TWI583782B - 低碳液態燃料組合物 - Google Patents

Description

低碳液態燃料組合物

本發明係關於一種液態燃料組合物，尤其係關於一種易點燃之甲醇燃料組合物，特別可用於具有電子點燃器(electric igniter)的爐具。

已知甲醇除可用作溶劑以及用於生產塑料、塗料、炸藥、紡織品以外，係一便利且安全的汽機車用燃料。相較於其他氣態燃料或液態燃料，甲醇燃燒所產生的二氧化碳與氮化物(NO_x)較少，為公認的清潔燃料。此外，甲醇的蒸汽壓低、比重高，故著火的危險性低。再者，因甲醇分子中含有氧原子，故可促進充分的燃燒，進而可提供高的密度能量，其中，液態甲醇的能量密度高達15,476千焦耳/公升，天然氣與氣態LPG(液化石油氣)則僅分別為36千焦耳/公升與91千焦耳/公升。因此，自1964年起在印第安納波利斯車賽(Indianapolis Race，Indy-500)中，已廣泛使用液態甲醇燃料於內燃機中。

以往使用甲醇燃料時，為了降低燃料的成本，通常會添加一些水分，此外，為了增加燃料的熱值(所謂「熱值」，係指完全燃燒1公斤或1公升的物質釋放出的能量)，則會添加油類。 前述水分及/或油類的添加使用，使甲醇燃料本身有獨特性。舉例言之，在中國已有嘗試添加4%的痲瘋樹油(桐油樹油)於甲醇中，以提高熱值，但燃燒過程中會產生異味，燃燒結束後也容易有廢渣及白煙生成，對人體健康及環境有害。經發現，當於甲醇中添加使用油類，燃燒過程中所產生的火燄通常為紅黃色，呈現燃燒不完全及黑色殘渣的現象。

此外，當家用爐具使用液態甲醇作為燃料時，卻面臨到不容易點燃的問題，需利用火燄式點燃器(flame igniter)如明火，甚或需花費約30至50秒甚至更長的時間才能點燃，在使用上相當不便。

有鑑於此，業界仍需一種液態甲醇燃料，可進行完全的燃燒，同時提供穩定且持續的火燄。本發明之發明人研究後發現，添加一起燃增進劑於甲醇中所提供的甲醇燃料，在無須使用明火的情況下即可迅速點燃且進行順暢的燃燒，特別有用於使用電子點燃器的爐具。

本發明之目的在於提供一種液態燃料組合物，其係包含：甲醇；一起燃增進劑，其係一高揮發性烴類；一穩定劑，其係一酮類、醚類、分子量低於約5,000道耳吞之聚 合物、或其組合；以及一熱交換增進劑，其係可溶於甲醇且熱傳導係數在0.20至0.65W/M-K之高熱傳導物質。

於本發明液態燃料組合物中，以甲醇重量計，該起燃增進劑的含量係至少約1重量%，該穩定劑之含量係0至約5重量%，且該熱交換增進劑的含量係0至約15重量%。其中，該起燃增進劑較佳係選自以下群組：液態石油氣(LPG)、丙烷、丁烷、戊烷、己烷、石油、煤油、柴油及其組合。

於本發明液態燃料組合物中，若存在穩定劑，則可持續提供更穩定之燃燒，該穩定劑係一酮類、醚類、分子量低於約5,000道耳吞之聚合物、或其組合。較佳地，以甲醇重量計，穩定劑之含量係約0.5重量至約5重量%。此外，於本發明液態燃料組合物中，若存在熱交換增進劑，則可提升火燄中氣態流體的淨熱傳導性(net thermal conductivity)，增進燃料的熱效率，該熱交換增進劑係一可溶於甲醇且熱傳導係數在0.20至0.65W/M-K之高熱傳導物質。較佳地，以甲醇重量計，熱交換增進劑之含量為約1重量%至約15重量%。

