンジンのためのＮＯｘの変化のグラフィック表示の図である。 排煙再循環の様々なパーセントで作動する小さいディーゼルエンジンのための不透明度の変化のグラフィック表示の図である。

一般的に、熱ＮＯｘ形成の実験測定値は、ＮＯｘ濃度が指数関数的に温度に依存し、炎中のＮ₂濃度、炎中のＯ₂濃度の平方根、及びピーク温度燃焼滞留時間に比例することを示している。従って、熱ＮＯｘの形成は、４つのファクタ：（１）ピーク温度、（２）燃料窒素濃度、（３）酸素濃度、及び（４）ピーク温度での露出時間によって影響を受ける。ＮＯｘは、それが酸性雨の主要な原因物質のうちの１つであるので工業国においては大きい関心事である。化石燃料を利用する全ての燃焼環境において、ＮＯｘの低減にかなりの努力及び費用が払われている。熱的固定は、天然ガスにおけるこれらの軽質油中の無視することができる窒素含有量のために、低及び超低硫黄蒸留燃料、並びに主として天然ガスを含む単位発火第１及び第２の蒸留油における支配的なＮＯｘ形成機構である。重質蒸留燃料及び石炭は、軽質及び天然ガスよりもかなり厳しいＮＯｘ問題を抱えている。

鉄／マグネシウム燃料添加物の従来技術の形成は、約０．００７ミクロンの最小平均粒子サイズを有し、重量で鉄の３０〜７５ＰＰＭ及びマグネシウムの６〜１６ＰＰＭの好ましい比率で流体燃料において使用されている。従って、燃料に追加された総金属灰は、９０ＰＰＭまで高くなる可能性がある。

ＥＰＡは、燃料添加物に使用する金属に制限を追加する手続を１９９６年に開始した。具体的に、彼らは、アルミニウム、ホウ素、カルシウム、ナトリウム、亜鉛、マグネシウム、リン、カリウム、及び鉄が、重量で最大２５ＰＰＭのレベルで存在し、大気中で健康問題を引き起こすことはないことを見出した。ＥＰＡは、ベース燃料における非典型元素の２５百万分率（ｐｐｍ）の濃度が、一般的に、０．１ｍｇ／ｍ³未満の空気中で非毒性濃度を生成するはずであると推定している。図２に示すような本発明の一実施形態において、燃料添加物触媒の鉄成分は、２ｐｐ未満、又は大気中のあらゆる健康問題に対する既に低い可能性を下げるＥＰＡ推奨最大濃度の１０分の１未満の重量で使用される。マグネシウム含有量は、健康問題として問題を更に少なくする重量で鉄の５分の１である。

現在の燃料添加物触媒組成物の１つの好ましい実施形態は、鉄ベース化合物、マグネシウムベース化合物、及び鉄及びマグネシウム化合物がその中に追加されるキャリア液体を含む。好ましくは、キャリア液体は、鉄化合物が溶解する溶媒になる。溶液は、鉄化合物の最大分布及び最小分子サイズ粒子を可能にする。マグネシウム化合物は、キャリア液体溶媒によって溶解するか又はそれでコロイド懸濁液又は分散液を形成するかのいずれかとすることができる。

様々な引火点溶媒は、以下に限定されるものではないが、トルエン、ヘキサノール、オクタノール、キシレン、ケロシン、燃料油、芳香族又は溶媒系ナフサの溶媒、及び石油スピリット又はこれらの均等物を含むキャリア溶媒液体として利用することができる可能な溶媒である。

燃料添加物触媒の一実施形態において、液体キャリアは、様々な商品名で市場において容易に入手可能な１０８度Ｆまで低い及び２００度Ｆまで高い引火点を有するナフサ溶媒のうちの１つから選択される。フェロセンは、分子形態にそのような溶媒を溶解することになる。ディーゼル燃料Ａｒｏｍａｔｉｃ １５０の応用に対して、米国ジョージア州のアトランタ所在のＡｌ Ｃｈｅｍ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｃｏｍｐａｎｙ，５２８０ Ｔｕｌａｎｅ Ｄｒ．ＳＷの製品又はその均等物が好ましい。キャリア液体の引火点が化石燃料バーナー用途に問題である時に、芳香族又は均等物のいずれかを使用することができる。

本発明の別の実施形態において、鉄は、ジクロロペンタジエニル鉄又は「フェロセン」の形態に使用される。本発明の目的のために、フェロセンは、ジクロロペンタジエニルＦｅ⁰、並びにシクロペンタジエニルトリカルボニルＦｅ⁰、及びこれらの混合物を含む当業者に公知のその誘導体の全てを含む。更に、使用することができる油溶性化合物は、鉄カルボン酸塩、ジカルボン酸塩、スルホン酸塩、クエン酸塩、ナフテン酸塩、及びエチレンジアミン４酢酸塩のようなキレート化合物を含む。フェロセンは、燃焼工程の中に導入する前に溶媒キシレン中に溶解される。フェロセンの溶液を使用することで、粒子サイズは、分子サイズ粒子まで低減される。マグネシウム化合物は、当業者によって理解されるように、オーバーベースであり、スルホン酸マグネシウム（コロイドレベルで懸濁し、スルホン酸及びカルボン酸と部分的に反応する酸化ネシウム及び炭酸塩）の形態である。一実施形態において、スルホン酸マグネシウムは、キャリア液体キシレンとコロイド懸濁液を形成する。

別の実施形態において、ラウリン酸マグネシウム、アラキジン酸マグネシウム、パルミチン酸マグネシウム、オレイン酸マグネシウム、及びステアリン酸マグネシウムは、全てキシレン中に溶解可能であることは公知である。従って、鉄及びマグネシウム化合物の両方とも、キャリア溶媒中に溶解する。従って、これらの化合物を使用して、マグネシウムの分子サイズの化合物を直接本発明の燃料添加物のキャリア液体キシレン又は他の適切なキャリア液体の中に導入することができる。

本発明の触媒燃料添加物の一実施形態は、燃焼室の内側で分子サイズである粒子を有する少なくとも２つの金属、金属酸化物、又は金属化合物を含有し、いくつかの化石燃料用途のいずれかに使用することができる。燃焼工程全体を通して触媒の均等な分布を保証するために、各用途に対して特別の配慮を必要とする。

本発明の目的のために、蒸留燃料油は、従来の蒸留操作において生成される石油留分のうちの１つに対する一般分類である。それは、ディーゼル燃料及び燃料油を含む。第１、第２、及び第４のディーゼル燃料として公知の製品は、トラック及び車両におけるようなオンハイウェイディーゼルエンジン、並びに鉄道機関車及び農業機械におけるようなオフハイウェイエンジンにおいて使用される。第１、第２、及び第４の燃料油として公知の製品は、主として空間加熱及び発電に使用される。燃料油はまた、多用途を有する第５及び第６として公知の重質燃料油を含む。本発明の触媒燃料添加物は、全ての蒸留燃料油燃焼工程において使用することができる。

