專利名稱：包含非酸性無機硼化合物的烴燃料添加劑及其相關(guān)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及燃料添加劑領(lǐng)域，尤其涉及用于增強效率和/或減少污染 的含硼烴類燃料添加劑。發(fā)明背景目前已經(jīng)使用了多種烴類燃料，各自具有其優(yōu)點和缺陷。此類燃料 的實例包括汽油、天然氣、柴油、煤油、噴氣式發(fā)動機燃料、LPG、重 餾分、船用燃料油、乙醇、煤、其它固體烴類燃料等。過去的百年中， 化學(xué)制品化合物已經(jīng)用作燃料添加劑以改進各種燃料的各種參數(shù)，例如 辛烷值。很久以來，鉛在汽油中的使用以及后來被禁止已經(jīng)為世人了 解。四乙基鉛對辛烷值有積極的作用，但是對環(huán)境卻具有嚴(yán)重的不利影 響。除四乙鉛之外，已知許多元素在汽油或其它烴燃料中具有燃燒催化 劑的特性。鉛之外的實例為錳、鐵、酮、鈰、4丐和鋇。這些元素在具體 應(yīng)用中各自具有優(yōu)點和缺點。某些鐵化合物的缺點包括在汽油中的溶解 性有限、毒性和作為添加劑的成本。還可能出現(xiàn)與硫反應(yīng)和產(chǎn)生硫化物 沉淀，這些是不期望的。另 一種普遍使用的汽油添加劑是MTBE。雖然該化合物顯著提高辛 烷值水平，但是該化合物被認(rèn)為是致癌的。另外，其容易與水混合，如 果發(fā)生泄漏，則是危險的。從加油站的地下儲油罐泄漏的含MTBE汽油 存在著滲入地下水并且污染水井的潛在危險。鑒于認(rèn)為MTBE對環(huán)境存 在著潛在的不利影響，乙醇作為提高辛烷值的汽油添加劑亦正在得到評 估。除了改善燃燒效率的工業(yè)目標(biāo)之外，減少煙塵和顆粒排放也受到關(guān) 注，特別是對柴油燃料應(yīng)用。目前對于減少煙塵和顆粒排放燃料添加劑 的開發(fā)，工業(yè)上還沒有取得實質(zhì)性進步。最后，嘗試調(diào)整燃燒參數(shù)以優(yōu)化操作減少CO和NOx。盡管這些嘗試或其組合能減少污染物，燃料燃燒仍是改善燃料效率和減少污染物關(guān)注的焦點。包含燃燒催化劑以減少來自使用汽油運行的公共汽車、卡車和轎車 引擎的煙塵和顆粒排放的燃料添加劑是有利的。提高柴油燃料應(yīng)用的效 率和/或減少污染的燃料添加劑也是有利的。減少來自燃料應(yīng)用的煙塵、 顆粒和氮排放是有利的。不造成沉淀形成的添加劑也是有利的。降低NOx產(chǎn)生水平的烴燃料添加劑也是有利的。最后，在燃燒過程中保持 穩(wěn)定的添加劑是有利的。發(fā)明概述因此，本發(fā)明提供一種包含至少 一種鹽和載液的混合物的燃料添加 劑，所述鹽包含[Y]aBbOc,其中[Y]是陽離子，而且所述鹽是非酸性的， 載液應(yīng)該能夠使鹽以至少部分分散的狀態(tài)保持在載液中，所述燃料添加 劑可以在燃燒區(qū)與燃料接觸和燃燒時增強燃燒，增強的燃燒可通過燃料 效率提高或燃料和燃料添加劑燃燒產(chǎn)生的廢氣排放的污染物減少進行 測量。本發(fā)明的特點在于[Y]是銨化合物。作為選擇，[Y]是堿金屬。本發(fā)明還有利地提供一種增強在具有燃燒區(qū)的燃燒系統(tǒng)中烴燃料 的燃料性能的方法，其中包括下述步驟以增強燃料性能的有效量提供 包含至少 一種鹽和載液的混合物的燃料添加劑到燃燒區(qū)和燃燒具有燃料添加劑的烴燃料，所述鹽包含[Y]aBbOc,其中[Y]是陽離子，而且所述鹽是非酸性的。