本發明之詳細技術內容及部分具體實施態樣，將描述於以下內容中，以供本發明所屬領域具通常知識者據以明瞭本發明之特徵。

以下將描述根據本發明之部分具體實施態樣；惟，在不背離本發明精神下，本發明尚可以多種不同形式之態樣來實踐，不應將本發明保護範圍解釋為限於說明書所陳述者。此外，除非文中有另外說明，於本文中(尤其是在後述專利申請範圍中)所使用之「一」、「該」及類似用語應理解為包含單數及複數形式。本發明係提供一種液態燃料組合物，其特徵在於在甲醇中至少額外添加一起燃增進劑，該起燃增進劑係一高揮發性烴類，且以甲醇重量計，起燃增進劑的含量係至少約1重量%。

咸知，為點燃一燃料，必須使燃料的氣相濃度高於其低可燃性限度(lower flammability limit，LFL)且低於其高可燃性限度(Upper flammability limit，UFL)，同時供應一起燃能量以使氣態燃料的溫度超過自動起燃溫度，以於該高溫度下連續地進行活化作用並持續地燃燒。就甲醇而言，其沸點為64.5℃，故於常溫下係呈液態，液態甲醇轉變成氣態甲醇所需的能量則為1,180千焦耳/公斤(即汽化熱)；在足夠的汽化能量下，當甲醇的氣相濃度超過其LFL時(即7.3%，參C.L.Yaws，Chemical Properties Handbook，p.563)，若可提供甲醇所需的最低起燃能量(即0.13毫焦耳)，便可點燃甲醇；氣態甲醇燃燒時所釋放出的燃燒熱可提供熱量給液態甲醇以進行汽化，從而產生更多的氣態甲醇，並持 續將更多的氧原子活化為氧自由基，供燃燒反應鏈中之氧化作用所用，以持續產生火焰。

然而，甲醇的閃點(指可燃性液體揮發出的蒸汽在與空氣混合形成可燃性混合物並達到一定濃度之後，遇火源時能夠閃爍起火的最低溫度)係約11℃，當周圍溫度較低或接近該閃點時，甲醇難以汽化達到其LFL。此外，即使於室溫下，當液態甲醇流至爐具的燃燒頭時，通常也未能有充分的時間吸收足夠的能量以汽化並達到其LFL。因此，根據實際經驗，於18℃的操作環境中，通常需等待約30至50秒的時間方能產生足夠的甲醇氣相濃度，達到其LFL後進行連續燃燒。

本發明之發明人研究後發現，於甲醇中添加少量的起燃增進劑(即，一高揮發性烴類)，可改善甲醇不易點燃的問題，縮短起燃時間。於本文中，所謂「高揮發性烴類」通常係指於一標準狀態下(20℃與1大氣壓)下，蒸氣壓大於約15千帕的烴類。進一步而言，與甲醇相比，本文所用之「高揮發性烴類」之閃點、汽化熱及/或LFL的數值相對較低。

於不受理論限制下，咸信於本發明液態燃料組合物中所使用的起燃增進劑可少量地溶解於液態甲醇中，形成均勻的燃料混合物，當液態燃料組合物流經爐具的燃燒頭時，所溶解的高揮發性烴類因其低閃點與低汽化熱而較易汽化且因其低LFL而較易達到LFL，可搭配使用電子起燃器來供應起燃能量，使液態燃 料組合物可迅速地點燃並持續燃燒，而無須等待汽化足夠量甲醇以達所需氣相濃度的時間。另一方面，由於所用的起燃增進劑係一高揮發性烴類，故可在儲存本發明液態燃料組合物的容器(如：儲存罐)中提供部分壓力，有助於推送甲醇燃料進料至爐具。