本発明の目的に対して、蒸留燃料油の使用を本明細書で詳述する。住宅用途は、家庭の住居の全てのエネルギ消費を含む。共通の使用は、空間加熱、水加熱、空調、照明、冷凍、及び料理である。商業エネルギ消費は、サービス提供施設及び非製造業の機器：連邦政府、州政府及び地方自治体、及び宗教、社会又は共済群、病院、学校及び大学のような他の民間団体のものを含む。産業用途は、製造及び採掘をカバーする生成、処理、又は組み立て物品のために使用する全ての施設及び機器を含む。農場用途は、その第１次産業活動が作物を育成するか又は動物を飼育するものである施設を含む。発電は、熱及び発電（ＣＨＰ）プラントを組み合わせる主として電気の生成のためのエネルギ消費セクターであり、その本業は、電気、又は電気及び熱を国民に売ることである。鉄道用途は、いずれかの使用のための全ての鉄道を含む別のエネルギ消費セクターである。船舶燃料補給は、石油会社が運用する船を含む娯楽船、釣りのためのボート、タグボート、及び外航船のような商業のための又は個人用のボートから構成される別のエネルギ消費セクターである。軍事用途のセクターは、「米軍」、「国防エネルギサポートセンター（ＤＥＳＣ）」、及び「国防総省」の全ての部門を含むエネルギ消費セクターである。オフハイウェイは、建設機器及び施設、並びに土工機器、クレーン、静止発生器、空気圧縮器、その他を含む機器から構成されるエネルギ消費セクターである。他のオフハイウェイ用途は、建設は別として、ロギング、スクラップ、及びジャンクヤード、並びにトラック上の冷凍用途を含む。

超低硫黄ディーゼル（ＵＬＳＤ）は、大幅に低い硫黄含有量を有するディーゼル燃料を定義するための基準である。ＵＳのＥＰＡは、モデル年度２００７のＵＬＳＤ燃料及び新しい燃料を必要とする最新式排出制御システムを装着したより新しいハイウェイディーゼル燃料エンジンの使用を命じた。これらの最新式排出制御技術は、２０１４の船舶のためのディーゼルエンジン及び２０１５の機関車に必要であることになる。ＵＬＳＤ（１５ｐｐｍ）の新しい許容硫黄含有量は、そうでなければこれらの化合物によって有害であると考えられる最新式排出制御システムに適合する低硫黄ディーゼル（ＬＳＤ、５００ｐｐｍ）に対する前のＵ．Ｓ．オンハイウェイ標準よりも遥かに低い。北アメリカに使用されている多くの実際の燃料は、１０ｐｐｍの範囲の硫黄を有する。これらのシステムは、窒素の酸化物及び粒子状物質の排出を大いに低減することができる。

一実施形態において、燃焼工程に入る前に天然ガス流の中に燃料添加物触媒を注入する時に、キャリア液体は、燃焼室に入る前に触媒の均等な分布を可能にするようにガス流の中への導入の結果迅速蒸発を行うように選択される。フェロセンは、キシレン中に溶解し、スルホン酸マグネシウム化合物は、キシレン又はそれに代えてキシレン中に溶解することができるマグネシウムの化合物でコロイド懸濁液又は分散液を形成する。キシレンはまた、以下に限定されるものではないが、ディーゼル燃料、ガソリン、及び蒸留燃料を含む液体燃料に対してキャリア液体として使用することができ、また石炭を燃やす炉の中に直接注入することができる。キシレンの引火点は、約８１〜９０度Ｆである。

本発明の一実施形態において、フェロセンの形態の鉄が溶解している時に、その鉄は分子サイズのものである。フェロセンが炎に入る時に、フェロセン分子の炭化水素部分は、その代わりに酸化鉄分子から離れて燃える。すなわち、サイズが１マイクロメートルよりも小さい分子サイズのものに対して炎中の鉄化合物物の粒子サイズの有意な縮小がある。

オーバーベースのマグネシウムは、液体キャリアキシレンでコロイド懸濁液を形成するスルホン酸マグネシウム（コロイドレベルにおいて懸濁し、スルホン酸及びカルボン酸と部分的に反応した酸化マグネシウム及び炭酸塩）の形態に使用する第２の金属化合物である。スルホン酸マグネシウム粒子が炎に入る時に、有機分子は、分子サイズ粒子の５０％を超えて燃焼室中の酸化マグネシウムから離れて燃焼し、広くいきわたったマグネシウム分子はＭｇＯである。燃焼室中の複合酸化鉄及びマグネシウム粒子の明確に５０％を超えるものは、分子サイズであり、広くいきわたった分子はＦｅ₂Ｏ₃である。一実施形態において、キシレンはキャリア液体として使用されるが、上述のキャリア液体のいずれも十分である。

別の実施形態において、ラウリル酸マグネシウム、アラキジン酸マグネシウム、パルミチン酸マグネシウム、オレイン酸マグネシウム及びステアリン酸マグネシウム、並びにマグネシウムの他の化合物は、全てキシレン中に高度に溶解性であることは公知である。従って、これらの化合物を使用して、マグネシウムの分子サイズの化合物を直接本発明の燃料添加物のキャリア液体キシレンの中に導入することができる。その場合に、マグネシウム化合物は、分子サイズ粒子のキャリア液体に見出すことができる。

重量でマグネシウム対鉄含有量の比率は、重量で鉄の５部対マグネシウムの１部であるが、鉄の３〜８の濃度も許容される。従来技術の製剤に対するこの添加物の試験は、類似の触媒性能に対して、鉄及びマグネシウムの重量で合計１．７６ＰＰＭが、約．００７ミクロン未満の平均粒子サイズと共に鉄及びマグネシウムの重量で６０ＰＰＭ又はそれよりも高い粒子含有量を有した従来技術と同じ定量性能を提供した。本発明の燃料添加物の重量で鉄及びマグネシウムの濃度の範囲は、約０．１ＰＰＭまで低く及び１５ＰＰＭまで高くし、依然として触媒作用をもたらすことができる。

本発明の更に別の実施形態において、分子サイズ粒子の高いパーセントを有する酸化銅は、キシレン中に溶解可能な銅化合物を燃料添加物に追加することによって化石燃料の燃焼室に追加される。そのような化合物は、当業者によって公知であり、以下に限定されるものではないが、銅のオーバーベースのナフテン酸塩及び銅ＩＩベンゾイルアセトナートを含む。銅化合物は明確に溶解し、従って、燃焼炎中の粒子の５０％を超えるものは、分子サイズ粒子を有する。銅化合物は、それが燃焼ゾーンの内側に酸化銅粒子を残した燃焼炎の内側で燃焼する時に酸化することになる。利用すべき銅の量は、燃料添加物による燃焼工程を使用する化石燃料の多くの態様に依存する。鉄対マグネシウムの比率は、１部マグネシウム対僅か３部及び８部もの鉄の比率の間でほぼ安定であるが、銅は、有意に変化して、鉄含有量未満の約０．１の最小値から３部未満の最大値まで特別の燃料及び燃焼工程用途を満たすことができる。本発明の一実施形態において、キャリア液体中にコロイド懸濁液を形成する銅化合物も使用することができる。そのような銅化合物は、酸化銅粒子になる燃焼ゾーンの内側で燃焼することになる。銅を例示的に使用したが、２００〜２５００ｎｍの波長バンドにわたる鉄、マグネシウムのいずれか又は両方とスペクトル的に相補的であるあらゆる金属、金属酸化物、又は金属化合物は、同様に使用することができる。

