Каталитическая композиция, увеличивающая сгорание топлива, топливная смесь с использованием этой композиции и способ сжигания топлива

 

Описывается композиция, увеличивающая сгорание углеводородных топлив, таких как LPG - сжиженный нефтяной газ, бензин и дизельное топливо, содержащая катализатор из окислов металлов, диспергированный в жидком органическом носителе, совместимом с топливом. Катализатор содержит смесь окиси хрома Cr₂O₃ и окиси кобальта Со₃О₄, а жидкий органический носитель в качестве растворителя содержит растворитель Стоддарда. Описывается топливная смесь, содержащая катализатор из окисла металла, выбранного из группы, состоящей из щелочноземельного металла и переходного металла, и носитель, содержащий растворитель Стоддарда совместно с, по меньшей мере, одной высокотемпературной смазкой, поверхностно-активным веществом и эмульгатором для диспергирования катализатора в растворителе и указанном топливе. Описывается также способ сжигания топлива с использованием названной каталитической композиции. Технический результат - практически полное сгорание топлива с целью снижения выбросов, связанных с неполнотой окисления, и при более низких температурах - для исключения образования NO_х. 3 с. и 7 з. п. ф-лы.

Область изобретения Изобретение относится к каталитической композиции, увеличивающей сгорание топлива, и способам ее получения и использования. Более того, изобретение относится к каталитической присадке, которую соединяют с топливом, таким как LPG (сжиженный нефтяной газ), бензин и легкое дизельное топливо, для более эффективного сгорания топлива с меньшими вредными выбросами, и к способам получения и использования присадки.

Описание релевантной технологии Заявитель ранее выпустил в продажу присадку, увеличивающую сгорание, в особенности, пригодную для карбюрированных LPG-сжигающих систем для двигателей внутреннего сгорания, таких как двигатели на вилочных погрузчиках и подобные. Эта присадка (добавка) известна под торговой маркой CGX-4®. Этот продукт содержит смесь высокотемпературной смазки, такой как легкое масло с высокой температурой вспышки, по меньшей мере, одно моющее вещество или поверхностно-активное вещество и, по меньшей мере, один эмульгатор, включая полярный растворитель, такой как один или более спиртов, в приемлемом органическом носителе, таком как растворитель Стоддарда.

Известна также каталитическая композиция, увеличивающая сгорание топлива, содержащая, по меньшей мере, один катализатор из окисла металла, диспергированный в совместимом с топливом жидком органическом носителе, включающем растворитель и эмульгатор для диспергирования катализатора из окисла металла в растворителе и топливе при добавлении в последнее (патент США N 5266082, МПК C 01 L 1/12, публ. 1993). Согласно указанному патенту в качестве углеводородного топлива используют бензин, а в качестве растворителя в известной композиции используют керосин. В указанном патенте описаны также топливная смесь, включающая в себя указанную известную каталитическую композицию, и способ сжигания топлива.

Использование известной каталитической композиции для такого вида топлива, как сжиженный нефтяной газ (LPG), является проблематичным в связи с тем, что LPG сильно отличается от бензина во многих отношениях, имея в том числе гораздо меньшую плотность и гораздо меньшую вязкость. Эти отличительные характеристики LPG вызывают определенную трудность при суспендировании в нем частиц окисла металла в сравнении с бензином. В частности, тонкие каталитические частицы окисла металла выпадают из раствора или за короткое время, например за 24-48 часов, расслаиваются в LPG, тогда как эти частицы окисла металла остаются диспергированными в бензине в течение продолжительного периода времени по причине более высокой плотности и вязкости бензина. Невозможность диспергирования в LPG тонких частиц окисла металла является существенной проблемой в коммерческом отношении, так как не всегда возможно или удобно заново диспергировать эти частицы в LPG перед его раздачей или использованием, потому что обычно перед раздачей LPG хранится в течение длительного времени и/или в больших стационарных емкостях. LPG топливо сильно отличается от бензина также тем, что оно горит при значительно более высокой температуре, например обычно температура горения LPG составляет 1600-1700^oC, тогда как температура горения бензина обычно ниже 1500^oC. Более высокая в сравнении с бензином температура горения LPG является результатом нескольких факторов, в том числе более высокой удельной теплоты LPG, а также того факта, что LPG при сгорании является паром, а бензин - жидкостью. Это отличие также очень существенно с практической, коммерческой точки зрения, так как при температурах выше 1500^oС вредные выделения, включая окислы азота (NO_x), образуются в гораздо больших количествах.

Сущность изобретения Изобретение представляет собой усовершенствование присадки CGX-4®, позволяющее осуществлять более полное окисление топлива в процессе горения по сравнению с присадкой CGX-4® с целью повышения выхода энергии и снижения выбросов моноокиси углерода, макрочастиц несожженных углеводородов и им подобных и позволяющее осуществлять процесс сгорания более стабильно при более низких температурах, снижая за счет этого выбросы окислов азота (NO_x).