以往雖有教導使用不溶性氣體(如空氣、氮氣、或氫氣)於液態燃料儲存罐中以提供部分壓力，但並非如本發明之起燃增進劑可至少少量地溶解於甲醇燃料中，以增進燃料的起燃。再者，於已知使用不溶性氣體以提供部分壓力的態樣中，隨著液態燃料之輸送，儲存罐中燃料液面下降，液面上的空間體積增加，這使得液面上之不溶性氣體可提供的壓力漸漸消逝(P=nRT/V)。然而，於本發明中，由於起燃增進劑係部分溶解且儲存在液態燃料中而形成一均勻溶液，故當液態燃料流出儲存罐且液面上之空間體積增加時，部分溶解在液態燃料中的起燃增進劑將揮發出來而於液面上維持一大致恆定之壓力，從而得以免除儲存罐中之壓力漸漸消逝的問題。

根據本發明之液態燃料組合物，係使用具有低LFL、低閃點及/或低汽化熱的高揮發性烴類作為起燃增進劑，通常係選用溶解於甲醇中的量(以甲醇重量計)係至少約1重量%的化合物，例如可選自以下群組：液態石油氣(LPG)、丙烷、丁烷、戊烷、己烷、石油、煤油、柴油及其組合。較佳地，係於本發明之液態燃料組合物中使用LPG、丁烷及/或其組合作為起燃增進 劑。其中，於標準狀況下，LPG的蒸氣壓為約1400千帕、閃點為約-60℃、LFL為約1.9%且汽化熱為約415千焦耳/公斤；丁烷的蒸氣壓為約172.3千帕、閃點為約-60℃、LFL為約1.9%且汽化熱為約387千焦耳/公斤。

在本發明中，起燃增進劑於液態燃料組合物中的使用量係視起燃增進劑之種類、操作壓力及環境溫度等各項因素而定。舉例言之，甲醇燃料爐具的操作壓力通常控制在表壓(gauge pressure)0.5至2大氣壓的範圍，若使用的起燃增進劑的沸點較低或者環境溫度較高時，一般係添加相對少量的起燃增進劑。此外，於相對低溫之環境下(如亞熱帶或寒帶國家)操作時，起燃增進劑的添加量則會提高。

於本發明液態燃料組合物中，若起燃增進劑的添加量過低，則無法發揮迅速起燃的效果，反之若添加量過高，則提高生產成本，且容易燃燒不完全產生紅黃色火燄(燃燒完全應呈藍色火焰)。因此，根據本發明，以甲醇重量計，起燃增進劑的添加量通常係至少約1重量%，如約1重量%至約8重量%。於本發明部分實施態樣中，起燃增進劑之含量係甲醇含量的約4重量%至約8重量%。

除起燃增進劑之外，本發明之液態燃料組合物可視需要包含一穩定劑，其極性係介於甲醇與起燃增進劑之間(即，穩定劑之極性較甲醇低、但較起燃增進劑高)，以進一步提升燃燒 品質。舉例言之，可於本發明液態燃料組合物中使用例如酮類、醚類、分子量低於約5,000道耳吞之聚合物、或其組合作為穩定劑。於根據本發明之部分實施態樣，係使用丙酮、甲基乙基酮(MEK)、二甲基醚(DME)、二乙二醇(DEG)、分子量低於約5,000道耳吞的聚乙二醇(PEG)、分子量低於約5,000道耳吞且於主幹上含親水性官能基的聚合物(如聚丙烯醇(PPG))、或其組合作為穩定劑，其中該親水性官能基係選自以下群組：醚基、酯基、胺基、羧基(-COOH)、巰基(-SH)、及其組合。於根據本發明之部分具體實施態樣中，係使用丙酮及/或甲基乙基酮作為穩定劑。