鉄、マグネシウム、及び銅は、本明細書では本発明において使用する金属、金属酸化物、又は金属化合物の例として使用されており、その燃焼室での粒子サイズは分子サイズであるが、他の金属、金属酸化物、又は金属化合物も、アルミニウム、アンチモン、モリブデン、スズ、ホウ素、ビスマス、カルシウム、セリウム、リチウム、ナトリウム、カリウム、バリウム、マンガン、シリコン、銅、カドミウム、コバルト、ニッケル、クロム、チタン、ロジウム、パラジウム、プラチナ、ルテニウム、オスミウム、銀、チタン、ストロンチウム、イットリウム、ジルコニウム、インジウム、タングステン、バリウム、リン、スカンジウム、タンタル、ランタン、イッテルビウム、ルテチウム、ルビジウム、バナジウム、及び亜鉛のいずれかから選んで使用することができる。

下の実施例１は、燃料添加物を含有していない燃料と比較して得られるピーク温度もシフトしながら、ディーゼルシミュレーション試験において時間の関数として得られる最高温度の低減量を定量化している。

方法ＩＰ５４１／０６として公知の標準試験手順を使用して、鉄の５部対マグネシウムの１部の鉄化合物対オーバーベースのマグネシウム化合物の比率を使用して燃料添加物の燃焼特性を比較した。本試験において、粒子サイズ及びすなわち鉄及びマグネシウムの量は、本発明のものよりも幾分高いが、当業者は、ＮＯｘ汚染の低下に対する影響は、粒子サイズによって有意に変化してはいないことを認めるであろう。

試験は、圧縮点火レシプロディーゼルエンジンの圧縮行程を模倣した加熱圧力円筒体への燃料の小さいサンプルの注入から構成される。主な相違は、容積が一定のままであるのに対して、レシプロエンジンにおいては容積が増加するということである。全ての時間は、燃料の注入からのミリ秒である。燃料は、ミリグラムで注入され、酸素の大幅な超過があり、反応速度論を擬似ゼロ次まで低下させると仮定することができる。以下の測定値が得られる：
・点火遅れ：圧力が０．２ミリバール圧力だけ増加する時の時間。
・主燃焼遅れ：３．０ミリバールの圧力を測定する時の時間。
・主燃焼の終了：圧力が最終圧力の８５％に達する時の時間。
・燃焼の終了：最終圧力の９５％に達する時の時間。

パナマからの高硫黄残留油のサンプルは、約２．５％硫黄及びかなり高芳香族含有量を示す１１．９％残留炭素に使用された。引火点は、高分子量を示す９４°であった。密度は０．９８６ｇｍ／ｃｃであった。

（表１）

図１は、上述の燃料触媒１なしの燃料の２５試験実行と燃料触媒２を使用する２５試験実行の平均を示している。垂直軸線は、燃焼容器の内側の圧力を表し、水平軸線は、燃料の注入後のミリ秒の時間を表している。測定は、時間と共に圧力の変化の関数として行われたが、理想気体の法則から、本発明者は、絶対度の温度は圧力に比例し、すなわち、圧力対絶対温度の正の相関をなすと仮定することができる。

本試験の炎が到達した変化の最高速度及びまた最高温度を示そうと努力し、図２は、図１の曲線の近接図を示し、ここで温度を上げる速度は、触媒１を含有しない燃料よりも触媒２を含有する燃料によってかなり遅い。ＮＯを生成すると、化学反応は高度に発熱性である。すなわち、温度上昇のかなり遅い速度は、燃料触媒を含有する燃料によって発生するかなり低いＮＯ及びすなわちＮＯｘがあることを示している。触媒を有する燃料のより低温は、ＮＯｘの生成が低いことを示している。燃料の噴出後同時に示す炎温度は、ＮＯｘ排出を低下させる触媒なしと比較して触媒を追加するとかなり低減した。

超低硫黄燃料で作動する３台のディーゼルトラック（オイルタンカー）には、１ガロン当たりマイルの燃料効率、ＮＯｘ排出（ｐｐｍ）、及び一酸化炭素排出（ｐｐｍ）を決定するためにベースライン試験が行われた。ＮＯｘ排出及びＣＯ排出は、本発明の燃料添加物を使用する前にＴｅｓｔｏ ｔ３５０ＸＬ解析器で測定された。燃料添加物使用前の第２の試験は、３台のトラックの各々に対する燃料効率について行われた。最低２０００マイルは走行し、燃料消費は、ベースライン燃料消費を確立するために着目された。これらのトラックには、全てＳＣＲデバイスが装着された。全ての車両は、超低硫黄含有量のディーゼル燃料で作動された。

使用する触媒は、２つの異なる金属灰含有量を有する本発明の鉄／オーバーベースのマグネシウム添加物であり、金属灰含有量は、第１は、約１．０ｐｐｍであり、第２は、約２．０ｐｐｍであった。１．０及び２．０ｐｐｍの金属灰含有量は、この試験のように選択されたが、触媒は、他の用途においては重量で約０．５ＰＰＭの更により低い灰含有量及び約１５ｐｐｍまで高い灰含有量に使用することができる。

初期試験は、超低硫黄ディーゼル燃料の６０ガロン毎に１触媒オンスの触媒濃度又は約０．８８ＰＰＭの重量で触媒濃度を使用して１ＰＰＭ未満の灰含有量を含み、粒子サイズは、溶媒キシレン中に溶解した鉄化合物の少なくとも５０％に対しては分子サイズであった。使用する鉄化合物は、フェロセンであり、マグネシウム化合物は、スルホン酸マグネシウムであった。作動４週後に、燃料効率の計算は、トラック平均７．４％燃料効率の改善を示している。燃料添加物の濃度は、燃料の３０ガロン毎に１オンス又は３ＰＰＭ未満の灰濃度を有する重量で１．７６ＰＰＭまで増加した。燃料効率は、ベースラインよりも高い１１．６％まで増大し、触媒濃度の増加と共に各車両に対して一貫してより高かった。試験実行の終わりにＴｅｓｔｏ ｔ３５０ＸＬ解析器によって試験すると、ＮＯｘレベルは平均５６．９％低下し、ＣＯレベルは平均８２．３％低下した。微粒子及び排煙の測定値は記録しなかったが、運転者のコメントは、これらの低減を示しており、これは、ＣＯ排出の低減と一致している。

（表２）

本発明の燃料添加物の一実施形態は、定格１００ＭＷの電力を野菜加工プラントに供給する低ＮＯｘ天然ガス燃料ボイラーにおいて試験されている。バーナーは、燃料誘導式排気ガス再循環バーナーを使用し、ＮＯｘを低減した。バーナーは、「カリフォルニア大気リソース局」が許容する７ｐｐｍレベルよりも小さいＮＯｘの低減に３６％排煙再循環を必要とする。その大部分の排煙は、燃焼を不安定にさせる約１６〜１７％まで酸素濃度を低減する。２４％まで排煙再循環を低下させることでバーナーを安定化させたが、ＮＯｘは１０〜１１ｐｐｍのレベルまで上昇した。本発明の燃料添加物は、それがボイラーに入ると天然ガスの中に注入され、ＮＯｘは、ＮＯｘレベルの５０〜５５％低下に対して１０〜１１ｐｐｍから５ｐｐｍに低減した。必要な添加物の量は、天然ガス燃料に追加された重量で１．０±０．５ｐｐｍ鉄であった。マグネシウム粒子は、鉄粒子に対して重量で１：５の比率内にあった。好ましい添加物は、均質混合が起こり、キャリア溶媒が蒸発によって直ちに除去されるようにして天然ガス燃料流の中にその添加物を注入することができるように、キャリア溶媒キシレン中に溶解するか又はコロイド状に懸濁するものである。燃料効率を測定しなかったが、天然ガスバーナーは、一般的に、ＮＯｘを下げると同時に約５％燃料効率改善をたどった。この天然ガス用途の試験を確実に４回繰返した。