本發(fā)明的特征在于燃料可以是固態(tài)或液態(tài)烴燃料。本發(fā)明包括一種燃料添加劑和一種與烴燃料有關(guān)的添加劑的使用 方法。本發(fā)明燃料添加劑包括含硼鹽，所述鹽優(yōu)選包含[Y]2B407,其中 Y是陽離子。銨是優(yōu)選的無機陽離子。堿金屬是另外的優(yōu)選無機陽離子， 更優(yōu)選那些原子量在50.0以下的堿金屬。在一種實施方案中，硼鹽至少部分分散在水中或其它的含水流體中以產(chǎn)生一種含硼的母體分散體。硼鹽分散在水或含水流體中，而且不會出現(xiàn)鹽離解或溶解。優(yōu)選粒徑5微米或更小、更優(yōu)選2-5微米的穩(wěn)定的硼鹽分散體在烴燃料中提供非均相燃燒催化劑，這種催化提供了排放減 少和燃料經(jīng)濟性的改進。在本發(fā)明的另 一種實施方案中，將含硼母體分散體加入到分散流體 或與分散流體混合。所述分散流體是一種可以至少部分分散狀態(tài)將所述 鹽保持在分散流體中的流體，而且該流體在烴燃料中可溶混或能夠以溶 液狀態(tài)保持。在一種優(yōu)選實施方案中，將水，例如，通過熱設(shè)備很大程 度上從分散流體中的含硼母體分散體中除去以產(chǎn)生燃料添加劑。分散流 體優(yōu)選是GroupII原油。其它優(yōu)選的分散流體包括輕質(zhì)烴，汽油，聚合 汽油，煤油，柴油，輕質(zhì)石腦油，依照API定義的Group I、 III、 IV、 V或VI原油，芳族油、聚丁烯、聚乙二醇、重油或其組合。燃料添加劑與燃料接觸時能夠增強燃燒，與燃料的硫含量無關(guān)。增 強的燃燒意味著與無燃料添加劑的燃料相比，燃燒效率提高，或者由燃 燒廢氣排出的污染物減少，或這些效果的組合。典型的污染物可能包括 NOx、微粒物質(zhì)、 一氧化碳和其它的認(rèn)為是由烴燃料燃燒產(chǎn)生的污染 物。應(yīng)該指出的是，不同的地理區(qū)域根據(jù)空氣特征重點減少特定的污染 物。減少目標(biāo)污染物或各種污染物的組合，如NOx和CO,是特別有利 的。作為選擇，提高燃料效率導(dǎo)致污染物的總體積下降以及經(jīng)濟優(yōu)點。當(dāng)燃料添加劑利用銨化合物制備時，銨化合物定義為含NRx基團的 化合物，其中R可以為，例如氫。特別優(yōu)選NH4。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)用于本 發(fā)明含硼鹽時銨化合物具有特別強的催化燃燒性能，例如在NOx減少 方面。硼鹽基本是中性的，但是更優(yōu)選不是高度酸性的。在一種優(yōu)選實施 方案中，所述含硼母體分散體具有的pH為約6.0-8.0。在這種相對中性 的pH范圍內(nèi)， 一般不存在硼酸。已經(jīng)披露了，例如五硼酸鹽和四硼酸 鹽。硼散鹽可處于任何形式，包括偏硼酸鹽、原硼酸鹽或任何形式的非 酸性硼酸鹽，或它們的組合。所述鹽可以是無水的或者處于不同的水合 水平。本發(fā)明優(yōu)選的硼鹽為無機非酸性、不溶且可分散的。本發(fā)明一種實施方案的含硼母體分散體可用于任何環(huán)境，例如，親 水或疏水環(huán)境。在疏水環(huán)境情況下，有必要選擇一種或多種載液以允許 適當(dāng)分散。在優(yōu)選實施方案中，載液可以是聚氧化丙烯單醇、二醇和多醇，聚氧化丁烯單醇、二醇和多醇，特別是Bayer ActaclearND 17。