WO2008113404A1

WO2008113404A1 - Kraftstoffzusammensetzung, verfahren zum herstellen von kraftstoffen sowie verwendung einer kraftstoffzusammensetzung

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Publication number: WO2008113404A1
Application number: PCT/EP2007/052533
Authority: WO
Inventors: Wolfgang Brommer-Reuss
Original assignee: Isi Umwelttechnik Gmbh
Priority date: 2007-03-16
Filing date: 2007-03-16
Publication date: 2008-09-25
Also published as: DE112007003390A5

Abstract

Mit einer Kraftstoffzusammensetzung, insbesondere für Dieselmotoren, die Alkane und veresterte Fettsäuren enthält, läßt sich ein hoher Flächenertrag bei der Erzeugung aus nachwachsenden Rohstoffen erzielen, wobei die Kraftstoffzusammensetzung bis minus 20° Celsius gebrauchsfertig ist, bei der Verbrennung eine reduzierte Schadstoffemission aufweist, aromatenfrei ist, keine schädigenden Einwirkungen auf Elastomere und ferner eine gute Schmierfähigkeit aufweist, und darüber hinaus die DIN EN 590 erfüllt, wenn 45 bis 75 Volumenprozent aus Biomasse, Biogas und/oder Erdgas hergestellte Alkane mit einer Kettenlänge von 10 bis 16 Kohlenstoffatomen (C10 bis C16), 15 bis 45 Volumenprozent aus Öl, insbesondere aus pflanzlichem Öl, mit Fettsäuren, die 8 bis 18 Kohlenstoffatome (C8 bis C18) enthalten, durch Verestern und/oder Umestern mit 2-Ethylhexanol hergestellte Fettsäure-2-Ethylhexylester und 10 bis 30 Volumenprozent Wasser in Form einer Emulsion enthält.

Description

Beschreibung

Kraftstoffzusammensetzung, Verfahren zum Herstellen von Kraftstoffen sowie Verwendung einer Kraftstoffzusammensetzung

[0001] Die Erfindung betrifft eine Kraftstoffzusammensetzung, insbesondere für Dieselmotoren, die Alkane und veresterte Fettsäuren enthält.

[0002] Dieselkraftstoff aus Mineralöl ist ein Mitteldestillat der fraktionierten Destillation aus Alkanen C₁₀ bis C₂₂ und aromatischen Kohlenwasserstoffen mit einem Siedebereich von 170° Celsius bis 390° Celsius. Für solchen Dieselkraftstoff gilt die DIN EN 590. Diesem Dieselkraftstoff werden zur Reduzierung des Erdölverbrauchs und der CO₂-Emission sogenannte FAME - Fatty Acid Methyl Ester - zugesetzt. Diese FAME sind pflanzliche Öle, die mit Methanol verestert sind.

[0003] Die langkettigen Alkane C₁₇ bis C₂₂ des Dieselkraftstoffes weisen einige negative Eigenschaften auf. Mit einem Schmelzpunkt von 21° Celsius bis 42° Celsius bilden diese langkettigen Alkane bei niedrigen Temperaturen Flocken, die die Kraftstoffilter blockieren können. Weiterhin sind diese langkettigen Alkane bei der Verbrennung maßgeblich am Rußpartikelausstoß beteiligt. Diese Rußpartikel werden zusätzlich mit den Verbrennungsrückständen der aromatischen Kohlenwasserstoffe beladen. Diese beladenen Rußpartikel werden eingeatmet und sind aufgrund ihrer Lungengängigkeit schädlich. Die zugemischten veresterten pflanzlichen Öle FAME weisen gegenüber einigen Elastomeren schädliche Wirkungen auf. Die Schädigung von Elastomeren, wie sie in Schläuchen und Dichtungen verwendet werden, nimmt mit zunehmender Konzentration von FAME im Dieselkraftstoff zu. Die Schädigungen lassen sich als Quellungen und Zersetzungen bis zur vollständigen Auflösung von Elastomeren nachweisen. Diese Schädigungen rühren zum Teil daher, daß FAME hervorragende Lösungsmitteleigenschaften haben, so daß sie Weichmacher und andere Additive aus den Elastomeren herauslösen.