天然ガスエンジン、キャタピラモデル３５１６ １，３４０ＨＰ火花点火ユニットには、排出センサを装着されていた。過剰の空気を制御して、排出要件を満たした。過剰の空気（又は希薄燃焼）制御は、ＮＯｘレベルを許容レベルまで低下させることができるが、エンジンは、高負荷条件下で停止することになる。本発明の触媒を使用することで、＞７５％だけＮＯｘ生成を低減する希薄燃焼条件下で必要な最大負荷でエンジンが作動することを可能にした。

エンジンは、一般的に作動条件下で約３００ｐｐｍＮＯｘ（２ｍｇｓ．／ｂｈｐ−ｈｒ）を発生させていた。触媒は、エンジンの中に導入された。最初に、酸素レベルを手動で増加させてＮＯｘを低減した。より希薄な燃焼条件まで酸素を増加させて、ＮＯｘは初日３００から１２０に低減した。約１週間後に、酸素燃料比率は、ＮＯｘセンサによって制御されて７０ｐｐｍ又はそれ未満のＮＯｘレベル（０．５ｇｍｓ．／ｂｈｐ−ｈｒ）を達成した。エンジンは、触媒の影響を明らかにするこれらの希薄燃焼条件下の高負荷条件下で実施された。酸素レベルは、触媒を使用することによって触媒使用前の８．１％から８．９％に増加した。

第２の試験は、排出での酸素センサ及び排出中の酸素レベルに基づく過剰空気制御を有する同じモデルのエンジンを用いて行われた。試験の開始時に、酸素レベルは、最大負荷で安定な電力のために７．５％で設定された。触媒投与システムは、吸気マニホルドに接続された。４つの測定値を取って、ベースライン条件を確立した。ＮＯｘは、０．９４〜１．００ｇｍ．／ｂｈｐ−ｈｒレベルをもたらす１７１〜１８１ｐｐｍの範囲にあった。触媒追加は、最後の読み取り後に開始された。翌朝の測定値は、同じ酸素設定で４８％の低減に対してＮＯｘレベルが下がり、ＮＯｘが７８〜９１ｐｐｍ範囲又は０．４３〜０．６７ｇｍ．／ｂｈｐ−ｈｒまで低減したことを示している。排出中の実際の酸素レベルは、前日の７．８０〜７．９５％から７．９１〜８．０９％範囲であるが、ＮＯｘの低下を説明するには全く不十分な僅かな増加を示している。次に、酸素レベルを８．２％設定まで増加させた。１時間後に取ったＮＯｘ測定値は、５５〜５７ｐｐｍ範囲又は０．３１ｇｍ／ｂｈｐ−ｈｒにあった。エンジンは、この過剰の空気又は酸素レベルの全出力負荷で正常に作動させた。ＮＯｘの有意な低減は、過剰の空気を増加させることなく観察された。

本発明の一実施形態において、市場で入手可能ないくつかの潤滑剤のいずれかを本発明の燃料添加物に追加することができる。４００ミクロンよりも大きくないＡＳＴＭ Ｄ６０７９ＨＦＲＲ平均摩耗痕直径を有するあらゆるそのような潤滑剤が十分であることになる。好ましくは、潤滑剤は、２７０ミクロン未満の平均摩耗痕直径を有することになる。

図３は、油ベース、石炭ベース、及びガスベースの様々な燃料の燃焼から一般的スペクトル放射を明らかにするものである。特定のスペクトルは、燃料添加物のための適正な金属、金属酸化物、又は金属化合物を選択することによって異なるが、最適な触媒作用は、当業者によって理解されるように使用する各燃料に対して得ることができる。水平軸線上に示す各波長は、各輝線に関連付けられた温度の尺度である対応するＷｉｅｎ温度を有する。

図４は、ブタン炎からの発光スペクトルの測定値から示されている。これは、ＮＯｘ排出を生成する工程中の様々な反応が本発明の化石燃料のいずれかによって生成される波長及びその後のＷｉｅｎ温度を示している。ＮＯｘは、光化学スモッグの主な一因のうちの１つである。Ｗｉｅｎの変位法則は、物体がその温度に基づいて排出される電磁石放射の最大波長を説明する。６つの反応がＮＯｘの形成の原因になることは公知である：Ｎ２ ＋ Ｏ→ＮＯ ＋ Ｎ； Ｎ２ ＋ ＣＨ→ＨＣＮ ＋ Ｎ； ＨＣＮ ＋ Ｏ→ＮＣＯ ＋ Ｈ； ＮＣＯ ＋ Ｈ→ＮＨ ＋ ＣＯ； ＮＨ ＋ ＯＨ→ＮＯ ＋ Ｈ；及びＮ ＋ ＯＨ→ＮＯ ＋ Ｈ。化石燃料の酸化が多くの中間段階及び様々なラジカル種を伴うようにＮＯｘ形成も同様である。反応段階から、ラジカル種ＯＨ４、ＮＨ５、ＣＮ６、及びＣＨ７が、ＮＯ３を生成する機構に密接に関わり、これらの存在が、ＮＯｘ形成の指標として機能するはずであることは明らかである。ＮＯ３分子を生成する時に、非常に高いエネルギの光子は、１３，４７４Ｋ〜９，９９０ＫのＷｉｅｎ温度を有する２１５〜２９０ｎｍの波長で放出される。同様に、ＮＨ５は、８，６４８Ｋ〜８，３９７ＫのＷｉｅｎ温度を有する波長３３５〜３４５ｎｍの光子と、９，４９８Ｋ〜８，７７８ＫのＷｉｅｎ温度を有する波長３０５〜３３０ｎｍのＯＨ４光子と、７，６２４Ｋ〜７，２４３ＫのＷｉｅｎ温度を有する波長３８０〜４００ｎｍ及び６，８９８Ｋ〜６，５８４ＫのＷｉｅｎ温度を有する４２０〜４４０ｎｍのＣＨ７光子と、８，５２０Ｋ〜８，０４７ＫのＷｉｅｎ温度を有する波長３４０〜３６０ｎｍ及び７，６２４Ｋ〜７，２４３ＫのＷｉｅｎ温度を有する３８０〜４００ｎｍのＣＮ６光子とを生成する。

