KR102604321B1 - 개선된 디젤 연료의 생산 방법 - Google Patents

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세르지오 안토니오 트레비노 퀸타닐라
길레르모 게라르도 로다르트 헤레라
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    • C10L2290/34—Applying ultrasonic energy

Abstract

향상된 점화 특성을 갖는, 더욱 구체적으로 더 큰 전기 전도성, 향상된 세탄가(cetane number) 및 윤활성을 가지며, 완전 연소의 비율을 더 크게 하여, 내연 디젤 엔진에서 그을음 생성을 줄이는 동시에 NOx를 감소시켜, 내연 디젤 엔진으로부터 이들 2개의 오염 물질의 배출의 상반관계를 깨뜨리는, 개선된 디젤 연료의 연속 생산 방법.

Description

개선된 디젤 연료의 생산 방법
A. 발명의 분야
본 발명은 내연 기관(internal combustion engine)용 탄화수소 연료를 업그레이드하는 시스템 및 방법에 관한 것이고, 더욱 구체적으로 향상된 점화 특성을 갖는, 더욱 구체적으로 더 큰 전기 전도성 및/또는 윤활성을 가지고, 완전 연소의 비율을 더 크게 하여, 전력 손실이 거의 없이 내연 디젤 엔진에서 연소될 때, 그을음(soot) 생성을 줄이는 동시에 NOx를 감소시키는, 개선된 디젤 연료의 연속 생산 방법에 관한 것이다.
B. 관련 기술의 설명
디젤 연료는 세계에서 가장 많이 사용되는 액체 탄화수소 연료 중 하나이다. 내연식; 중량용 또는 경량용에, 또는 비도로용 엔진에 디젤을 사용하는 주요 문제는, 고체 탄소 입자(그을음)와 질소 산화물(NOx) 배출에 대해 상충 관계가 있다는 사실이다. 그을음을 덜 배출해야 하는 경우, 엔진 연소실의 온도가 높아져 연소가 더 잘 될 수 있다. 그을음 배출은 줄어들지만, 챔버는 더 많은 산화제를 얻게 되며, 이는 NOx 배출이 상당히 증가할 것을 의미한다. 연소실의 온도를 낮추면, 반대 효과가 발생하고, NOx 배출이 줄어들고, 그을음 형성이 훨씬 더 높아진다.
선행 기술은 앞서 언급한 문제를 해결하기 위한 일부 노력을 보여준다.
예를 들면, PCT 특허 공개 번호 WO2014168889A1 (문헌 D1)은 연료 분해 및 분자 파열을 통한 최적화 및 첨가제나 연료 증강제(fuel enhancer)와 연료의 재조합을 위한 방법을 개시하고 있으며, 이 방법은 연료를 예열하는 단계; 마이크로에멀젼 혼합물이 형성될 때까지 상기 예열된 연료를 물 및 적어도 하나의 첨가제와 혼합하는 단계; 소정 압력에 도달될 때까지 펌프를 통해 상기 혼합물을 통과시키는 단계; 및 공동 기포(cavitation bubble)가 형성되고 해중합(depolymerization) 및 새로운 폴리머 사슬 형성이 일어나는 유체역학적 공동 반응기로 혼합물을 유도하여 개질된 연료를 제공하는 단계를 포함한다. D1은, 개시된 방법이, 저렴한 첨가제를 사용하여 연료 부피를 증가시키고; API 지수를 개선하고; "더 깨끗한" 연료를 생성하고; 연료에서 바람직하지 않은 요소들, 예를 들면 황, CO, Ox 및 연소 순간의 탄소 미립자 및 원유 점도를 감소시키고; 발열량(heating value)을 개선하고; D6 및 D2 연료의 세탄 수준(Cetane level)을 증가시키고; 더 가벼운 연료의 옥탄 수준(octane level)을 증가시킬 수 있고; 더 깨끗한 연소 과정으로 인해 관련 시스템 유지비가 감소한다고 주장한다.
그러나, 문헌 D1에 개시된 방법은 몇 가지 결함이 있는데, 예를 들면,
· D1은 "공동(cavitation)"을 단지 기포 발생 장치로서 기재하지만, D1은 이들이 찾고 있는 효과를 달성하기 위한 이상적인 공정 조건을 언급하지 않기 때문에, "공동"이 무엇을 의미하는지 적절하고 명확하게 기재하지 않는다. 공동 반응기가 하는 일에 대한 기술적으로 합리적인 설명도 없다.
· D1은 첨가되는 첨가제 또는 연료 개선제에 대해 기재하지 않고, 물, 메탄올 등과 같은 일련의 순수한 물질만을 언급한다. 이러한 물질들은 연료에 어떠한 특성도 추가하지 않기 때문에 첨가제가 아니다.
· D1은 분자 파괴 및 해중합 및 디젤의 후속 재중합을 언급한다. 첫째, 디젤은 분해할 폴리머 분자를 함유하지 않고, 어느 경우에도 폴리머가 아니다. 또한, 이는 발열량(calorific value)을 잃을 것이기 때문에, 분자를 부수는 것이 바람직하지 않다. 이러한 모든 기술적 논증은, 디젤이 고분자이거나 고분자 분자를 함유한다는 잘못된 가정에 근거하고 있다. 탄화수소에 대한 지식이 있는 사람은 이러한 의미가 적절하다고 생각하지 않으며, 이 논증이 타당하다고 생각하지 않는다.