Согласно изобретению предлагается композиция, увеличивающая сгорание углеводородного топлива, содержащая, по меньшей мере, один катализатор из окисла металла, диспергированный в жидком органическом носителе, совместимом с углеводородным топливом. Предпочтительно, чтобы катализатор из окисла металла содержал, по меньшей мере, один окисел щелочноземельного металла или окисел переходного металла и, наиболее предпочтительно, чтобы катализатор из окисла металла был выбран из группы, состоящей, по существу, из окиси хрома, окиси магния, окиси марганца, окиси кобальта, окиси железа и их смесей. Органический носитель, предпочтительно, содержит растворитель Стоддарда. Композиция, предпочтительно, содержит также поверхностно-активное вещество, эмульгатор, такой как полярный органический растворитель, и высокотемпературную смазку.

Окисел (окислы) металла выполняет функцию катализатора процесса горения углеводородного топлива, и при добавлении даже в очень маленьких количествах, например 1-50 частей на миллион частей, эффективен в достижении практически полного окисления топлива и снижении загрязняющих выбросов, обусловленных неполным окислением.

Каталитическое горение углеводородного топлива с окислом (окислами) металла согласно изобретению имеет связанную с ними большую тепловую инерцию, в результате чего нижний предел стабильности пламени процесса горения понижается, позволяя использовать более низкие температуры горения и минимизируя образование выбросов NO_x.

Согласно изобретению предлагается также способ сжигания углеводородных топлив, включающий стадии соединения углеводородного топлива с дисперсией катализатора из окисла металла в жидком органическом носителе, совместимом с углеводородным топливом, и сжигание соединенных углеводородного топлива и каталитической дисперсии при максимальной температуре ниже 1500^oC. Предпочтительно, катализатор из окисла металла включает, по меньшей мере, один окисел переходного металла и окисел щелочноземельного металла и, наиболее предпочтительно, катализатор из окисла металла выбирают из группы, состоящей, по существу, из окиси хрома, окиси магния, окиси марганца, окиси кобальта, окиси железа и их смесей; органический носитель включает, по меньшей мере, один растворитель Стоддарда, а каталитическая дисперсия включает поверхностно-активное вещество, полярный органический растворитель и высокотемпературную смазку, когда процесс горения является карбюрированным процессом горения в двигателе внутреннего сгорания.

Целью изобретения является получение увеличивающей сгорание каталитической присадки для углеводородных топлив, таких как LPG (сжиженный нефтяной газ), бензин и дизельное топливо, которая позволяет достигать практически полного окисления топлива даже в том случае, когда топливо содержит значительное количество примесей, таких как несвязанная вода, пропилен, длинноцепочечные углеводороды и т. д.

Другой целью является получение увеличивающей сгорание присадки для углеводородных топлив, значительно снижающей или устраняющей вредные выбросы, обычно вызываемые неполным окислением, уменьшая при этом выбросы NO_x.

Другой целью является получение способствующей сжиганию присадки, которая может быть легко и экономично получена и соединена с углеводородными топливами.

Другой целью является создание способа сжигания углеводородного топлива совместно с увеличивающей сгорание присадкой с целью понижения вредных выбросов, связанных с полнотой окисления, и снижения образования и выбросов NO_x.

Подробное описание предпочтительных вариантов осуществления Увеличивающий сгорание топлива катализатор согласно изобретению содержит, по меньшей мере, один окисел металла и, предпочтительно, по меньшей мере, один окисел щелочноземельного металла или окисел переходного металла из группы, включающей окись хрома, окись магния, окись марганца, окись кобальта, окись железа и их смеси. Эти окислы металлов являются очень эффективными при использовании в качестве увеличивающих сгорание топлива катализаторов, поскольку эти соединения не только способствуют полному окислению углеводородов, но также позволяют осуществлять процесс сжигания при более низких температурах, которые не являются благоприятными для образования NO_x и имеют хорошую термостойкость.

Процесс окисления при традиционном пламенном горении топлива, такого как LPG, представляет собой гомогенную реакцию, происходящую в объеме газовой фазы. Благодаря введению катализатора в процесс горения, происходит также гетерогенное окисление на поверхности катализатора. Посредством выбора подходящего катализатора можно снизить энергию активации, необходимую для протекания гетерогенной каталитической реакции, до уровня, значительно меньше того, который требуется для чистого гомогенного процесса горения. Например, для горения легкого углеводородного топлива, такого как пропан, энергия активации некатализируемой гомогенной окислительной реакции составляет, приблизительно, 25-50 Ккал/г-моль, в то время как для гетерогенной каталитической окислительной реакции она составляет, приблизительно, 11-15 Ккал/г-моль. Приемлемые скорости реакции гетерогенного (каталитического) окисления могут быть достигнуты при температурах и концентрациях топлива значительно меньших, чем те, которые требуются для осуществления гомогенной (не каталитической) реакции.