特定言之，於本發明液態燃料組合物中，作為起燃增進劑之「高揮發性烴類」的閃點、汽化熱及/或LFL的數值係較甲醇相對較低。因此，當本發明之液態燃料組合物流至燃燒頭時，由於甲醇的汽化速度比起燃增進劑的汽化速度要慢，尤其是在溫度較高的操作環境下，可能發生火燄不穩定或突然過大的狀況。針對此一問題，本發明之發明人發現，透過添加少量的穩定劑，將起燃增進劑穩定於甲醇中，可避免上述火燄不穩定之缺陷，使燃燒更為順暢。於不受理論限制下，咸信所使用之具有較甲醇為低之電子極性的穩定劑，可作為起燃增進劑(非極性烴類)與甲醇(極性物質)二者之間的溶解橋樑或助劑，使高揮發性之起燃增進劑不會因為外界溫度或壓力的升降而逸失，避免燃燒火焰突然過大或不穩定之情形。舉例言之，於室溫下，若添加5重量%的 LPG(起燃增進劑)於甲醇中，會產生表壓1.5公斤/平方公分的LPG蒸汽壓力(絕對壓力為2.5公斤/平方公分)，而在加入適量丙酮(穩定劑)之後，表壓將降為1.25公斤/平方公分。此說明，添加使用丙酮，不但可將LPG穩定於甲醇中，使溶解在甲醇中的LPG量略微增加，更有助於燃料的起燃。

經發現，於本發明燃料組合物中，若穩定劑含量太低，則無法提供穩定的效果，反之若含量太高，會增加燃料成本且造成浪費，更可能影響起燃增進劑本身的助燃效果。因此，當於本發明燃料組合物中使用穩定劑時，其含量以甲醇的重量計，通常係約0.5重量%至約5重量%，較佳係約1重量%至約3重量%。附帶一提，在溫度較低的操作環境(如寒帶地區)，起燃增進劑逸失的機會較低，故可視需要減少穩定劑的用量。

根據本發明之液態燃料組合物，可視需要更包含一熱交換增進劑。皆知，在甲醇燃料燃燒形成火焰時，燃料係經氧化作用形成火焰中大部分的水蒸氣、二氧化碳、以及少量未燃燒的甲醇燃料。當以此甲醇燃料加熱鍋具或透過鍋具加熱其所承裝之物質時，火燄中的氣態流體會沿著鍋具的底部形成一層狀薄層，該薄層之熱傳導性將影響火焰至鍋具之熱量傳導，當薄層的熱傳導性越高，則燃料對所加熱物件的熱效率也越高。本發明之發明人研究後發現，添加一熱交換增進劑於液態燃料組合物中，可提升火燄中氣態流體的淨熱傳導性(net thermal conductivity)， 增進燃料的熱效率。

根據本發明，可使用任何合宜的熱交換增進劑。適用於本發明的熱交換增進劑通常係選自具有以下特定性質的物質：與甲醇互溶、容易汽化、熱傳導係數高、不易殘留在爐具或鍋具上。基於使用上之考量，宜採用可溶於甲醇且其熱傳導係數在0.20至0.65W/M-K之高熱傳導物質作為熱交換增進劑。較佳地，該熱交換增進劑係選自以下群組：乙二醇、甘油、乙烯二胺、水及其組合。

須注意者，要控制熱交換增進劑於本發明燃料組合物中的添加量，以避免熱交換增進劑於燃料組合物實際使用時，消耗過多的甲醇燃料燃燒所釋放出來的熱，降低燃燒效率。以水為例說明，水轉變為水蒸汽的汽化熱為2,367千焦耳/公斤(300K下)，幾乎為甲醇汽化熱(1,180千焦耳/公斤，300K下)的二倍，故宜避免水的汽化作用占用太多甲醇燃料燃燒所釋放的熱，反而降低了燃燒效率。因此，當於本發明組合物使用熱交換增進劑時，以甲醇重量計，熱交換增進劑的添加量通常係約1重量%至約15重量%，較佳約3重量%至約10重量%；於前述之用量範圍，可避免熱交換增進劑浪費太多熱於其汽化作用中，同時可達成高效率之火燄至鍋具間的熱交換。