· D1에 기재된 모든 이점들은 명확한 목표가 없으며, 연소를 "개선"하기 위해 연료를 개질하는 것으로 보이지만, "개선"이 의미하는 바는 설명하지 않는다.
· D1은, 개질된 연료가 생성되는 더 적은 CO, NOx 및 SO2 배출을 "허용한다"고 언급한다. 현대식 엔진은 현재 해당 가스를 생성하지 않기 때문에, CO를 줄이는 것은 거의 관심이 없다. NOx의 감소는 관련이 있지만, D1은 그러한 효과를 증명하지 않으며 그 효과를 달성하는데 이치에 맞는 설명도 없다. 또한, SO2의 배출 감소는, 이 배출이 연료의 황 농도에 의존하기 때문에 부정확하다. 황 산화물 생성을 중단시키는 효과를 생성할 수 있는 디젤에 수행될 수 있는 개질 또는 분자 분해는 없다. 연료를 분리하고 다른 황의 스트림을 생성하는 것만으로도 황 농도를 줄일 수 있다. 다른 부정확성은, 엔진이 SO2를 생성하는 경우가 매우 드물고, SO3의 배출이 더 일반적이라는 것이다. 또한, D1이 보여주는 감소율도 그것을 정당화하는 논리적 설명이 부족하다.
PCT 특허 공개 WO2015053649 (문헌 D2)는, 내연 기관 및 보일러의 연소를 위한 다양한 수분 함유 연료 혼합물을 준비하고, 물로부터 석유 및 석유 제품의 미세 입자 및 나노 입자를 제거하기 위한 공동 반응기에 대해 기재한다. D2는 범람된 물-기름 혼합물이 공동 범위에서 고강도 수력-기계적 처리(공동 처리)를 받으면, 오일-물 에멀젼 형태로 대체 유형의 연료로 변하며, 물은 마이크로 수준에서 액체 연료의 연소에 긍정적인 영향을 미치는 미세하게 분산된 상으로 이동하는 것을 개시한다(하나의 액적의 규모와 토치에서 액적의 그룹 연소 과정 모두에서).
D2는 널리 알려진 연료 에멀젼의 제조를 개시한다. D2에 의해 개시된 에멀젼에서의 물 농도는 매우 높으며(8% 이상), 이는 D2에 기술된 연료유와 같은 연료를 연소할 때 매우 알려진 효과를 생성한다.
US 특허 출원 20160046878 (문헌 D3)은 중유 공급 원료의 품질을 업그레이드하거나 개선하기 위한 시스템 및 방법을 개시한다. D3에 기술된 시스템 및 방법은 초음파 공동 에너지와 같은 공동 에너지를 사용하여, 초음파 또는 다른 공동 에너지(예를 들면, 공동 힘, 전단력, 마이크로젯, 충격파, 미세 대류, 국부 핫스팟 등)를 중유에 전달하여, 일반적으로 중유 처리에 적합하지 않은 것으로 여겨지는 저압 수소 조건(예를 들면, 500 psig 미만) 하에서 수소 전환(hydroconversion)을 유도한다.
D3은 임의의 확실한 개선으로 이어지지 않는 중질유의 개질을 개시한다. D3은 공동을 사용하여 중질 원유를 개선한다고 언급한다. D3은 연소에 중점을 두지 않는다. 다른 한편으로, D2는 유체역학적 공동을 초음파와 혼란시킨다. 이는 상이한 현상이다.
또한, 이 문제를 해결하기 위해 세계적으로도 많은 과학적 노력이 있었지만, NOx를 증가시키지 않고 그을음을 감소시킬 수 있는 많은 기술이 기본적으로 연료의 발열량을 약 20% 감소시키고, 또한 이들이 연료가 많은 파라미터에서 사양을 벗어나게한다는 사실로 인해, 이들 중 어느 것도 성공적이지 못했다. 이들은 확실히 기술적으로 실행 가능하지 않다.
상기 언급된 문제 및 필요성의 관점에서, 본 출원인은 향상된 점화 특성, 보다 구체적으로 더 큰 전기 전도성 및 향상된 윤활성을 가져, 완전 연소의 퍼센트를 더 크게 하는, 개선된 디젤 연료의 연속 생산 방법을 개발했다.
본 발명의 방법은, 디젤 연료와 2개의 특별한 첨가제를 혼합 및 균질화하고, 혼합 및 균질화된 혼합물을 로터를 갖는 충격 전력 반응기(Shock Power Reactor) 내부의 제어된 공동(cavitation)에 제공하여, 개선된 양극성 디젤 연료를 수득하는 것을 포함한다. 내연 기관에서 개선된 디젤 연료를 사용하는 것은, 총 질소 산화물 (NOx) 배출 뿐만 아니라 총 그을음 및 총 P.M. 배출을 30% 이상 감소시킨다. 개선된 디젤 연료는 0 내지 3%의 연비 손실로 디젤 연소 엔진에서 NOx와 그을음 생성의 상반관계(tradeoff)를 깨뜨린다.