[0004] Ein weiteres Problem bei der Verwendung von FAME ist, daß deren CFPP (CoId Filtering Plugging Point) hoch ist, so daß die Gebrauchsfähigkeit bei niedrigen Temperaturen nicht gegeben ist. Auch bei der Verwendung von FAME kann es zu einem Blockieren der Kraftstoffilter kommen. Um zumindest eine Verwendung bei niedrigen Temperaturen zu realisieren, werden deshalb dem Dieselkraftstoff Fließ verbesserer als Additiv zugemischt.

[0005] Die US 2004/0154219 Al gibt eine Kraftstoffzusammensetzung an, bei der einem Anteil von mehr als 65% konventionellem Dieselkraftstoff maximal 20 Volumenprozent Ethanol beigemischt werden, wobei maximal 15% eines Koppelmittels vorgesehen sind, damit sich der Dieselkraftstoff mit dem Ethanol mischt. Als problematisch bei dieser Kraftstoffzusammensetzung wird die Wasserverträglichkeit eingeschätzt.

[0006] Eine weitere Kraftstoffzusammensetzung, bei der konventioneller Dieselkraftstoff durch Bestandteile aus nachwachsenden Rohstoffen ersetzt wird, ist in der DE 600 24 474 T2 beschrieben. Dort ist eine Kraftstoffzusammensetzung angegeben, bei der zwischen 5 und 100% der Kohlenwasserstoffe einer

Kraftstoffzusammensetzung durch organische, Sauerstoff enthaltende Komponenten aus mindestens vier verschiedenen Stoffgruppen ersetzt ist. Bei den hier beschriebenen Zusammensetzungen wird eine Verbesserung der Wasserverträglichkeit auf mindestens 1% angegeben.

[0007] Das der Erfindung zugrundeliegende Problem ist es, eine

Kraftstoffzusammensetzung, insbesondere für Dieselmotoren, anzugeben, mit der sich ein hoher Anteil von Komponenten aus nachwachsenden Rohstoffen erzielen läßt, der in seiner Zusammensetzung und Eigenschaft bei niedrigen Temperaturen bis minus 20° Celsius gebrauchsfertig ist, der bei der Verbrennung eine reduzierte Rußpartikelemission aufweist, schwefelfrei und aromatenfrei ist und keine schädigenden Einwirkungen auf Elastomere aufweist, wobei eine gute Schmierfähigkeit gegeben sein soll. Ferner ist es bei der anzugebenden Kraftstoffzusammensetzung wünschenswert, wenn die DIN EN 590 erfüllt wird und somit die Kraftstoffzusammensetzung in allen Dieselmotoren verwendet werden kann.

[0008] Das Problem wird erfindungsgemäß durch eine Kraftstoffzusammensetzung der eingangs genannten Art gelöst, enthaltend 45 bis 75 Volumenprozent aus Biomasse, Biogas und/oder Erdgas hergestellte Alkane mit einer Kettenlänge von 10 bis 16 Kohlenstoffatomen (C₁₀ bis C₁₆), 15 bis 45 Volumenprozent aus Öl, insbesondere aus pflanzlichem Öl, mit Fettsäuren, die 8 bis 18 Kohlenstoffatome (C₈ bis C₁₈) enthalten, durch Veresterung und/oder Umesterung mit 2-Ethylhexanol hergestellte Fettsäure- 2-Ethylhexylester, und 10 bis 30 Volumenprozent Wasser in Form einer Emulsion.

[0009] Die beschriebene Kraftstoffzusammensetzung weist weder Aromaten noch langkettige Kohlenwasserstoffe auf, so daß hier die Schadstoffemission, insbesondere von Rußpartikeln, bereits massiv reduziert ist. Der hohe Anteil an Wasser führt zudem zu einer erheblichen Verbesserung der Verbrennungseigenschaften. Die Alkane C₁₀ bis C₁₆ reduzieren die Rußpartikelemission erheblich. Aufgrund fehlender aromatischer Kohlenwasserstoffe kann eine Beladung der Rußpartikel mit deren schädlichen Verbrennungsrückständen nicht stattfinden. Die Fettsäure-2-Ethylhexylester weisen darüber hinaus keine schädigenden Eigenschaften auf Elastomere auf und sind bis minus 20° Celsius gebrauchsfähig. Darüber hinaus ergibt sich eine gute Schmierfähigkeit mit einem HFRR von 219 ym. Bereits ein Anteil der Fettsäure - 2-Ethylhexylester von 0,1 bis 1 Volumenprozent bietet dabei eine hervorragende Schmierfähigkeit. Weiterhin weist die Mischung bei der Verbrennung eine reduzierte Kohlenmonoxid-, Kohlendioxid und HC-Emission auf. Die NOx-Emission wird durch die Wasseremulsion erheblich abgesenkt. Insbesondere bei der Herstellung der Alkane aus Biomasse lassen sich sowohl die auf der landwirtschaftlichen Nutzfläche hergestellten pflanzlichen Öle als auch die dabei anfallenden Biomassen zur Herstellung der Kraftstoffzusammensetzung verwenden. Auf diese Weise läßt sich ein deutlich optimierter Ertrag pro Hektar landwirtschaftlicher Nutzfläche erzielen.