大量のＮＯｘを有する高温燃料ガスとこれらの燃焼スペクトルにおける大量のＮＨ５／ＣＮ６光子排出との間に高い相関性があることは当業者によって公知である。これらの高温に寄与する燃焼の量は、典型的には、燃焼の総エネルギの１％未満であるが、ＮＯｘ生成に対する影響は有意である。ＮＯ２排出はまた、大量のＳＮ光子排出の影響を受けることも良く理解されている。ＮＯｘの生成は、炎の内側の特に高い局所的温度及びこれらの温度が存在する時間に依存する。本発明の燃料添加物触媒の一実施形態において、燃焼包絡線の内側のＦｅ₂Ｏ₃の形態の鉄をＭｇＯと共に使用してＮＯｘ排出を低減する。

原子価による様々な金属に対するスペクトルデータは、ＮＩＳＴ原子スペクトルデータベースラインズフォームから取っている。排出強度は、異なる金属のスペクトルの間で有意に異なるので、ＮＩＳＴデータベースによって与えられる相対スペクトル強度は、同じ金属のスペクトル線の強度を比較する時にのみ意義がある。その理由のために、スペクトル線は、あらゆる特定の金属に対する総排出強度及び１８０〜２５００ｎｍの総波長にわたって合計したその適切な原子価が１．０に等しいように正規化される。

図５は、１８０ｎｍ〜６１０ｎｍの波長からの鉄のスペクトル放射線を表している。本発明の添加物の作動は理論によって制限されるものではないが、Ｆｅ₂Ｏ₃分子は、燃焼工程の炎包絡線を通して均等に広がっていると考えられている。一般的に特に局所的高温を発生させるＮＯ関連工程の高エネルギ光子からの非常に強い熱は、運び去られて局所ホットスポットの温度の強度とこれらの点が熱いままの時間の長さとの両方を低減する炎の他の位置に広がっていると考えられ、比較的時間と共に非常に高い温度を必要とするＮＯの生成の量に有意に影響を与える。蛍光を通る現在の燃料添加物の分子は、光の速度でそのような熱を移送するのに対して、一般的に熱は、音とほぼ同じ速度でかなりゆっくり移送されると考えられる。これらの分子は、ＮＯ、ＣＮ、ＮＨ、ＣＨ、又はＯＨ反応のいずれかによって生成された高エネルギ光子、及び次により低いエネルギにおける再放射光子を吸収する。これらのＦｅ₂Ｏ₃分子は、炎全体にわたって位置しており、従って、これらは、触媒添加物がない炎と比較して非常に高速で炎包絡線の内側の非常に高い温度のピーク温度を低下させるのを補助し、その後、生成物ＮＨ、ＣＮ、ＣＨ、及び／又はＯＨラジカルを低減し、その後、排出中のＮＯｘを下げる。光子は光の速度で進むのに対して、熱エネルギは、一般的に音とほぼ同じ速度で炎包絡線の内側に広がる。スペクトル線は、励起から排出まで僅か１秒の１０億分の１で測定されている分子蛍光寿命全体によって吸収するエネルギよりも低いエネルギレベルのものである鉄原子によって再放射されたエネルギを表すものである。本発明の添加物の各分子は、光退色される前に何百から何千回光子を吸収して再排出することができる。

理想的には、触媒金属鉄は、約２００〜６００ｎｍのあらゆる波長の光子を吸収する連続スペクトルを有し、最大のＮＯｘ低減を行う。しかし、触媒の潜在的効率を低下させてＮＯｘを低減する３６５〜３９０ｎｍ、４４５〜５１０ｎｍ、及び５４０〜５７０ｎｍの波長における鉄の発光スペクトルに大きいギャップが存在する。定義の目的のために、金属、金属酸化物、又は金属化合物は、以後「金属」と呼ぶ。スペクトル的補完は、２００〜６００ｎｍ、８００〜２５００ｎｍ、又は２００〜２５００ｎｍの３つの連続波長バンドに対して定義される。金属は、３つの波長バンドにおけるうちの少なくとも１つにわたるベース金属にスペクトル的に相補的であり、ベース金属が少なくとも１つの連続ギャップを有する場合に、ベース金属の総正規化スペクトル放射を有する波長の少なくとも２５ｎｍ幅は、ギャップ全体を通して０．００２５未満であり、スペクトル的に相補的金属は、同じギャップにわたって．０２又はそれよりも大きい総正規化スペクトル放射を生成する。鉄にスペクトル的に相補的である１つの金属の例は、２００〜６００ｎｍの波長バンドにわたる銅である。２００〜６００ｎｍの間でスペクトル的に活性な金属は、以下に限定されるものではないが、鉄、イットリウム、プラチナ、パラジウム、ルテニウム、オスミウム、銅、セシウム、イッテルビウム、モリブデン、タンタル、マンガン、レニウム、アルミニウム、ホウ素、リチウム、タングステン、カルシウム、カリウム、及びナトリウムを含む。

図６は、１８０〜６００ｎｍの銅のスペクトル線を示している。銅は、０．１１０の強度を有する０．０２８及び４４５〜５１０ｎｍの正規化強度の３６５〜３９０ｎｍの有意なスペクトル放射を追加することを指摘することができる。本発明の１つの好ましい実施形態において、銅を任意的に触媒に加えて、更にＮＯｘ排出を低減する触媒の機能を改善し、又は２００〜６００ｎｍのスペクトル範囲の鉄スペクトルに相補的な追加の金属相を含まない触媒にわたって燃焼を改善することができる。

スペクトル的に相補的金属の別の例において、銅を使用して、本発明のマグネシウムのスペクトル作用を助け、使用されている化石燃料のより完全な燃焼を提供するのにマグネシウムを助けるスペクトル線を提供する。鉄には、約６００ｎｍの波長よりも短い強力なスペクトル輝線はない。マグネシウムは、約１６００ｎｍ〜１９００ｎｍのより低いエネルギ領域に強力なスペクトル線を追加する。図７は、８００〜２５００ｎｍのマグネシウムのスペクトル線を表している。この領域におけるスペクトル線は、炎包絡線にわたる温度のより均等な広がりを提供し、ＣＯ及び微粒子排出を低減して燃料効率を改善するより完全な燃焼を含む上で役に立つと考えられる。約１８００〜１０５０ｎｍ光子波長のマグネシウムに対して、スペクトル線にかなりのギャップがある。

図８は、金属銅が約８２５〜１０５０ｎｍ波長の強力なスペクトル線を提供する方法を示している。これらの波長にわたって、銅は、０の同じギャップにわたるマグネシウムの正規化排出強度と比較して０．１０７の総正規化排出強度を有する。これは、銅が、これらの波長にわたってマグネシウムにスペクトル的に相補的であることを示している。マグネシウムを含有する触媒への銅の導入は、より完全な燃焼を促進する。スペクトルのこの部分における相対波長バンドは、スペクトル的に相補的という定義が適用される８００ｎｍ〜２５００ｎｍに及んでいる。８００ｎｍ〜２５００ｎｍのスペクトル的に活性な金属は、以下に限定されるものではないが、マグネシウム、イットリウム、ストロンチウム、銅、セシウム、カルシウム、リン、ルビジウム、シリコン、スカンジウム、及びカリウムを含む。