따라서, 본 발명의 주요 목적은, 향상된 점화 특성을 갖는, 더욱 구체적으로 더 큰 전기 전도성, 향상된 윤활성을 가져, 완전 연소의 퍼센트를 더 크게 하여, 그을음 생성을 줄이는 동시에 NOx를 감소시키는, 개선된 디젤 연료의 연속 생산 방법을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 주요 목적은, 디젤 연료와 2개의 특별한 첨가제를 혼합 및 균질화하고, 혼합 및 균질화된 혼합물을 로터를 갖는 충격 전력 반응기(Shock Power Reactor) 내부의 제어된 공동(cavitation)에 제공하여, 개선된 양극성 디젤 연료를 수득하는 것을 포함하는, 상기 언급된 특성의 개선된 디젤 연료의 연속 생산 방법을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 추가 목적은, 상기 언급된 특성의 개선된 디젤 연료의 연속 생산 방법을 제공하는 것이고, 상기 개선된 디젤 연료는 내연 기관에 사용될 때 총 질소 산화물 (NOx) 뿐만 아니라 총 그을음 및 총 P.M. 배출을 30% 이상 감소시킨다.
본 발명의 다른 주요 목적은, 상기 언급된 특성의 개선된 디젤 연료의 연속 생산 방법을 제공하는 것이고, 상기 개선된 디젤 연료는 0 내지 3%의 연비 손실로 디젤 연소 엔진에서 NOx와 그을음 생성의 상반관계를 깨뜨린다.
본 발명의 개선된 디젤 연료의 연속 생산을 위한 방법의 이들 및 다른 목적 및 이점은 첨부 도면을 참조하여 만들어질 본 발명의 양태에 대한 하기 상세한 설명으로부터 당업자에게 명백해질 것이다.
도 1은 본 발명의 개선된 디젤 연료의 연속 생산 방법의 흐름도이다.
도 2는 시험 1의 정상 상태(Steady-State) 시험 결과를 보여주는 그래프이다.
도 3은 시험 1의 과도(Transient) 시험 결과를 보여주는 그래프이다.
도 4는 시험 2의 제1 정상 상태 시험을 보여주는 그래프이다.
도 5는 시험 2의 제2 정상 상태 시험을 보여주는 그래프이다.
도 6은 시험 2의 과도 시험을 보여주는 그래프이다.
본 발명의 개선된 디젤 연료는 성분의 두 가지 혼합물이 추가된 "보통의" 상업용 디젤을 기반으로 한다. 이러한 성분은 "S1"(첨가제 번호 1에 해당) 및 "S2"(첨가제 번호 2에 해당)로 지정될 것이다.
"S1"은 에틸렌 옥사이드 6 내지 80몰의 범위로 에톡실화될 수 있는 에톡실화 지방산 에스테르를 포함한다. 이 분자는 1,4-무수-소르비톨(1,4-anhydro-sorbitol)과 지방산으로 형성된다(화학식 1 참조). 일반적으로, 이 물질은 소르비톨과 이의 모노- 및 디-무수물의 스테아르산 및 팔미트산 에스테르의 혼합물로 구성된다. 또한, 이러한 에톡실화된 유도체는 모노글리세롤 에스테르의 형태에 몇 몰의 에틸렌 옥사이드를 첨가함으로써 제조될 수 있으며, 첨가된 에틸렌 옥사이드의 몰 수에 따라, 넓은 범위의 HLB 값을 갖는다.
화학식 1: S1의 도식 표현 (여기서, "R"은 지방산(라우르산, 팔미트산, 올레산 또는 스테아르산)을 나타냄)
S2는, 소정의 밸런스를 갖는, 4개의 에톡실화 페놀 유래된 계면활성제(화학식 2 참조) - 알킬형 사슬 또는 노닐형일 수 있음 -을, 1개 또는 2개의 메틸 라디칼을 갖는 파라 "p-" 또는 오르토 "o-" 자일렌과 같은 방향족 용매와 혼합시켜 형성된 복합 수계 혼합물(complex water based mixture)이다. 계면활성제의 화학적 밸런스는 S1의 HLB 값과 매칭하도록 조제되어야 한다.
화학식 2: 이러한 계면활성제들 중 하나의 예 (4-(2,4-디메틸헵탄-3-일)페놀)
S2에서 물의 농도는 50 내지 90%의 범위여야 하고, 물은 아민 비누(amine soap)의 형태로 첨가된다. 아민 비누는, 3차 아민과 3개의 알코올기가 있는 트리올인 점성이 있는 유기 화합물(하기 도식 표현 참조)이 1개의 이중 결합과 6 내지 18개의 탄소의 알킬 사슬을 갖는 지방족 지방산으로 중화되는 화학 반응기에서 제조해야 한다.