[0010] Bei einer Weiterbildung der Erfindung weist die Kraftstoffzusammensetzung Fettsäure-2-Ethylhexylester mit überwiegend gesättigten Fettsäuren auf. Diese gesättigten Fettsäuren haben besonders gute Verbrennungseigenschaften und eine hohe Langzeitstabilität.

[0011] Eine andere Weiterbildung der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß die Fettsäure-2-Ethylhexylester etwa je zur Hälfte Fettsäuren mit 16 bzw. 18 Kohlenstoffatomen aufweisen, vorzugsweise 47 Volumenprozent gesättigte Palmitinsäure Ci₆H₃₂O₂, 6 Volumenprozent gesättigte Octadecansäure Ci₈H₃₆O₂ und 44 Volumenprozent einfach ungesättigte Oleinsäure Ci₈H₃₄O₂, insbesondere aus Palmöl. Die Verwendung derartigen Palmöls als Rohstoff ist besonders vorteilhaft, da sich einerseits eine geringe Schadstoffbelastung der so ausgebildeten Kraftstoffzusammensetzung ergibt und andererseits der Flächenertrag an Palmöl und Biomasse besonders hoch ist.

[0012] Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weisen die Alkane eine

Kettenlänge von 10 bis 13 Kohlenstoffatomen (Ci₀ bis Ci₃) auf. Diese verhältnismäßig kurzkettigen Kohlenwasserstoffe bilden bei der Verbrennung wenig Rußpartikel und sind auch bei tiefen Temperaturen ohne Additive gebrauchsfähig.

[0013] Es ist außerdem von Vorteil, wenn in der Kraftstoffzusammensetzung 20 bis 30 Volumenprozent, vorzugsweise 25 bis 30 Volumenprozent, insbesondere 27 Volumenprozent, Wasser enthalten sind. Eine Wasserkonzentration von 27% reduziert abhängig vom Lastverhalten die Rußbildung um bis zu 90% und die NOx-Emission um 30 bis 60%. Das Wasser kann unter Verwendung von ionischen und/oder nicht ionischen Tensiden emulgiert werden. Vorzugsweise liegt das Wasser in Form einer Mikroemulsion vor. Diese Mikroemulsion ist besonders langzeitstabil. Es ist aber auch möglich, daß das Wasser in Form einer Kolloiddispersion vorliegt. [0014] Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft die Verwendung einer

Kraftstoffzusammensetzung mit den Erfindungsmerkmalen zum Betreiben von

Dieselmotoren, Gasturbinenmotoren oder Turbinen-Luftstrahl-Triebwerken. [0015] Nachfolgend werden beispielhaft einige Kraftstoffzusammensetzungen aufgeführt, mit denen sich gute Ergebnisse erzielen lassen, ohne daß die Erfindung auf diese

Beispiele beschränkt sein soll. [0016] Beispiel 1: [0017] 18 Vol.-% Wasser in Emulsion

[0018] 15 Vol.-% Fettsäure-2-Ethylhexylester

[0019] 67 Vol.-% Alkane C₁₀ bis C₁₆

[0020] Dichte (15°C) = 845 kg/m³ [0021 ] Reduzierung Ruß bis 80% [0022] Reduzierung NOx 20 bis 50% [0023] Beispiel 2: [0024] 10 Vol.-% Wasser in Emulsion

[0025] 20 Vol.-% Fettsäure-2-Ethylhexylester

[0026] 70 Vol.-% Alkane C₁₀ bis C₁₆ [0027] Dichte (15°C) = 832 kg/m³ [0028] Reduzierung Ruß bis 50% [0029] Reduzierung NOx 10 bis 20% [0030] Beispiel 3: [0031] 10 Vol.-% Wasser in Emulsion

