(57)【要約】炭化水素と水のエマルジョンであって、前記炭化水素は好ましくはフィッシャー−トロプシュ誘導炭化水素燃料であり、前記炭化水素の大半が粒度１μｍ以下であるエマルジョンは、燃焼時の粒子状物質排出が低減される。
2005519165.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭化水素燃料の燃焼中に、粒子状物質排出を低減する方法であって、炭化水素燃料と水のエマルジョンを燃焼する工程を含み、
前記燃料は、フィッシャー−トロプシュ誘導炭化水素、またはフィッシャー−トロプシュ燃料と従来の燃料との混合物であり、
前記エマルジョン中の前記炭化水素の大半は、粒度１μｍ以下である
ことを特徴とする粒子状物質排出を低減する方法。
【請求項２】
前記エマルジョンは、水中炭化水素エマルジョンであることを特徴とする請求項１に記載の粒子状物質排出を低減する方法。
【請求項３】
前記燃料は、フィッシャー−トロプシュ誘導燃料であることを特徴とする請求項２に記載の粒子状物質排出を低減する方法。
【請求項４】
前記炭化水素の粒子の５０％超は、サイズが０．１〜１．０μｍであることを特徴とする請求項３に記載の粒子状物質排出を低減する方法。
【請求項５】
炭化水素／水の容量比は、９５：５〜６０：４０であることを特徴とする請求項４に記載の粒子状物質排出を低減する方法。
【請求項６】
前記炭化水素の粒子の８０％超は、サイズが０．１〜１．０μｍであることを特徴とする請求項５に記載の粒子状物質排出を低減する方法。
【請求項７】
前記フィッシャー−トロプシュ誘導炭化水素は、ディーゼル燃料の範囲で沸騰することを特徴とする請求項６に記載の粒子状物質排出を低減する方法。
【請求項８】
前記エマルジョンは、粘度が５０〜２００ｍｍ２／秒であることを特徴とする請求項７に記載の粒子状物質排出を低減する方法。
【請求項９】
燃焼時の粒子状物質排出が、スウェーデンクラス１ディーゼル燃料と比較して低減されている水中燃料エマルジョンを形成する方法であって、
ディーゼル燃料の範囲で沸騰するフィッシャー−トロプシュ誘導炭化水素、水およびＨＬＢ５〜３０の非イオン界面活性剤またはその混合物を、前記炭化水素の大半が１μｍ以下の粒度を有する液体エマルジョンを生成するのに十分なせん断条件下でせん断する工程であって、前記炭化水素／水の容量比は、９５：５〜４０：６０であり、前記非イオン界面活性剤の量は、炭化水素および水の合計重量を基準として０．０５〜５．０重量％である工程を含むことを特徴とする水中燃料エマルジョンを形成する方法。
【請求項１０】
水中フィッシャー−トロプシュ誘導燃料のエマルジョンを含み、前記エマルジョン中の大半の燃料は、粒度１μｍ以下であり、前記エマルジョンは、２０℃で５０ｍｍ２／秒超の粘度を有することを特徴とする液体燃料組成物。
【請求項１１】
前記燃料の粒子の５０％超は、粒度０．１〜１．０μｍであることを特徴とする請求項１０に記載の液体燃料組成物。
【請求項１２】
前記フィッシャー−トロプシュ誘導燃料は、ディーゼル燃料の範囲で沸騰することを特徴とする請求項１１に記載の液体燃料組成物。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、低減された粒子状物質排出という特性を有する改良された燃料に関する。より詳しくは、本発明は、水中炭化水素エマルジョンの形態にある燃料に関する。
【背景技術】
【０００２】
水中炭化水素エマルジョンは、内燃機関において、また加熱用燃料としてなど、多くの潜在的な用途を有する。実際、多くの研究では、水中炭化水素エマルジョンの燃焼は、炭化水素の燃焼が通常伴う窒素酸化物排出を低減するという利点を有することが示唆されている。エマルジョンは、その燃焼中のピーク火炎温度低下によって、窒素酸化物（ＮＯｘ）排出が低減すると考えられる。しかし、より低い火炎温度はしばしば、粒子状物質（Ｐｍ）排出の増大を伴う。この現象はＰｍ−ＮＯｘトレードオフとして知られ、ディーゼル排出物に対して為しうる改良を制約すると考えられる。
【０００３】
【特許文献１】米国特許第５，３４８，９８２号明細書
【特許文献２】米国特許第５，５４５，６７４号明細書
【特許文献３】米国特許第４，５６８，６６３号明細書
【特許文献４】米国特許第５，３７８，３４８号明細書
【特許文献５】米国特許第５，８０７，４１３号明細書
【特許文献６】米国特許第５，４０５，４３９号明細書
【特許文献７】米国特許第５，２３６，６２４号明細書
【特許文献８】米国特許第４，８３２，７４７号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
近年は、排出物規制（粒子状物質排出を含む）がより厳しくなる傾向になっている。従って、本発明の目的は、乳化燃料に対して示された、現在達成可能な低減された窒素酸化物排出のレベルに悪影響を及ぼすことなく、粒子状物質排出をより効率的に制御する方法を開発することである。
【０００５】