3차 아민의 형성의 도식 표현
S1은 비극성 물질이고, S2는 양극성 혼합물이다. 물질들 모두는 디젤 연료 또는 초저 디젤 연료(ultra-low diesel fuel)와 복잡한 분자 분산을 생성한다.
첨가제 모두는 주요 공정 흐름에 주입되고, SPR(Shock Wave Power Reactor)에 의해 완전히 혼합된다.
이제, 본 발명의 방법은 디젤의 연속 스트림을 처리하도록 설계된 이의 특정 양태에 따라 기술될 것이며, 여기서 본 발명의 방법은 하기 단계를 포함한다:
a) 최대 유량이 35 내지 350 gallons/min이고 작동 압력이 60 내지 100 psig인 40 HP 모터를 갖는 나선형 기어 펌프(BPS 002)에 의해 60 - 100 psig의 압력에서 (비극성) 상업용 디젤 연료 (또한, ULSD(Ultra Low Sulfur Diesel)가 사용될 수 있음)의 연속 주요 스트림(SD)을 제공하는 단계. 펌프는 최소 1 psi의 일정한 유량 공급원의 정수압에서 및 주위 온도에서, 4 내지 1400 L/min 범위 내의 일정한 부피 유량 공급원(탱크 ULSD)으로부터 디젤을 받는다. 주요 스트림(SD)은 4" 파이프를 통해 흐르지만, 전체 공정의 규모에 따라 직경이 다른 다른 파이프가 사용될 수 있음;
b) 4인치 "V 형상" 코리올리 질량 유량계(Coriolis Mass Flow meter)를 사용하여 주요 스트림(SD)의 유량(flow)을 측정하고, 주요 유량 제어 밸브 NPS 4인치 150 클래스 표준 RF 플랜지 연결에 의해 주요 유량을 조절하는 단계. 주요 유량은 20 - 90 psig의 압력, 즉 나선형 기어 펌프에 의해 제공되는 동일한 압력에서 조절됨;
c) 최대 비례 유량이 0 내지 5 gallons/min (바람직하게는, 4.55 gallons/min)이고, 주요 스트림(SD)의 압력보다 커야하는 작동 압력이 25 내지 120 psig(바람직하게는, 100 psig)인 5개의 HP 모터를 갖는 프로그레시브 캐비티 주입 펌프(Progressive Cavity Injection Pump) (BPS 002)에 의해 S1 성분의 스트림을 제공하는 단계. 상기 프로그레시브 캐비티 주입 펌프는 주위 온도에서, 탱크의 정수압에서, 탱크로부터 S1 성분을 받음;
d) 25 내지 125 psig (바람직하게는, 100 psig)의 최대 압력에서 S1 성분의 스트림을 조절하는 NPS 3/4인치 제어 밸브로 조절되는 1인치 직선형 코리올리 질량 유량계에 의해 S1 성분의 스트림을 측정하는 단계;
e) S1 화합물의 스트림을 주요 스트림의 압력보다 더 커야하는 25 내지 125 psig (바람직하게는, 100 psig)의 압력에서, 주요 유량 제어 밸브 뒤에 위치하는 위치에서, 표준 "T" 커넥터에 의해 주요 스트림(SD) 4" 파이프에 주입하여, 35 내지 400 gal/min (바람직하게는, 359.55 gal/min)의 최대 질량 유량을 갖는 SD + S1의 스트림을 생성하는 단계로, 여기서 입력 질량 유량은 유량에서 SD의 0.9 내지 1.5%에 해당될 것임;
f) 길이 약 120cm, 직경 4인치, 5개의 PMS 블레이드 유닛 및 150 클래스 표준 RF 플랜지 연결을 갖는 제1 정적 믹서(MEZC 001)를 사용하여 SD + S1의 스트림을 혼합 및 균질화하고, 약 8 psig의 압력 강하를 생성하여, 약 20 내지 110 psig(바람직하게는, 67 psig)의 SD + S1의 혼합 스트림을 생성하는 단계;
g) 0 내지 10 gallons/min (바람직하게는, 8.75 gallons/min)의 최대 유량 및 25 내지 125 psig (바람직하게는, 100 psig)의 작동 압력을 갖는 프로그레시브 캐비티 주입 펌프, (BPS 003)를 사용하여 S2 성분의 스트림을 제공하는 단계. 상기 프로그레시브 캐비티 주입 펌프는 주위 온도에서 탱크의 정수압에서 탱크로부터 S2 성분을 받음;
h) 25 내지 125 psig (바람직하게는, 100 psig)의 압력에서 S2의 스트림을 조절하는 NPS 3/4인치 제어 밸브 150 클래스 표준 RF 플랜지 연결로 조절되는 3/4인치 직선형 코리올리 질량 유량계에 의해 S2 성분의 스트림을 측정하는 단계;