本発明の一実施形態において、鉄は、重量で１のマグネシウムの濃度に対して約３〜８の濃度比率を有する最高濃度で金属、金属酸化物、又は金属化合物として選択される。鉄は、具体的には、２００〜６００ｎｍの波長にわたってマグネシウムにスペクトル的に相補的である。同様に、マグネシウムは、８００〜２５００ｎｍの波長にわたって鉄にスペクトル的に相補的である。一実施形態において、フェロセンの形態の鉄は、好ましくは、キシレン中に溶解し、スルホン酸マグネシウム化合物は、キシレン中にコロイド状に懸濁される。２００〜６００ｎｍ及び／又は８００〜２５００ｎｍのスペクトル的に相補的な金属、金属酸化物、又は金属化合物を利用することにより、燃焼している化石燃料からのＮＯｘ排出の低減、燃料効率の改善、及び一酸化炭素、微粒子、及び／又は他の不燃炭素化合物のような排気ガス汚染物質の低減を実現することができる。第３の金属、金属酸化物、又は金属化合物は、鉄のものよりも低い重量による濃度を有する銅について選択される。銅は、重量で２００と６００ｎｍの間の波長にわたって鉄に相補的であり、更に、波長８００〜２５００ｎｍにわたってマグネシウムに相補的である。最高濃度を有する金属、金属酸化物、又は金属化合物は、この例の鉄である。銅は、鉄にスペクトル的に相補的金属として選択されたが、以下に限定されるものではないが、同じく使用することができるイットリウム、プラチナ、パラジウム、ルテニウム、オスミウム、タンタル、オスミウム、セシウム、セリウム、イッテルビウム、モリブデン、マグネシウム、レニウム、アルミニウム、ホウ素、リチウム、タングステン、カルシウム、カリウム、及びルテニウムを含む多くの可能な他の金属がある。同様に、銅は、波長８００〜２５００ｎｍにわたってマグネシウムにスペクトル的に相補的であるが、以下に限定されるものではないが、取りわけ、ストロンチウム、セシウム、カルシウム、リン、ルビジウム、シリコン、スカンジウム、カリウム、及びイットリウムを含むいくつかの他の金属、金属酸化物、又は金属化合物のいずれも、マグネシウムにスペクトル的に相補的な金属である。

本発明の実施形態の他の実施例は、異なる金属組合せで構成され、本発明の触媒燃料添加物を作ることができる。燃料添加物に使用するあらゆる金属、金属酸化物、及び金属化合物の重量での最高濃度は、アルミニウム、アンチモン、マグネシウム、鉄、モリブデン、スズ、ホウ素、ビスマス、カルシウム、リチウム、ナトリウム、カリウム、バリウム、マンガン、シリコン、銅、カドミウム、コバルト、ニッケル、クロム、チタン、セリウム、ロジウム、パラジウム、プラチナ、ルテニウム、銀、オスミウム、チタン、ストロンチウム、イットリウム、ジルコニウム、インジウム、タングステン、バリウム、リン、スカンジウム、タンタル、ランタン、イッテルビウム、ルテチウム、ルビジウム、及びバナジウムのうちの１つから選択される。２つの他の金属、金属酸化物、又は金属化合物は、必ずしも上記から選択されるとは限らず、２００ｎｍ〜２５００ｎｍ波長のスペクトル範囲全体を通して最高濃度の金属にスペクトル的に相補的な上記で名前を挙げた金属を選択することができる。

燃料油燃焼工程、天然ガス燃焼工程、静止天然ガスタービン、天然ガス点火式レシプロエンジン、ガソリン及びディーゼル内燃機関、大型静止ディーゼルエンジン、及び大型静止二元燃料エンジンのうちの１つにおいて化石燃料と組み合わせる時に、そのような添加物を使用してＮＯｘを低減し、及び／又は一酸化炭素排出、微粒子排出、又は燃料効率のうちの少なくとも１つを改善することができる。蒸留燃料油燃焼工程は、住宅用途、商業エネルギ消費、産業用途、農場用途、発電、鉄道用途、船舶燃料補給、軍事用途、及びオフハイウェイ用途を含む。

上述の溶媒のいずれかの中に溶解した鉄の第１の金属、金属酸化物、又は金属化合物と、その例を本発明の同じ溶媒中にコロイド懸濁液を形成するマグネシウムであるとすることができる少なくとも１つの他の金属、金属酸化物、又は金属化合物とを含有する燃料添加物は、以下に限定されるものではないが、ボイラーを含む燃料油燃焼工程、ボイラー、静止天然ガスタービン、天然ガス点火式レシプロエンジンを含む天然ガス燃焼工程、内燃機関、大型静止ディーゼルエンジン、及び大型静止二元燃料エンジンにおけるガソリン及びディーゼル用途を含む多くの異なる用途に使用するのに適している。

主要燃料として天然ガスを使用する燃焼タービンは、圧縮器、燃焼器及び出力タービンの３つの主要構成要素から構成される。圧縮器区画において、周囲空気が引きこまれ、典型的には約３０倍の周囲圧力まで圧縮され、当業者によって理解されるように燃料が導入され、点火され、かつ燃える燃焼器区画に向けられる。燃焼工程は、拡散炎又は希薄予混合多段燃焼として分類することができる。拡散炎燃焼において、燃料／空気混合及び燃焼は、１次燃焼ゾーンにおいて同時に起こる。これは、温度が非常に高いほぼ化学量論的燃料／空気混合物を生成する。希薄予混合燃焼器に対して、燃料及び空気は、燃焼反応が起こる２次状態に送出される均一、希薄、不燃燃料／空気混合物をもたらす初期段階で完全に混合される。多段燃焼を使用する燃焼タービンはまた、「乾式低ＮＯｘ」燃焼器と呼ばれる。現在製造される大部分のタービンは、希薄予混合多段燃焼タービンである。ＮＯｘのレベルは、そのようなシステムによって確実に改善されているが、天然ガスの燃焼前又は燃焼中の本発明の添加物の導入は、約４０％又はそれよりも高い低減に対してそのような低ＮＯｘ燃焼タービンからさえも発生するＮＯｘの量を更に低減することができる。

本発明の燃料添加物触媒は、天然ガスの燃焼工程に使用する時２つの現象を呈する。第１は、天然ガスに対して可燃性の下限よりも小さい過剰の酸素レベルで全出力を生成するエンジンの機能である。第２は、迅速ＮＯｘ形成をもたらす燃焼工程の初期位相におけるフリーラジカル形成の低下又は排除である。従って、本発明の燃料添加物触媒は、天然ガスの燃焼工程においてＮＯｘ形成を低減する経路を提供する。

本発明の燃料添加物は、蒸気発生器、プロセス加熱器、燃焼タービン、天然ガス給電車両、圧縮点火レシプロエンジン、火花点火レシプロエンジン、天然ガス圧縮器、燃焼タービン、電気の発生に使用する複合発電プラント、マイクロタービン発電機、及びその１次燃料が天然ガスであるバーナーを含む、いくつかの天然ガス用途に対してＮＯｘ及び／又はＣＯを低減するのに有用である。燃料添加物は、燃焼室において本発明の分子サイズ粒子を生成し、燃料効率を改善しながらＮＯｘ及びＣＯを低減する。