分 散劑與載液聯(lián)合使用以產(chǎn)生燃料添加劑也在優(yōu)選實施方案的范圍內(nèi)。優(yōu) 選的分散劑包括多炔基琥珀酰亞胺如Texaco TFA 4690C、 Oronite ODA 78012和Ethyl Hitec 646。對于液體烴燃^f牛應(yīng)用，至少一種載液可優(yōu)選是 至少具有一定親水特性的流體，該流體與燃料溶混，與分散劑聯(lián)合用作 相容劑。本發(fā)明燃料添加劑有益于增強燃燒以達(dá)到更完全的燃燒，與無燃料 添加劑的燃料燃燒相比，提高了燃燒生成C02和H20量。結(jié)果是減少了 不完全燃燒的產(chǎn)物以及NOx，從而提高了燃料效率。燃料添加劑的使用方式是以足以提高燃料效率和/或減少污染物的 量添加添加劑到燃料中。術(shù)語增強和增強的燃燒指這些效果任意一種。 減少污染物的實例是內(nèi)燃機或直接火明焰燃燒器產(chǎn)生的NOx和CO減 少。有利地，通過添加本發(fā)明燃料添加劑觀察到了這兩種效果。優(yōu)選的 實施方案包4奮通過添加燃津+添加劑將約5-10 ppm (重量)的硼加入燃 料。將硼量提高到25ppm (重量)同樣是有效的。應(yīng)該指出的是，以低 重量百分比的硼，即低于20 ppm能夠制備具有很有效成本的溶液。另 一個優(yōu)選目標(biāo)是低于15 ppm硼。較低的硼濃度有利地產(chǎn)生經(jīng)濟效益， 可能更容易為環(huán)境接受，而且可以以減少沉積和殘留物提供更清潔的發(fā) 動機操作。本發(fā)明還包括一種增強烴燃料在燃燒系統(tǒng)中的燃料性能的方法，其 中包括將上述燃料添加劑以有效增強燃料性能的量加入烴燃料并且燃 燒具有燃料添加劑的烴燃料的步驟。燃燒系統(tǒng)可以是燃燒烴領(lǐng)域普通技 術(shù)人員公知的任何系統(tǒng)。所述燃燒系統(tǒng)可包括任何類型的內(nèi)燃機。在一 種優(yōu)選實施方案中，該方法使用液體或液化烴燃料。作為選4奪，該方法 還可以使用固態(tài)烴燃料。將添加劑加入烴燃料獲得增強的燃料，后者具 有主要量的適于燃燒的烴燃料和能夠增強燃燒的量的燃料添加劑。優(yōu)選 地，增強的燃料以與無燃料添加劑烴燃料燃燒相比在其燃燒時減少排放 而且燃燒效率改善的切實可行的量包含硼。更優(yōu)選地，增強的燃料包含 約5-10ppm (重量)硼。將硼量提高到25ppm (重量)同樣有效。值得 注意，以低重量百分比的硼，即低于20 ppm能夠制備具有很有效成本 的溶液。另一個優(yōu)選目標(biāo)是4氐于15 ppm硼。本發(fā)明的可選擇實施方案包括 一 種增強烴燃料在燃燒系統(tǒng)中的燃料性能的方法，其中包括以增強燃料性能的有效量將化學(xué)添加組合物加 入烴燃料的步驟?；瘜W(xué)添加組合物，又稱為分散流體，可通過將硼酸鹽分散于水中形 成中間體含水母體分散體制備。以下的步驟包括在各種分散劑、表面活 性劑等存在下合并含水含硼母體分散體和載液，然后除去水以形成含硼 的分散流體。本發(fā)明母體溶液，或含硼分散流體可加入到或包含燃燒燃料。同 樣，可有利地包含分散劑以促進在烴基燃料中的分散。燃料的實例為煤 油、柴油和殘余燃料。當(dāng)主要數(shù)量的適合燃燒的燃料與足以在增強燃料燃燒時降低氺 一 放 或提高效率的量的含硼母體分散體或化學(xué)添加組合物合并時，產(chǎn)生一種 增強燃料。柴油和汽油是兩個適合燃燒的實例。其它適合在內(nèi)燃機中燃 燒的烴類燃料也包括在內(nèi)。