i) SD + S1 스트림에 S2 성분의 스트림을, 주요 스트림의 압력보다 더 커야 하는 25 내지 125 psig (바람직하게는, 100 psig)의 압력에서, 제1 정적 믹서 뒤에 위치하는 위치에서 표준 "T" 커넥터에 의해 4" 파이프로 주입하여, 400 gal/min의 최대 질량 유량에서 SD + S1 + S2의 스트림을 생성하는 단계로, 여기서 S2 성분의 입력 질량 유량은 SD+S1+S2 유량의 대략 1.5 내지 3.0%에 해당될 것임;
j) 길이 약 87cm, 직경 4인치, 3개의 PMS 블레이드 유닛 및 150 클래스 표준 RF 플랜지 연결을 갖는 제2 정적 믹서(MEZC 002)를 사용하여 SD + S1 + S2의 스트림을 혼합 및 균질화하고, 대략 4 psig의 압력 강하를 생성하여, 주위 온도에서 25 내지 125 psig (바람직하게는, 약 63 psig)의 압력을 갖는 SD + S1 + S2의 혼합 스트림을 생성하는 단계;
k) 주위 온도에서 25 내지 125 psig (바람직하게는, 약 63 psig)의 압력을 갖는 SD + S1 + S2의 스트림을 충격파 전력 반응기(SPR)에 공급하여, 이 스트림을, 비극성 디젤 연료를 윤활성을 40% 이상 증가시키는 양극성 디젤 연료로 전환하는 "제어된 공동"으로 공급하는 단계. 상기 충격파 전력 반응기(SPR)는 600 RPM 내지 3000 RPM의 속도로 회전하는 로터를 포함한다. 회전 동작은 금속 표면으로부터 멀리 떨어진 로터 캐비티에서 유체 역학적 공동을 생성한다. 공동은 제어되므로, 손상이 없다. 미세한 공동 기포가 생성되고 붕괴되면서, 충격파가 액체로 방출되어, 가열 및/또는 혼합할 수 있다"(Hydrodynamics, 2018). 이 장비는 SD + S1 + S2 스트림의 균질한 혼합을 보장하며, 결과는 약 30 ℃ 내지 80 ℃의 온도를 갖는 개선된 디젤 연료인데, 이는 대략 30 ℃의 온도의 증가에 해당된다.
본 발명의 방법의 다른 양태에서, 단계 e) 및 i)에서, 성분 S1은 항상 주요 스트림(SD)의 압력보다 더 크거나 조금 더 큰 압력에서 주입되고, 성분 S2는 항상 SD + S1 스트림의 압력보다 더 크거나 조금 더 큰 압력에서 주입된다.
이 방법은 디젤의 연속 스트림을 처리하도록 고안되는 것으로 기재되지만, 배치(batch) 내의 디젤을 처리하는 것이 가능할 수 있다.
본 발명의 방법에 의해 생산되는 개선된 디젤 연료는 향상된 점화 특성, 더욱 구체적으로 보통의 디젤 연료와 비교하여 1000배 이상 더 큰 전기 전도성, 보통의 디젤 연료와 비교하여 100% 이상의 윤활성의 값을 가지며, 완전 연소의 퍼센트가 높아, 내연 기관에서 그을음 생성을 줄이는 동시에 NOx를 감소시킨다.
본 발명의 방법에 의해 얻어지는 상기 개선된 디젤 연료는 윤활성이 대략 0.300 mm인 양극성 디젤 연료이다.
개선된 디젤 연료는 보통 ULSD에 기반한 이 연료의 효과가 총 질소 산화물(NOx) 배출 뿐만 아니라 총 그을음 및 총 P.M. 배출을 30% 이상 감소시키는 EPA 및 CARB 표준 사이클에 기초한 엔진에 대한 시험을 검증했다. 개선된 디젤(ND)은 연비 손실이 0 내지 3%인 디젤 연소 엔진에서 NOx와 그을음 생성의 상반관계를 깨뜨린다.
기본 연료와 차별화되는 개선된 디젤 연료의 특징은, 현미경 하에서 관찰하면, 극성 입자의 분산을 관찰할 수 있다는 것인데, 이는 양극성 특성을 제공하는 것이다.
앞서 기재된 바와 같이, 첨가제를 첨가할 필요 없이 기본 연료에 비해 전기 전도성이 1000배 이상 증가하는 것을 볼 수 있다. 이는 ASTM D2624에 따라 측정된다.
ASTM D6079에 의해 측정된 윤활성은 윤활성 첨가제를 첨가할 필요 없이 훨씬 더 크다.
본 발명의 개선된 디젤의 사양
공정 데이터
본 발명의 개선된 디젤을 사용한 엔진 시험
엔진의 시험 방법은 EPA에서 관리하고 승인한 FTP(연방 테스트 프로토콜)이다. 시험은 정상 상태(Steady State) 및 과도 사이클(Transient)에서 실행되었다.
시험 1
나비스타(Navistar)
· 모델 연도: 2016 N13
· 배출 규정 준수(Emissions Compliance): 2010
· 배기량(Displacement), 리터: 12.4
· 정격 출력(Power Rating): 1700rpm에서 475hp
· 배기가스 재순환 (EGR)
· HPCR 연료 시스템
현재 미국과 유럽에서 생산되는 대표적인 베이스 엔진
정상 상태 시험
· 1700 rpm 및 50% 부하
· 차세대 연료(Next Fuel)로 그을음 33% 감소
도 2의 그래프를 참조한다.