圧縮点火されるか又は火花点火されるかのいずれかの天然ガス点火式レシプロエンジンは、パイプライン圧縮器及び貯蔵ステーションにおいて及びガス処理プラントにおいて天然ガス業界において大部分は使用される。これらのエンジンを使用して、圧縮器及びポンプに対して機械的軸動力を提供する。油田のある区域の用途において、エンジンを使用して、油田のある区域から天然ガスを集める。パイプライン圧縮器ステーションにおいて、エンジンを使用して、天然ガスをステーション毎に移動するのを補助する。貯蔵施設において、これらは、天然ガスを注入及び抽出し、高圧天然ガス貯蔵区域の中に天然ガスを注入するのを補助するように使用される。燃焼前又は燃焼中に天然ガスに追加する本発明の触媒は、燃料効率を改善しながらＮＯｘ及び／又は一酸化炭素の有意な低減をもたらす従来のエンジンの非常に簡単な改造を可能にする。

図９は、本発明の燃料添加物触媒を利用する本発明の天然ガスバーナーの概略図である。天然ガス流への添加物の注入はまた、燃料とし天然ガスを利用する他の種類の燃焼工程に適切である。天然ガス入口１２は、それを通して天然ガスがガスバーナーに流れるパイプである。天然ガス入口１２において、あらゆる特定の時点で流れるガスの量を正確に測定する流量センサ１３がある。ガス流量情報は、燃料添加物触媒の量の計算の入力を使用してガス流量の中に導入し、燃料に追加される重量で±５％ｐｐｍまで鉄レベルを維持する、コントローラ１７に自動的に送られる。５％は、このパーセントを５％よりも高く又は低くのいずれかにすることができる環境に応じて妥当な分散としてほぼ受け入れられる。コントローラ６は、次に、信号を燃料添加物触媒ポンプ１６に送り、定められたガス流量に必要な添加物リザーバ３から正確な量の添加物を分配する。付加線１５は、ガスパイプの中心に位置する噴霧ノズルに接続される。ノズルは、流入ガスとの一貫した混合を均等に考慮する微細な添加物触媒を注入する。任意的なオペレータインタフェース１８は、必要に応じてオペレータがトラブルシューティング又はシステム調節のためにシステムオペレーションを容易に見ることを可能にする。添加物は、次に、天然ガスを空気と混合する前に入口パイプ中の天然ガスと混合する。空気は、入口通気孔１１を通して導入され、天然ガス空気混合物９を形成し、また任意的に過剰な空気８を完全燃焼のために提供する。過剰な空気及びガス燃料混合物は、ガスを燃焼する燃焼ゾーン１０に入る。これに代えて、添加物はまた、直接燃焼室の中に注入することができる。図９は、天然ガス及び空気を本発明の燃焼触媒と混合する１つの方法の一般的な概念説明として意図される。当業者によって良く理解されているいくつかの類似の手法がある。

１次燃料として天然ガスを使用する燃焼タービンは、圧縮器、燃焼器、及び出力タービンの３つの主要構成要素から構成される。圧縮器区画において、周囲空気は、当業者によって良く理解されるように、吸い込まれて典型的に約３０倍の周囲圧力まで圧縮され、かつ燃料を導入し、点火して燃やす燃焼器区画に向けられる。燃焼工程は、拡散炎又は希薄予混合多段燃焼として分類することができる。拡散炎燃焼において、燃料／空気混合及び燃焼は、１次燃焼ゾーンにおいて同時に起こる。これは、温度が非常に高いほぼ化学量論的燃料／空気混合物を発生させる。希薄予混合燃焼器の燃料及び空気は、燃焼反応が起こる２次状態に送出される均一、希薄、不燃燃料／空気混合物をもたらす初期段階で完全に混合される。多段燃焼を使用する燃焼タービンも、「乾式低ＮＯ_x」燃焼器と呼ばれる。

金属触媒の分子を燃焼段階の中に導入する本発明の添加物は、燃焼工程を終了する１次燃焼ゾーン及び少なくとも１つの２次ゾーンの天然ガスの中に導入することができる。そのような燃焼タービンは、ＮＯｘを低減するように設計されているが、本発明の添加物の添加は、タービン排出中のＮＯｘレベルを更に低下させることになる。同様に、ＮＯｘの追加の低減は、多段燃焼と組み合わせて排煙再循環を利用する低ＮＯｘバーナーで本発明の添加物を使用して得ることができる。

１次燃焼ゾーンにおいて、取りわけ、石炭、蒸留油、低又は超低硫黄ディーゼル燃料、ガス化バイオマス、石炭水スラリ、及びオリマルジョンを含むベース燃料は、低過剰空気で作動する従来の又は低ＮＯｘバーナーによって燃やされる。このゾーンにおいては、ベース燃料の完全燃焼を得ること及び従って燃料窒素からのＮＯｘ、並びに迅速及び熱ＮＯｘを生成することは重要である。第２の燃料噴射は、燃料豊富反応ゾーン（再燃焼した又は再燃焼するゾーン）を生成するベース燃料の燃焼後に炉の領域において行われる。本明細書では、反応性ラジカル種は、再燃焼燃料から生成され、これらは、１次ゾーンで生成されたＮＯｘと化学的に反応してＮＯｘを分子窒素に還元する。この再燃焼ゾーンにおける燃料の部分燃焼は、高レベルの一酸化炭素及び燃え尽きゾーンを生成する過度燃焼空気の最終添加をもたらし、燃焼工程全体を終了する。

使用することが最も簡単な再燃焼燃料は、天然ガスである。典型的には、天然ガスは、注入及び制御することが簡単であり、天然ガスは全く燃料窒素を含有しないという事実の結果として最も大きいＮＯｘ低減を与える。天然ガス再燃焼は、ＮＯｘ排出において７０％低減までを与えることができ、再燃焼燃料としてガスを使用することで追加の環境利益がある。ＳＯ₂、微粒子、及び二酸化炭素の排出も低減する。本発明の燃料添加物触媒が、再燃焼燃料として導入される前に天然ガスに追加される時に、ＮＯｘの量を更に低減することができる。本発明の添加物は、１次燃料又は十分な量の天然ガスのいずれかに加えて、燃料効率を改善し、及び／又はＮＯｘ及びＣＯ排出を下げることができる。

本発明の粒子サイズは、分子サイズよりもかなり大きく、依然として有効であるとすることができるが、分子サイズ粒子は、添加物を含有する天然ガス燃料の内側の灰レベルを低下させることが好ましい。

図１０Ａ〜図１０Ｄは、ディーゼルエンジンで排気ガス再循環（ＥＧＲ）を使用した結果を示している。実験研究は、３気筒空冷一定速度直噴ディーゼルエンジンにおける排出に対するＥＧＲの効果を調査するために実施され、このディーゼルエンジンは、典型的に農園機械に使用されるものである。４つのグラフは、ＦＧＲのパーセントが、０パーセントから２０〜２５％だけ排煙再循環１９を変化させ、エンジン負荷が、４０〜１００パーセント負荷に変わる時の図１０ＣのＮＯｘ、図１０Ｂの一酸化炭素、図１０Ｄの不透明度、及び図１０Ａの炭化水素排出の各々の変化を示している。データは、Ｊ．Ｈｕｓｓａｉｎ，Ｋ．Ｐａｌａｎｉｒａｄｊａ，及びＮ．Ａｌｇｕｍｕｒｔｈｉ、Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｐｏｎｄｉｃｈｅｒｒｙ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｐｕｄｕｃｈｅｒｒｙ，Ｉｎｄｉａ、Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ａｎｄ Ｓｔｕｄｉｅｓ，Ｖｏｌ．ＩＩＩ／Ｉｓｓｕｅ ＩＩ／Ａｐｒｉｌ−Ｊｕｎｅ，２０１２に公開されている。