在某些環(huán)境中，分散流體是大量的目標(biāo)流 體，也就是，包含期望燃料的流體。實施例1:制備含硼含水母體溶液將83.5克八水合五硼酸銨(NH4B5(V 8H2〇;mol wt 544.3 g/mole)) 加入4H.7克去離子水水中。在攪拌下加熱該混合物至80。C直到所有的 鹽分散。該溶液在8(TC下保持透明并且包含1.8重量％硼。實施例2:制備含硼分散流體向置于4-升Erlenmeyer燒瓶中的1200克礦物油基礎(chǔ)油料中，加入 90克Lubrizol 400A，擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的包含分散劑混合物的添加劑包 (a proprietary additive package )和180克煤油。在環(huán)境溫度下攪拌該混 合物直到獲得透明溶液。向油溶液中加入166.0克實施例1制備的含硼 含水母體分散體。利用高速手工混合(a high speed hand mixture )混合 這兩種溶液在一起以形成油包水乳液。將該乳液轉(zhuǎn)移到配有攪拌器和具 有冷凝器的迪安-斯達(dá)克榻分水器的3升圓底燒瓶中。在攪拌下、約1 個小時的時間內(nèi)將混合物加熱到最高15(TC以除去水。形成硼鹽在油基 料中的分散體。最終的水含量為6,480 ppm,最終硼的理論含量為1,827 ppm。實施例3:制備含硼雙沖程發(fā)動機燃料處理劑通過下述步驟制備適合用汽油稀釋且用作雙沖程發(fā)動機燃料的潤 滑油將實施例2的含硼分散流體與Tufflo 6036， 一種擁有自主知識產(chǎn)8權(quán)的包含各種清潔劑和分散劑的添加劑包混合，達(dá)到最終硼含量約300ppm。然后按照50: 1的比例將燃料加入該混合物中以便提供最終硼含量 為約6 ppm。實施例4: Homelite Yard Broom II Leaf Blower觀寸試 Homelite Yard Broom II Leaf Blower是一種4吏用30 cc雙沖程汽油發(fā) 動機的手持風(fēng)機。leafblower用來屏蔽(screen)以提高發(fā)動機的效率， 特別是提高燃料的經(jīng)濟性。為了確立基準(zhǔn)線，將標(biāo)準(zhǔn)的Homelite雙沖程 油以50:1的比例與常規(guī)無鉛87辛烷值汽油混合。準(zhǔn)確地將250毫升燃 料混合物加入leafblower燃料箱中。然后，發(fā)動機以全RPM運行直到 燃料全部消耗而且發(fā)動機停止。測量運行時間、RPM和廢氣溫度并記 錄。利用稀釋比50:1且硼含量約6 ppm的實施例3的含硼油重復(fù)試驗。 結(jié)果，RPM提高2.3%,廢氣溫度下降6.5%，運行時間提高11.8%。 這些值說明利用本發(fā)明含硼汽油發(fā)動機的運行效率得到顯著改進。 實施例5:明焰柴油燃料燃燒燃燒柴油的明焰燃燒器用于測量C O排放。通過以特定且受到控制 的燃料和空氣混合物燃燒未處理柴油確定基準(zhǔn)線。對于該試驗，燃料
權(quán)利要求
1.一種包含至少一種鹽和載液的混合物的燃料添加劑，其中所述鹽包含[Y]aBbOc，其中[Y]是陽離子，而且所述鹽是非酸性的，載液應(yīng)能夠使鹽以至少部分分散的狀態(tài)保持在載液中，所述燃料添加劑可以在燃燒區(qū)與燃料接觸和燃燒時增強燃燒，增強的燃燒可通過燃料效率提高或燃料和燃料添加劑燃燒產(chǎn)生的廢氣排放的污染物減少進行測量。