과도 시험
· FTP 테스트 시연:
√ 그을음 14% 감소
√ NOX 8.6% 감소
도 3의 그래프를 참조한다.
시험 2
DD 시리즈 60
· 모델 연도: 1998 시리즈 60
· 배출 규정 준수: 1998
· 배기량, 리터: 14.0
· 정격 출력: 1800rpm에서 450hp
· EGR 없음
· 후처리(aftertreatment) 없음
· 유닛 인젝터(Unit injector)
대표적인 레거시 플릿 인벤토리(legacy fleet inventory)
정상 상태 시험 1
· 1800 rpm 및 25% 부하
· 차세대 연료로 그을음 34% 감소
· NOX 및 연료 소모 변화 없음.
도 4의 그래프를 참조한다.
정상 상태 시험 2
· 1200 rpm 및 100% 부하
· 차세대 연료로 그을음 26% 감소
· NOX 및 연료 소모 변화 없음.
도 5의 그래프를 참조한다.
과도 시험
· FTP 테스트 시연:
· NOX 및 연료 소모 변화 없음
· 그을음 29% 감소
도 6의 그래프를 참조한다.
쉐브론 필립스(Chevron Philips)에 의해 수행된 비처리된 일반 디젤 분석
사우스웨스트 연구소에 의해 수행된 본 발명의 개선된 디젤(차세대 디젤)의 분석
차세대-디젤-#1
ASTM D1319 형광 지시약 흡착(Fluorescent Indicator Adsorption)에 의한 탄화수소 유형
포화 함량, % 부피 67.1
방향족 함량, % 부피 30.5
올레핀 함량, % 부피 2.4
D6079 고주파 왕복 조작(Reciprocating Rig)
연료 온도, ℃ 60
마모 흔적 장축(Major Axis), mm 0.28
마모 흔적 단축(Minor Axis), mm 0.20
마모 흔적 직경, 미크론 240
마모 흔적에 대한 설명 고르게 마모된 타원형
ASTM D86 대기압에서 석유 제품의 증류
차세대-디젤-#2
ASTM D1319 형광 지시약 흡착에 의한 탄화수소 유형
포화 함량, % 부피 69.8
방향족 함량, % 부피 28.6
올레핀 함량, % 부피 1.6
D6079 고주파 왕복 조작
연료 온도, ℃ 60
마모 흔적 장축(Major Axis), mm 0.26
마모 흔적 단축(Minor Axis), mm 0.19
마모 흔적 직경, 미크론 230
마모 흔적에 대한 설명 고르게 마모된 타원형
ASTM D86 대기압에서 석유 제품의 증류

Claims (20)

  1. 개선된 디젤 연료의 생산 방법으로서,
    상기 방법은,
    a) 하기 스트림들: 상업용 디젤 연료를 포함하는 제1 스트림(SD); 계면활성제로 사용되는 에톡실화 에스테르의 혼합물을 포함하는 제1 첨가제의 제2 스트림(S1); 수용성 계면활성제와 방향족 용매의 혼합물을 함유하는 수성 에멀젼을 포함하는 제2 첨가제를 포함하는 제3 스트림(S2);을 혼합 및 균질화하여, 제1 스트림(SD) + 제2 스트림(S1) + 제3 스트림(S2)을 포함하는 혼합 및 균질화된 스트림을 생성하는 단계; 및
    b) 혼합 및 균질화된 혼합물을 로터(rotor)를 갖는 충격 전력 반응기(Shock Power Reactor) 내부의 제어된 공동(cavitation)에 제공함으로써, 단계 a)에서 수득된 상기 혼합 및 균질화된 스트림에 함유되는 디젤 연료를 양극성(bipolar) 디젤 연료로 전환하여, 개선된 디젤 연료를 수득하는 단계;를 포함하는 것인, 개선된 디젤 연료의 생산 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    단계 a)에서, 상기 제1 첨가제는 6 내지 80 몰의 범위의 에틸렌 산화물로 에톡실화될 수 있는 에톡실화 지방산 에스테르를 포함하고, 이의 분자는 1,4-무수-소르비톨(1,4-anhydro-sorbitol) 및 지방산으로부터 형성되는 것인, 개선된 디젤 연료의 생산 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    단계 a)에서, 상기 제2 첨가제는, 소정의 밸런스를 갖는, 4개의 에톡실화 페놀 유래된 계면활성제 - 알킬형 사슬 또는 노닐형일 수 있음 -을, 1개 또는 2개의 메틸 라디칼을 갖는 파라 "p-" 또는 오르토 "o-" 자일렌과 같은 방향족 용매와 혼합시켜 형성된 수계 혼합물을 포함하고, 상기 계면활성제의 화학적 밸런스는 제1 첨가제의 HLB 값과 매칭하도록 조제된 것인, 개선된 디젤 연료의 생산 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    단계 a)에서, 상기 제1 스트림(SD)은 작동 압력이 60 내지 100 psig이고 최대 유량이 35 내지 350 gallons/min인 40 HP 모터를 갖는 나선형 기어 펌프를 사용하여 펌핑되는 60 - 100 psig의 압력에서 비극성 상업용 디젤을 포함하고, 상기 펌프는 최소 1 psi의 일정한 부피 유량 공급원의 정수압에서 및 