[0032] 15 Vol.-% Fettsäure-2-Ethylhexylester

[0033] 75 Vol.-% Alkane C₁₀ bis C₁₆ [0034] Dichte (15°C) = 829 kg/m³ [0035] Reduzierung Ruß bis 50% [0036] Reduzierung NOx 10 bis 20% [0037] Beispielhaft wird nachfolgend ein Verfahren zum Herstellen von Fettsäure-

2-Ethylhexylestern beschrieben, ohne daß die Erfindung auf dieses Verfahren beschränkt sein soll. Dem Fachmann auf dem Gebiet sind andere Verfahren geläufig. [0038] Die Fettsäure-2-Ethylhexylester werden in einer Reaktiv-Destillationskolonne mit

14 Böden unter Verwendung von 2-Ethylhexanol und einem Katalysator hergestellt.

Der Katalysator besteht aus getrocknetem Zirkoniumhydroxid, welches mit Schwefelsäure getränkt und danach calziniert wird. Die Fettsäuren werden am Kolonnenkopf mit einer Temperatur von 110° Celsius eingespeist. Das 2-Ethylhexanol wird am Kolonnenboden mit 147° Celsius eingespeist. Die Reaktion findet bei einem Druck von 32 kPa statt. Das Wasser wird am Kolonnenkopf abgezogen, kondensiert, im Dekanter separiert und entfernt. Das Sumpfprodukt gelangt in den Verdampfer, welcher unter einem Druck von 3,2 kPa den nicht umgesetzten Alkohol separiert und in den Prozeß zurückführt. Am Boden des Verdampfers werden die Fettsäure- 2-Ethylhexylester abgezogen und gekühlt.

[0039] Es wird nachfolgend ein Verfahren angegeben, mit dem sich Alkane aus Biomasse erzeugen lassen. Die Erfindung soll nicht auf dieses beispielhaft aufgeführte Verfahren beschränkt sein. Dem Fachmann sind weitere Verfahren geläufig.

[0040] Die Alkane Ci₀ bis Ci₆ werden durch Vergasung und Fischer- Tropsch-Synthese aus Biomasse mit einer Restfeuchte von max. 15% hergestellt. Die Biomasse wird zerkleinert und bei 450° Celsius vergast. Das Schwelgas ist teerhaltig und hat einen hohen Heizwert. Der erzeugte Schwelkoks wird gemahlen und in der zweiten Stufe in einer Flamme aus Schwelgas mit Sauerstoff bei 1400° Celsius zu einem teerfreien Synthesegas mit geringem Methananteil umgesetzt. Dieses Rohgas wird nach Abkühlung, Entstaubung, CO₂-Entfernung und einer Anreicherung mit Wasserstoff der Fischer-Tropsch-Synthese zugeführt. Die Alkane werden danach in eine Destillationskolonne eingespeist und in die Fraktionen LPG (Flüssiggas), Rohbenzin, Kerosin, Gasöl und Parafine getrennt. Das Kerosin und das Gasöl werden für die Kraftstoffherstellung verwendet. Der Ertrag an Kerosin und Gasöl beläuft sich auf ca. 153 kg pro Tonne Biomasse.

[0041] Eine Ertragssteigerung auf ca. 260 kg pro Tonne Biomasse ist möglich, wenn das entfernte Kohlendioxid mittels der Fischer-Tropsch-Synthese und einer Anreicherung mit Wasserstoff an einem FE- Katalysator umgesetzt wird und vorher das H₂O durch eine H₂O-selektive Membran aus dem Prozeß entfernt wird. Ertragsbestimmend ist dabei der prozentuale organische Anteil der Biomasse.

Claims

Ansprüche

[0001] Kraftstoffzusammensetzung, insbesondere für Dieselmotoren, enthaltend 45 bis

75 Volumenprozent aus Biomasse, Biogas und/oder Erdgas hergestellte Alkane mit einer Kettenlänge von 10 bis 16 Kohlenstoffatomen (C ₁₀ bis C₁₆), 15 bis 45 Volumenprozent aus Öl, insbesondere aus pflanzlichem Öl, mit Fettsäuren, die 8 bis 18 Kohlenstoffatome (C₈ bis C₁₈) enthalten, durch Verestern und/oder Umestern mit 2-Ethylhexanol hergestellte Fettsäure-2-Ethylhexylester, und 10 bis 30 Volumenprozent Wasser in Form einer Emulsion.