В каталитической камере сгорания реакция в первоначальной части горящего слоя является главным образом каталитической и скорость ее регулируется скоростью поверхностной реакции. При усилении каталитической реакции температура газа и поверхности и константа скорости поверхностной реакции (которая возрастает по экспоненте с повышением температуры) быстро становится настолько большой, что скорость переноса реагентов к поверхности катализатора становится регулирующим фактором каталитической реакции. После этого общая скорость гетерогенной реакции регулируется скоростью массопереноса к поверхности катализатора. Скорость высвобождения энергии в регулируемом режиме массопереноса является обычно величиной меньшей, чем достигаемая в традиционных (не каталитических) факелах. При достаточно высоких температурах, которые быстро достигаются в процессе горения, гомогенные реакции инициируются дополнительно к гетерогенным каталитическим реакциям, затем процесс горения быстро подходит к завершению, и достигаются скорости высвобождения энергии, сравнимые с традиционными факелами.

При использовании катализатора из окисла металла согласно изобретению можно осуществлять процесс сжигания углеводородных топлив, таких, как LPG, бензин, дизельное топливо и нефтяное топливо, при достаточно низких впускных температурах и при малых эквивалентных отношениях, таких, в результате которых процесс горения и выходные температуры выбросов от процесса сгорания являются достаточно низкими, так что образование NO_x минимизируется, однако сгорание достигает почти 100% полноты, вследствие чего наблюдаются незначительные по сравнению с неполным окислением выбросы.

Использование экспериментальной каталитической камеры сгорания, окислов щелочноземельного металла - магния и переходных металлов - хрома, марганца, кобальта, железа и их смесей дает оптимальные каталитические результаты. Из них наиболее активным катализатором была бинарная смесь окисла хрома и окисла кобальта (Cr₂О₃ - Co₃O₄), которая дала полные конверсию/окисление очень бедных топливных смесей LPG и эквивалентное отношение, равное 0,196, при низких впускных температурах, ниже 850^oC. Было обнаружено, что эта каталитическая смесь является пригодной в очень широкой области эквивалентных отношений и впускных температур при сжигании LPG; одновременно при использовании этого катализатора показатель выброса NO_x никогда не превышает 0,11 г на килограмм топлива. Такой показатель выброса является значительно меньшим (величина на порядок меньше), чем достигаемый в традиционных системах сжигания LPG, включая системы с использованием ранее известной увеличивающей сгорание присадки Заявителя.

При использовании описанных окислов щелочноземельных металлов и переходных металлов сгорание в некоторых случаях было полным, а в других случаях - неполным. В тех случаях, в которых достигалось полное сгорание, показатели выброса NO_x, моноокиси углерода и несгоревших углеводородов были очень низкими. Концентрации моноокиси углерода и несгоревшего углеводорода были настолько низкими, что они были обнаружены методом газовой хроматографии, а показатель выброса NO_x был всегда ниже 0,11 г на килограмм топлива.

В тех случаях, когда сгорание являлось неполным, обычно вследствие осуществления процесса в условиях кинетического или массопереносного регулирования/ограничений, главным загрязнителем являлись несгоревшие углеводороды. В некоторых случаях, когда выходные температуры были высокими и сгорание являлось неполным, наблюдались небольшие количества моноокиси углерода. Количественно выбросы NO_x всегда были очень низкими и, как было обнаружено, строго зависели от температуры, но не превышали 0,11 г на килограмм топлива.

Для соединения катализаторов из окисла металла с углеводородными топливами катализаторы предварительно диспергируют в соответствующей органической среде, совместимой с углеводородным топливом. Для LPG катализаторы из окисла металла могут быть тщательно диспергированы в растворителе Стоддарда и, предпочтительно, в растворителе (растворителях) Стоддарда совместно с высокотемпературной смазкой, моющим или поверхностно-активным веществами и полярным растворителем, таким как спирт. Для достижения оптимальных условий сгорания необходимы лишь очень небольшие количества катализаторов из окисла металла. При добавлении к углеводородному топливу катализатора из окисла металла в количестве 1 - 50 частей, а преимущественно 10-30 частей, на миллион частей может быть достигнуто полное или практически полное окисление/сгорание топлив при достаточно низких впускных температурах и малых эквивалентных отношениях, когда выбросы моноокиси углерода, несгоревших углеводородов, особенно, и NO_x уменьшаются, а выход энергии для выбранного количества топлива повышается. Тонкие порошки окислов металлов могут быть диспергированы в растворителе Стоддарда. При диспергировании порошков окислов металлов в CGX-4® надлежащему диспергированию порошка окисла металла в органической среде способствуют моющее вещество/поверхностно-активное вещество и/или полярный растворитель. Например, для достижения описанных выше характеристик сгорания к CGX-4® может быть добавлена дисперсия катализатора(ов) из окисла металла, содержащая 0,5-5 мас. % порошка окисла металла в растворителе Стоддарда, в соотношении 3 - 5 об. % дисперсии на 95-97 об. % CGX-4®. Каталитическую увеличивающую сгорание модифицированную присадку затем соединяют с углеводородным топливом, таким как LPG, в соотношении 0,5 - 2,0 жидкостных унций на 10,0 галлонов (0,39 - 1,56 мл присадки на 1 л топлива). Хотя могут быть добавлены более высокие концентрации катализатора(ов), они в дальнейшем не улучшают характеристик сгорания, в то же время удорожая получение каталитической присадки.