2. 如權(quán)利要求1所述的燃料添加劑，其中所述鹽選自偏硼酸鹽、五硼酸鹽、四硼酸鹽和原硼酸鹽和其組合。
3. 如權(quán)利要求1所述的燃料添加劑，進一步包含[NH4]2B4〇7。
4. 如權(quán)利要求1所述的燃料添加劑，進一步包含銨化合物。
5. 如權(quán)利要求1所述的燃料添加劑，其中所述溶液的pH為約 6.0-8.0。
6. 如權(quán)利要求1所述的燃料添加劑，其中所述鹽是無機的。
7. —種增強在具有燃燒區(qū)的燃燒系統(tǒng)中烴燃料的燃料性能的方 法，其中包括下述步驟以增強燃料性能的有效量提供如權(quán)利要求1所 述的燃料添加劑到燃燒區(qū)，和燃燒具有燃料添加劑的烴燃料。
8. 如權(quán)利要求7所述的增強燃料性能的方法，其中所述烴燃料是 液體烴燃料。
9. 如權(quán)利要求7所述的增強燃料性能的方法，其中所述烴燃料是 固體烴燃料。
10. 如權(quán)利要求7所述的增強燃料性能的方法，其中所述燃燒區(qū)在 以汽油燃料運行的發(fā)動機內(nèi)。
11. 如權(quán)利要求7所述的增強燃料性能的方法，其中所迷燃燒區(qū)在 以柴油燃料運行的發(fā)動機內(nèi)。
12. 如權(quán)利要求7所述的增強燃料性能的方法，其中當(dāng)所述燃料添 加劑與在直接火燃燒器或燃燒區(qū)的明焰中的燃料接觸并燃燒時能夠增 強燃燒，增強的燃燒能夠通過燃料效率提高或燃料和燃料添加劑燃燒形 成的廢氣排放的污染物減少測量。
13. —種增強燃料，其中包含主要數(shù)量的適于燃燒的烴燃料和其數(shù) 量能夠增強燃燒的如權(quán)利要求1所述的燃料添加劑。
14. 如權(quán)利要求13所述的增強燃料，其中硼在所述烴燃料中的存 在量為約5-10重量ppm。
15. 如權(quán)利要求13所述的增強燃料，其中燃料添加劑的量為能夠 使增強燃料燃燒過程中的排放與無燃料添加劑的烴燃料燃燒相比減少的量。
16. 如權(quán)利要求13所述的增強燃料，其中硼在所述烴燃料中的存 在量低于約25重量ppm。
17. —種產(chǎn)生用于燃燒系統(tǒng)的增強爛燃料的方法，其中包括步驟 將增強燃料性能有效量的化學(xué)添加組合物加入烴燃料，其中化學(xué)添
18. 如權(quán)利要求17所述的方法，其中所述鹽是無機的。
19. 一種產(chǎn)生增強烴燃料燃燒的燃料添加劑的方法，其中包括步驟將鹽[Y]aBbOc，其中[Y]是陽離子，而且所述鹽是非酸性的，加入 流體以使所述鹽至少部分分散于流體以產(chǎn)生含硼的母體分散體；液；和將主要數(shù)量的流體從含硼母體分散體與載液的混合物中除去以產(chǎn) 生一種當(dāng)加入存在爛燃料的燃燒區(qū)并燃燒時能夠增強燃燒的燃料添加劑。
20. 如權(quán)利要求19所述的方法，其中所述鹽是無機的。
全文摘要
本發(fā)明提供一種燃料添加劑和一種應(yīng)用和制備該燃料添加劑的方法。所述燃料添加劑包含在載液中的非酸性含硼鹽。該燃料添加劑通過提高燃料效率或減少燃料與燃料添加劑燃燒形成的廢氣中的污染物增強燃燒。
文檔編號C10L1/12GK101248161SQ200680013397
公開日2008年8月20日 申請日期2006年4月21日 優(yōu)先權(quán)日2005年4月22日
發(fā)明者小愛德華·C·巴克斯特 申請人:環(huán)保燃料有限責(zé)任公司