此外，本發明之發明人意外發現，當以高熱傳導液體如甘油，乙二醇或水作為熱交換增進劑時，其添加使用另有縮 短起燃時間的功能。於不受理論限制下，咸信該功能係歸功於起燃增進劑如LPG在含水的甲醇燃料中溶解度降低，導致燃料儲存罐中同量的起燃增進劑溶入甲醇的量減少而氣態的壓力增高，因此當燃料流至燃燒頭時，降低的起燃增進劑溶解度使得起燃增進劑快速蒸發，增加起燃增進劑分壓而著火的能力，快速引燃較大量甲醇的燃燒，縮短起燃時間。

根據本發明，使用起燃增進劑以及視需要的穩定劑與熱交換增進劑於液態甲醇燃料中，可提供一可迅速點燃且可順暢燃燒的液態燃料組合物，有用於各式爐具，特別是使用電子點燃器的爐具，如家用瓦斯爐。於本發明一較佳具體實施態樣中，係於一家用爐具中使用具以下成分與用量的液態燃料組合物：甲醇以及，以甲醇重量計，約4重量%至約6重量%之LPG作為起燃增進劑、約1重量%至約3重量%之甲基乙基酮作為穩定劑、與約3重量%至約10重量%之水做為熱交換增進劑。

茲以下列實施例進一步例示說明本發明。其中該等 實施例僅提供作為說明，而非用以限制本發明之保護範圍。本發 明保護範圍係如後附申請專利範圍所示。

實施例

以後附表1至表5所列用量，混合甲醇及/或穩定劑、熱交換增進劑並裝填於一燃料儲存罐中，再添加起燃增進劑以調整儲存罐中的壓力達到0.2至1.5公斤/平方公分(表壓)。接著，將 裝有水的鍋具置於一爐具上，爐具係與上述燃料儲存罐連通。正式實驗開始之前，先調整流量控制閥以設定燃料流速(F)(控制在10至20公克/分鐘)。

開啟燃料儲存罐出料口，使燃料流經流量控制閥後到達爐具之燃燒頭，此時打開電子點燃器提供電子火花以點燃燃料，紀錄火焰出現到平穩的時間並定義為起燃時間θ(以秒為單位)。

利用下式計算重量為W(W=2公斤)的水升溫至95℃所耗用燃料的實際提供的燃燒熱能Qc(單位為千焦耳)：Qc=F×ψ×△H其中，F為燃料流速(單位為公斤/秒)；ψ為使水的溫度由室溫RT(單位為℃)升到95℃的時間(單位為秒)(即，火焰平穩後，放置裝有水的鍋具於爐具上後開始計算)；△H為燃料的燃燒值(heat of combustion)(單位為千焦耳/公斤)，各燃料的燃燒值如下所示：LPG：46,100

丁烷：49,600

甲基乙基酮：33,890

甲醇：19,940

4重量%LPG溶於甲醇中：20,980

8重量%LPG溶於甲醇中：22,030

4重量%丁烷溶於甲醇中：21,126

2重量%水溶於甲醇中且含有4重量%LPG：20,560

4重量%水溶於甲醇中且含有4重量%LPG：20,140

8重量%水溶於甲醇中且含有4重量%LPG：19,300

1重量%甲基乙基酮溶於甲醇中且含有4重量%LPG：20,277

重量為W的水由其起始溫度T_o升溫至95℃所需要耗用的理論燃燒熱Qt(單位為千焦耳)係經由下式計算而得：Qt=Cp×(95-To)×W其中，Cp為4.1868千焦耳/公斤．K；W為水重量(單位為公斤)；To為水的起始溫度。

接著，將Qt除以Qc即可計算獲得熱效率η。所得結果係列於下表1至表6中。

由表1至表5中的結果數據可知，添加少量的起燃增進劑於甲醇燃料中，可使燃料組合物迅速起燃，再額外添加少量穩定劑，可將起燃增進劑穩定於甲醇中，有助於燃燒順暢(平穩且穩定的火焰)。此外，於甲醇燃料中添加少量熱交換增進劑，可進一步提升燃料的熱效率。