不燃炭化水素（ＨＣ）及び一酸化炭素（ＣＯ）に対するＥＧＲの効果は、図１０Ａ及び図１０Ｂにそれぞれ示されている。これらのグラフは、ＨＣ及びＣＯ排出が排気ガス再循環（ＥＧＲ）の増加と共に増加することを示している。より低い過剰酸素濃度は、燃焼室の内側の異なる位置に燃料豊富空気−燃料混合物をもたらす。この不均質混合物は、完全に燃焼することなく、より高い炭化水素及び一酸化炭素排出をもたらす。部分的負荷では、希薄混合物は、混合物の不均質性のために点火することがより困難であり、より多量のＨＣ及びＣＯを生成し、燃料効率の同時損失と共に不完全燃焼を示している。図１０Ｃは、ディーゼルエンジンからのＮＯｘ排出を低減する際のＥＧＲの主要な利益を示している。より高い負荷におけるＮＯｘの程度はより高い。ディーゼルエンジンにおいてＥＧＲを使用するＮＯｘ排出の低減の理由は、燃焼混合物中の低減した酸素濃度及び低下した火炎温度である。部分負荷では、Ｏ２は、十分な量であるが高負荷で利用可能であり、０２は劇的に低減し、従って、ＮＯｘは、部分負荷と比較してより高い負荷で更に低減する。本発明の一実施形態において、燃料添加物は、現在ＥＧＲを利用しているあらゆる燃焼工程に追加される。そうすることにより、排気ガス再循環の量を下げ、その後一酸化炭素及び微粒子のような他の汚染物質の大幅な増加、並びに燃料効率の低下なしに同じＮＯｘ低減をもたらすことができる。従って、ＮＯｘを下げるように設計された排気ガス再循環と共に使用される本発明の燃料添加物は、より完全な燃焼を提供し、排気ガス再循環単独と比較して燃料効率の改善を可能にすることができる。

当業技術によって公知のように、燃焼工程の排気中のＮＯｘの選択的触媒還元（ＳＣＲ）は、ＮＯｘが既に燃焼工程によって生成された後で排気からＮＯｘを低減する好ましい手段のうちの１つである。アンモニアは、触媒床の存在下で排気ガスと混合する時にＮＯｘと反応するのに使用される。しかし、ＳＣＲには、アンモニアが排気と混合したエンジンを出る時に、排気温度が約４５０°Ｆよりも低いか又は約８５０°Ｆを超えるとアンモニアスリップとして公知の現象を引き起こす温度制限があることは公知であり、これは、「アンモニアスリップ」として公知の現象である。本発明の触媒は、排気流中のＮＯｘのレベルが、ＳＣＲシステムの中に導入される前にかなり低くなり、アンモニア使用、アンモニアスリップを有意に低減し、添加物なしのＳＣＲを使用して可能なものよりも低いレベルまでＮＯｘレベルを低下させることになるように、燃焼中にＮＯｘの追加の低減を与える。燃料添加物は、あらゆる排気温度でＮＯｘを低減するように作用する。そのＮＯｘ低減レベルが許容レベルを満たさないＳＣＲ ＮＯｘ低減を利用する天然ガスタービンに対して、本発明の燃料添加物を天然ガスにそれがガスタービンに入る前に導入することは、ガスタービンを再構築する必要なくＮＯｘレベルを低下させる低コスト及び簡単な方法を可能にする。

ｉｎｊ． 噴射
ｂａｒ バール
ｍｓｅｃ ミリ秒

Claims (12)

1. 化石燃料の燃焼を改善するための燃料添加物であって、
   鉄である第１の金属、金属酸化物、又は金属化合物と、
   前記第１の金属、金属酸化物、又は金属化合物が溶解されている溶媒と、
   前記溶媒中にコロイド懸濁液を形成する、オーバーベースのマグネシウムである第２の金属、金属酸化物、又は金属化合物と、
   を含み、
   前記燃料添加物中の鉄及びマグネシウムの濃度は、重量で０．１ＰＰＭから１５ＰＰＭまでであり、
   前記燃料添加物は、２００ｎｍから２５００ｎｍの波長バンドにわたって鉄又はマグネシウムのいずれか又は両方とスペクトル的に相補的である第３の金属、金属酸化物、又は金属化合物を含み、前記第３の金属、金属酸化物、又は金属化合物は、アルミニウム、マグネシウム、鉄、スズ、セリウム、マンガン、銅、コバルト、ニッケル、パラジウム、及びプラチナから成るグループから選択され、
   前記化石燃料の燃焼室の中に導入される燃料添加物粒子が、分子粒子サイズのものである、
   ことを特徴とする燃料添加物。
2. 前記燃料添加物粒子の少なくとも５０％が、分子サイズのものであることを特徴とする請求項１に記載の燃料添加物。
3. 前記溶媒は、トルエン、ヘキサノール、オクタノール、キシレン、ケロシン、燃料油、ナフサ、及び石油スピリット、又はそれらの均等物のうちの１つから選択されることを特徴とする請求項１に記載の燃料添加物。
4. 前記第１の金属、金属酸化物、又は金属化合物は、ジクロロペンタジエニルＦｅ⁰、シクロペンタジエニルトリカルボニルＦｅ⁰、及びカルボン酸の鉄塩を含むことを特徴とする請求項１に記載の燃料添加物。
5. 前記第３の金属、金属酸化物、又は金属化合物の重量による濃度が、鉄の重量による濃度よりも低い、
   ことを特徴とする請求項１に記載の燃料添加物。
6. 前記第３の金属、金属酸化物、又は金属化合物は、前記溶媒中に溶解されるか又は該溶媒中にコロイド懸濁液を形成する銅であることを特徴とする請求項５に記載の燃料添加物。
7. 前記第１の金属、金属酸化物、又は金属化合物は、約１０８度Ｆと２００度Ｆの間の引火点を有してナフサ溶媒中に溶解されることを特徴とする請求項１に記載の燃料添加物。
8. 前記第２の金属、金属酸化物、又は金属化合物は、スルホン酸マグネシウム又はカルボン酸塩であることを特徴とする請求項１に記載の燃料添加物。
9. マグネシウムが、重量で約３−８部の鉄対約１部のマグネシウム化合物の比率で鉄の濃度に追加されることを特徴とする請求項１に記載の燃料添加物。
10. 前記化石燃料は、蒸留燃料油、ガソリン、天然ガス、及び石炭を含むことを特徴とする請求項１に記載の燃料添加物。
11. 前記化石燃料は、燃焼工程のうちの１つに使用されることを特徴とする請求項１に記載の燃料添加物。
12. 燃焼タービン、レシプロエンジン、ボイラー及びプロセス加熱器で使用するための前記請求項１〜１１のいずれか１つに記載の燃焼燃料組成物。

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