Присадка является смешиваемой и совместимой с топливом LPG, и легко соединяется с ним простым вливанием соответствующего количества присадки в бак с топливом LPG, например, вливая 1 унцию (29,6 мл) в бак на 10 галлонов (37,85 л), вливая бак на 55 галлонов (208,2 л) в бак на 70000 галлонов (около 265000 л) и т. д.

Присадка согласно изобретению особенно эффективна при использовании с карбюраторной LPG-топливной системой в двигателях внутреннего сгорания. Присадка также является эффективной при использовании с другими топливами, такими как бензин, дизельное топливо, нефтяное топливо и т. д. , и в других типах систем сжигания, таких как некарбюраторные системы сжигания.

Формула изобретения

1. Каталитическая композиция, увеличивающая сгорание топлива из сжиженного нефтяного газа, содержащая, по меньшей мере, один катализатор из окисла металла, диспергированный в совместимом с топливом жидком органическом носителе, включающем растворитель и эмульгатор для диспергирования катализатора из окисла металла в растворителе и топливе при добавлении в последнее, отличающаяся тем, что в качестве окисла металла указанный катализатор содержит смесь окиси хрома Cr₂O₃ и окиси кобальта Co₃O₄, а жидкий органический носитель в качестве растворителя содержит растворитель Стоддарда.

2. Каталитическая композиция по п. 1, отличающаяся тем, что катализатор из окисла металла соединен с топливом в соотношении 1-50 частей на миллион частей.

3. Каталитическая композиция по п. 1, отличающаяся тем, что катализатор из окисла металла диспергирован в названном жидком органическом носителе в соотношении менее 1,0 мас. %.

4. Каталитическая композиция по п. 1, отличающаяся тем, что названный жидкий органический носитель дополнительно содержит, по меньшей мере, одну высокотемпературную смазку и поверхностно-активное вещество.

5. Каталитическая композиция по п. 4, отличающаяся тем, что названный жидкий органический носитель включает в качестве названной высокотемпературной смазки легкое масло с температурой вспышки, по меньшей мере, 204^oC.

6. Каталитическая композиция по п. 1, отличающаяся тем, что названный катализатор из окисла металла соединен с названным топливом в соотношении 10-30 частей на миллион частей.

7. Каталитическая композиция по п. 1, отличающаяся тем, что она соединена с названным топливом в количестве, достаточном для достижения показателя выброса NO_x при сжигании топлива, равного или меньше 0,11 г на килограмм топлива LPG.

8. Топливная смесь топлива и дисперсии катализатора из окисла металла в жидком органическом носителе, совместимом с топливом, причем указанный катализатор из окисла металла содержит, по меньшей мере, один окисел, выбранный из группы, состоящей из окисла щелочноземельного металла и окисла переходного металла, а указанный жидкий органический носитель содержит растворитель и эмульгатор для диспергирования катализатора из окисла металла в растворителе и указанном топливе, отличающаяся тем, что в качестве топлива указанная смесь содержит сжиженный нефтяной газ, а указанный жидкий органический носитель в качестве растворителя содержит растворитель Стоддарда.

9. Топливная смесь по п. 8, отличающаяся тем, что названный жидкий органический носитель содержит 3-5 об. % высокотемпературной смазки, 3-5 об. % поверхностно-активного вещества, 1-3 об. % эмульгатора и растворитель Стоддарда - остальное.

10. Способ сжигания топлива из сжиженного нефтяного газа, включающий стадии соединения топлива с дисперсией катализатора из окисла металла в жидком органическом носителе, совместимом с топливом, и сжигание топлива и названной дисперсии при температуре ниже 1500^oС, отличающийся тем, что названный катализатор из окисла металла включает, по меньшей мере, один окисел, выбранный из группы, состоящей из окисла щелочно-земельного металла и окисла переходного металла, а названный органический носитель включает, главным образом, растворитель Стоддарда и эмульгатор для диспергирования катализатора из окисла металла в растворителе Стоддарда и в топливе.