接著，測試穩定劑甲基乙基酮對耗用甲醇燃料時儲存罐內氣態LPG壓力的變動數據，結果如表6所示。

由表6結果數據可知，隨著甲醇燃料的耗用，儲存桶內起燃增進劑LPG的壓力逐漸下降，而當加入2重量%的穩定劑甲 基乙基酮之後，LPG壓力的下降幅度趨緩。此說明，穩定劑有助於穩定起燃增進劑的壓力，使得甲醇燃料中的起燃增進劑可維持在較高的濃度來幫助燃燒。

另外，測試LPG溶於甲醇、甲基乙基酮之壓力及溶解度，觀察甲基乙基酮對穩定氣態LPG的效益，結果如下表7所示。

由表7結果數據可知，在相同壓力下，LPG於甲基乙基酮的溶解度較高，此再次說明甲基乙基酮確實有其穩定的功效。

以表8中所列穩定劑種類與用量製備液態燃料組合 物，觀察其燃燒的啟動時間以及各穩定劑對LPG在甲醇中的影響。

上述僅為例示本發明之實施例，不應以此限定本發明。任何參照本發明申請專利範圍及說明書內容所作之簡單變化，皆屬於本發明所涵蓋的範圍。

Claims (12)

1. 一種液態燃料組合物，其係包含：甲醇；一起燃增進劑，其係LPG、丁烷或其組合；一穩定劑，其係一酮類、醚類、分子量低於5,000道耳吞之聚合物、或其組合；以及一熱交換增進劑，其係可溶於甲醇且熱傳導係數在0.20至0.65W/M-K之高熱傳導物質，其中，以甲醇重量計，該起燃增進劑的含量係4重量%至8重量%，該穩定劑之含量係0至5重量%，且該熱交換增進劑的含量係0至15重量%。
2. 如請求項1所述之液態燃料組合物，其中該穩定劑係選自以下群組：丙酮、甲基乙基酮(MEK)、二甲基醚(DME)、二乙二醇(DEG)、分子量低於5000道耳吞的聚乙二醇(PEG)、分子量低於5000道耳吞且於主幹上含親水性官能基的聚合物、及其組合。
3. 如請求項2所述之液態燃料組合物，其中該分子量低於5000道耳吞且於主幹上含親水性官能基之聚合物的親水性官能基係選自以下群組：醚基、酯基、胺基、羧基(-COOH)、巰基(-SH)、及其組合。
4. 如請求項2所述之液態燃料組合物，其中該分子量低於5000道耳吞且於主幹上含親水性官能基的聚合物係聚丙烯醇(PPG)。
5. 如請求項1至4中任一項所述之液態燃料組合物，其中，以甲醇 重量計，該穩定劑之含量係0.5重量至5重量%。
6. 如請求項5所述之液態燃料組合物，其中，以甲醇重量計，該穩定劑含量係1重量%至3重量%。
7. 如請求項1所述之液態燃料組合物，其中，該熱交換增進劑係選自以下群組：乙二醇、甘油、乙烯二胺、水及其組合。
8. 如請求項1所述之液態燃料組合物，其中，該熱交換增進劑係水。
9. 如請求項1、7或8所述之液態燃料組合物，其中，以甲醇重量計，該熱交換增進劑的含量係1重量%至15重量%。
10. 如請求項9所述之液態燃料組合物，其中，以甲醇重量計，該熱交換增進劑的含量係3重量%至10重量%。
11. 如請求項1所述之液態燃料組合物，其係包含甲醇以及，以甲醇重量計，4重量%至6重量%之LPG作為起燃增進劑、1重量%至3重量%之甲基乙基酮作為穩定劑、與3重量%至10重量%之水做為熱交換增進劑。
12. 一種燃料儲存罐，其包含如請求項1至11中任一項所述之燃料組合物。