주위 온도에서, 4 내지 1400 L/min의 범위 내에서 일정한 부피 유량 공급원으로부터 디젤을 받으며, 상기 제1 스트림은 코리올리 질량 유량계(Coriolis Mass Flow meter)를 사용하여 측정되고, 나선형 기어 펌프에 의해 제공되는 동일한 압력에서 20 - 90 psig의 압력에서 주요 유량 제어 밸브 NPS 150 클래스 표준 RF 플랜지 연결(main flow control valve NPS 150 class standard RF flange connection)을 사용하여 조절되는 것인, 개선된 디젤 연료의 생산 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    단계 a)에서, 상기 제2 스트림(S1)은 작동 압력이 25 내지 120 psig 이고 최대 비례 유량이 0 내지 5 gallons/min인 프로그레시브 캐비티 주입 펌프(Progressive Cavity Injection Pump)를 사용하여 제공되고, 상기 프로그레시브 캐비티 주입 펌프는 주위 온도에서 탱크의 정수압에서 탱크로부터 제1 첨가제를 받으며, 상기 프로그레시브 캐비티 주입 펌프에 의해 제공된 제2 스트림은 직선형 코리올리 질량 유량계를 사용하여 측정되고, 25 내지 125 psig 의 최대 압력에서 제2 스트림을 조절하는 제어 밸브로 조절되는 것인, 개선된 디젤 연료의 생산 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    단계 a)에서, 상기 제3 스트림(S2)은 작동 압력이 25 내지 125 psig 이고 최대 유량이 0 내지 10 gallons/min 인 프로그레시브 캐비티 주입 펌프를 사용하여 제공되고, 상기 프로그레시브 캐비티 주입 펌프는 주위 온도에서 탱크의 정수압에서 탱크로부터 제2 첨가제를 받으며, 상기 프로그레시브 캐비티 주입 펌프에 의해 제공된 제3 스트림은 직선형 코리올리 질량 유량계를 사용하여 측정되고, 25 내지 125 psig 의 압력에서 S2 첨가제의 제3 스트림을 조절하는 제어 밸브 NPS 150 클래스 표준 RF 플랜지 연결(control valve NPS 150 class standard RF flange connection)로 조절되는 것인, 개선된 디젤 연료의 생산 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    단계 a)에서,
    I. 제2 스트림(S1)은 제1 스트림(SD)에 주입되고;
    II. 생성된 스트림(SD+S1)은 정적 믹서(static mixer)에 의해 균질화되어, 균질화된 스트림을 생성하고;
    III. 제3 스트림(S2)이 단계 II에서 얻어진 균질화된 스트림으로 주입되고;
    IV. 단계 III에서 생성된 스트림(S2 + S1 + S2)은 정적 믹서를 사용하여 균질화되는 것인, 개선된 디젤 연료의 생산 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    단계 I에서, 상기 제2 스트림(S1)은 25 내지 125 psig 의 압력 - 주요 스트림 압력보다 더 커야함- 에서 표준 "T" 커넥터를 사용하여 주입되어, 최대 질량 유량이 35 내지 400 gal/min 인 SD + S1의 스트림을 생성하고, 주입 질량 유량(input mass flow)은 유량 중 SD의 0.9 내지 1.5 %에 해당되는 것인, 개선된 디젤 연료의 생산 방법.
  9. 제7항에 있어서,
    단계 II에서, 상기 생성된 스트림 (SD + S1)은 5개의 PMS 블레이드 유닛과 150 클래스 표준 RF 플랜지 연결을 갖는 제1 정적 믹서를 사용하여 균질화하고, 8 psig의 압력 강하를 생성하여, 20 내지 110 psig의 SD + S1의 혼합 스트림을 형성하는 것인, 개선된 디젤 연료의 생산 방법.
  10. 제7항 또는 제9항에 있어서,
    단계 III에서, 상기 제3 스트림(S2)은 제1 정적 믹서 뒤에 위치하는 위치에서 및 25 내지 125 psig 의 압력 - 제1 스트림(SD)의 압력보다 더 커야함 - 에서 표준 "T" 커넥터를 사용하여 주입되어, 400 gal/min의 최대 질량 유량에서 SD + S1 + S2의 스트림을 생성하고, S2 성분의 주입 질량 유량은 SD+S1+S2 유량의 1.5 내지 3.0%에 해당되는 것인, 개선된 디젤 연료의 생산 방법.
  11. 제7항에 있어서,
    단계 III에서, SD + S1 + S2를 포함하는 스트림은 4 psig의 압력 강하를 생성하는 3개의 PMS 블레이드 유닛과 150 클래스 표준 RF 플랜지 연결을 갖는 제2 정적 믹서를 사용하여 균질화 및 혼합되어, 주위 온도에서 압력이 25 내지 125 psig 인 SD + S1 + S2의 혼합 스트림을 생성하는 것인, 개선된 디젤 연료의 생산 방법.