[0002] Kraftstoffzusammensetzung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die

Fetts äure-2-Ethylhexylester überwiegend gesättigte Fettsäuren aufweisen.

[0003] Kraftstoffzusammensetzung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Fettsäure-2-Ethylhexylester etwa je zur Hälfte Fettsäuren mit 16 bzw. 18 Kohlenstoffatomen aufweisen, vorzugsweise 47 Volumenprozent gesättgte Palmitinsäure C₁₆H₃₂O₂, 6 Volumenprozent gesättgte Octadecansäure C ₁₈H₃₆O₂ und 44 Volumenprozent einfach ungesättgte Oleinsäure C ₁₈H₃₄O₂, insbesondere aus Palmöl.

[0004] Kraftstoffzusammensetzung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Alkane eine Kettenlänge von 10 bis 13 Kohlenstoffatomen (C₁₀ bis C₁₃) aufweisen.

[0005] Kraftstoffzusammensetzung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß 20 bis 30 Volumenprozent, vorzugsweise 25 bis 30 Volumenprozent, insbesondere 27 Volumenprozent, Wasser enthalten sind.

[0006] Kraftstoffzusammensetzung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Wasser unter Verwendung von ionischen und/ oder nicht ionischen Tensiden emulgiert ist.

[0007] Kraftstoffzusammensetzung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Wasser in Form einer Mikroemulsion vorliegt.

[0008] Kraftstoffzusammensetzung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Wasser in Form einer Kolloiddispersion vorliegt.

[0009] Verfahren zum Herstellen von Kraftstoffen, insbesondere für Dieselmotoren, bei dem aus Biomasse, Biogas und/oder Erdgas Alkane mit einer Kettenlänge von 10 bis 16 Kohlenstoffatomen (C₁₀ bis C₁₆) hergestellt werden, aus Öl, insbesondere aus pflanzlichem Öl, mit Fettsäuren, die 8 bis 18 Kohlenstoffatome enthalten (C₈ bis C₁₈), durch Verestern und/oder Umestern mit 2-Ethylhexanol ein Fettsäure-2-Ethylhexylester hergestellt wird, eine Mischung aus 50 bis 83 Volumenprozent der hergestellten Alkane mit 17 bis 50 Volumenprozent eines oder mehrerer Fettsäure-2-Ethylhexylester hergestellt wird, und bei dem der Mischung zu 10 bis 30 Volumenprozent Wasser in Form einer Emulsion zugesetzt wird.

[0010] Verfahren nach Anspruch 9, bei dem zur Herstellung der Fettsäure-

2-Ethylhexylester Öl mit überwiegend gesättgten Fettsäuren verwendet wird.

[0011] Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, bei dem zur Herstellung der Fettsäure-

2-Ethylhexylester etwa je zur Hälfte Fettsäuren mit 16 bzw. 18 Kohlenstoffatomen verwendet werden, vorzugsweise 47 Volumenprozent gesättgte Palmitinsäure C ₁₆H₃₂O₂, 6 Volumenprozent gesättigte Octadecansäure C₁₈H₃₆O₂ und 44 Volumenprozent einfach ungesättgte Oleinsäure C ₁₈H₃₄O₂.

[0012] Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, bei dem zur Herstellung der

Fettsäure-2-Ethylhexylester Palmöl verwendet wird.

[0013] Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, bei dem aus Biomasse, Biogas und/oder Erdgas Alkane mit einer Kettenlänge von 10 bis 13 Kohlenstoff atomen (C₁₀ bis C₁₃) hergestellt werden.

[0014] Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 13, bei dem der Mischung zu 20 bis

30 Volumenprozent, vorzugsweise 25 bis 30 Volumenprozent, insbesondere 27 Volumenprozent, Wasser zugesetzt wird.

[0015] Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 14, bei dem das Wasser unter

Verwendung von ionischen und/oder nicht ionischen Tensiden emulgiert wird.

[0016] Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 15, bei dem das Wasser in eine

Mikroemulsion gebracht wird.

[0017] Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 16, bei dem das Wasser in eine

Kolloiddispersion gebracht wird.

[0018] Verwendung einer Kraftstoffzusammensetzung nach einem der Ansprüche 1 bis

8 zum Betreiben von Dieselmotoren, Gasturbinenmotoren sowie Turbinen- Luftstrahl-Triebwerken