  12. 제7항에 있어서,
    단계 b)에서, SD + S1 + S2의 혼합 및 균질화된 스트림은 25 내지 125 psig 의 압력에서 및 주위 온도에서 충격파 전력 반응기(Shock Wave Power Reactor, SPR)에 공급되고, 상기 충격파 전력 반응기(SPR)는 600 RPM 내지 3000 RPM의 속도에서 회전하는 로터를 포함하는 것인, 개선된 디젤 연료의 생산 방법.
  13. 양극성 디젤 연료로서, 일반 디젤 연료의 전기 전도성과 비교하여 전기 전도성이 1000배 이상이고, 윤활성이 0.300 mm 이며, 상기 양극성 디젤 연료는, 연비 손실을 0 내지 3%로 하여, 그을음 생성을 30% 이상 줄이고 NOx 생성을 줄임으로써, 디젤 연소 엔진에 의해 연소될 때, NOx와 그을음 생성의 상반관계(tradeoff)를 깨뜨리는, 양극성 디젤 연료.
  14. 제1항에 있어서,
    단계 a)에서, 상기 제2 스트림(S1)은 작동 압력이 100 psig 이고 최대 비례 유량이 4.55 gallons/min인 프로그레시브 캐비티 주입 펌프를 사용하여 제공되고, 상기 프로그레시브 캐비티 주입 펌프는 주위 온도에서 탱크의 정수압에서 탱크로부터 제1 첨가제를 받으며, 상기 프로그레시브 캐비티 주입 펌프에 의해 제공된 제2 스트림은 직선형 코리올리 질량 유량계를 사용하여 측정되고, 100 psig 의 최대 압력에서 제2 스트림을 조절하는 제어 밸브로 조절되는 것인, 개선된 디젤 연료의 생산 방법.
  15. 제1항에 있어서,
    단계 a)에서, 상기 제3 스트림(S2)은 작동 압력이 100 psig 이고 최대 유량이 8.75 gallons/min 인 프로그레시브 캐비티 주입 펌프를 사용하여 제공되고, 상기 프로그레시브 캐비티 주입 펌프는 주위 온도에서 탱크의 정수압에서 탱크로부터 제2 첨가제를 받으며, 상기 프로그레시브 캐비티 주입 펌프에 의해 제공된 제3 스트림은 직선형 코리올리 질량 유량계를 사용하여 측정되고, 100 psig 의 압력에서 S2 첨가제의 제3 스트림을 조절하는 제어 밸브 NPS 150 클래스 표준 RF 플랜지 연결로 조절되는 것인, 개선된 디젤 연료의 생산 방법.
  16. 제7항에 있어서,
    단계 I에서, 상기 제2 스트림(S1)은 100 psig 의 압력 - 주요 스트림 압력보다 더 커야함- 에서 표준 "T" 커넥터를 사용하여 주입되어, 최대 질량 유량이 359.55 gal/min 인 SD + S1의 스트림을 생성하고, 주입 질량 유량은 유량 중 SD의 0.9 내지 1.5 %에 해당되는 것인, 개선된 디젤 연료의 생산 방법.
  17. 제7항에 있어서,
    단계 II에서, 상기 생성된 스트림 (SD + S1)은 5개의 PMS 블레이드 유닛과 150 클래스 표준 RF 플랜지 연결을 갖는 제1 정적 믹서를 사용하여 균질화하고, 8 psig의 압력 강하를 생성하여, 67 psig의 SD + S1의 혼합 스트림을 형성하는 것인, 개선된 디젤 연료의 생산 방법.
  18. 제7항 또는 제9항에 있어서,
    단계 III에서, 상기 제3 스트림(S2)은 제1 정적 믹서 뒤에 위치하는 위치에서 및 100 psig의 압력 - 제1 스트림(SD)의 압력보다 더 커야함 - 에서 표준 "T" 커넥터를 사용하여 주입되어, 400 gal/min의 최대 질량 유량에서 SD + S1 + S2의 스트림을 생성하고, S2 성분의 주입 질량 유량은 SD+S1+S2 유량의 1.5 내지 3.0%에 해당되는 것인, 개선된 디젤 연료의 생산 방법.
  19. 제7항에 있어서,
    단계 III에서, SD + S1 + S2를 포함하는 스트림은 4 psig의 압력 강하를 생성하는 3개의 PMS 블레이드 유닛과 150 클래스 표준 RF 플랜지 연결을 갖는 제2 정적 믹서를 사용하여 균질화 및 혼합되어, 주위 온도에서 압력이 63 psig 인 SD + S1 + S2의 혼합 스트림을 생성하는 것인, 개선된 디젤 연료의 생산 방법.
  20. 제7항에 있어서,
    단계 b)에서, SD + S1 + S2의 혼합 및 균질화된 스트림은 63 psig 의 압력에서 및 주위 온도에서 충격파 전력 반응기(SPR)에 공급되고, 상기 충격파 전력 반응기(SPR)는 600 RPM 내지 3000 RPM의 속도에서 회전하는 로터를 포함하는 것인, 개선된 디젤 연료의 생산 방법.
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