ディーゼル燃料エンジンの場合、粒子状物質排出の低減は特に重要である。従って、本発明の他の目的は、低減された粒子状物質排出という特性を有する改良されたディーゼル燃料を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明によれば、炭化水素と水のエマルジョンであって、前記炭化水素は、フィッシャー−トロプシュ（ＦＴ）誘導炭化水素燃料またはＦＴ燃料と従来の炭化水素燃料の混合物であり、前記炭化水素の大半は、粒度１μｍ以下であるエマルジョンにより、低減された粒子状物質排出が達成される。好ましくは、前記エマルジョンは水中炭化水素エマルジョンである。
【０００７】
本発明の特に好ましい実施形態において、前記炭化水素は、ディーゼル燃料の範囲で沸騰するＦＴ誘導炭化水素である。
【０００８】
これらおよび他の実施形態は、次の本発明の詳細な説明を読むと明白になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
本発明のエマルジョンは、炭化水素として、フィッシャー−トロプシュ誘導炭化水素燃料、またはＦＴ燃料と従来の炭化水素燃料との混合物を含む。好ましくは、炭化水素はＦＴ誘導燃料である。
【００１０】
当該分野で周知のように、フィッシャー−トロプシュプロセスは、水素・一酸化炭素含有原料を、適切な触媒の存在下で反応させる工程を含み、主としてノルマルパラフィン合成原油が生成する。プロセスは、例えば特許文献１および特許文献２に、適切な触媒は、特許文献３に記載される。これらはそれぞれ参照により本明細書に組み入れられる。
【００１１】
フィッシャー−トロプシュプロセスで生成した炭化水素燃料を、標準的な蒸留技術によって、生成物原油から分離してもよい。しかし、加えて、水素化、水素異性化、水素化分解などの既知の技術によって、原油のワックス質成分を燃料に転化してもよい。これらのプロセスの例は、特許文献４に見出されうる。これは参照により本明細書に組み入れられる。
【００１２】
本発明の実施形態の文脈において、フィッシャー−トロプシュ誘導炭化水素燃料は、フィッシャー−トロプシュプロセスからの直接の液体生成物（Ｃ５＋）、転化されたフィッシャー−トロプシュ生成物、それらの混合物のいずれを含んでいてもよい。従って、約２５〜約４５０℃の範囲で沸騰するフィッシャー−トロプシュ生成物が適切である。これらの燃料には、特許文献５に示されるものが含まれる。この特許は参照により本明細書に組み入れられる。また、より一般的なフィッシャー−トロプシュ生成物も含まれる。例えば、約１４０〜約３７０℃、好ましくは約１６０〜約３５０℃で沸騰するものである。
【００１３】
本発明のエマルジョンの水は、燃料エマルジョンを形成するのに典型的に用いられるもの、例えば水道水、蒸留水または脱イオン水であってよい。一実施形態においては、フィッシャー−トロプシュプロセスからの水が、エマルジョンの連続相を構成する。フィッシャー−トロプシュプロセスの水には、典型的には、約２重量％以下の含酸素化合物が含まれる。典型的な組成を下記表１に示す。
【００１４】
【表１】
2005519165.tif 000003
【００１５】
エマルジョンを形成するのに用いられる水の量は、幅広い範囲で変動しうる。例えば、フィッシャー−トロプシュ炭化水素燃料／水の容量比は、約９５：５〜約６０：４０であってよい。
【００１６】
本発明のエマルジョンにはまた、非イオン性界面活性剤または非イオン性界面活性剤の混合物が含まれる。適切な非イオン界面活性剤のタイプには、エトキシル化アルコール、エトキシル化アルキルフェノール、エトキシル化カルボン酸エステル、グリセリンエステル、ソルビタンエステルなどが含まれる。一般に、非イオン性界面活性剤は５〜３０、好ましくは８〜１５のＨＬＢを有する。適切な界面活性剤のうち、約５〜約３０モル、好ましくは１０〜１５モルのエチレンオキシド基を有するエトキシル化アルキルフェノールは特筆に値する。
【００１７】
エマルジョン中の界面活性剤またはその混合物の量は、炭化水素と水の全重量を基準として、約０．０５〜約５．０重量％の範囲である。典型的には０．０５〜約２重量％である。
【００１８】
本発明のエマルジョン組成物には、少量ではあるが有効量の従来の添加剤（エマルジョン安定剤、酸化防止剤など）が含まれていてもよい。燃料がディーゼル燃料である場合、燃料にはまた、一般量のディーゼル燃料添加剤（セタン向上剤、清浄剤、熱安定剤など）が含まれていてもよい。
【００１９】
当該分野で知られるように、エマルジョンは、いくつの手順で形成してもよい。これら全ての中枢は、乳化に十分な成分のせん断を提供することである。本発明を実施するに際し、水と界面活性剤の混合物に燃料を加え、大半のサイズが１μｍ以下の炭化水素粒子が生成するのに十分な条件下でせん断する。換言すると、粒子は、実質的にサイズが均一である。即ち、サイズが約０．１〜約１．０μｍのものが５０％を超える。多大なせん断は「ゲル」の形成をもたらすことが経験的に示されている。従ってせん断は、ゲルを生成するものより小さい。
【００２０】
必要なせん断を達成するためには、特に、一個以上のスタティックミキサー（例えば、特許文献６、特許文献７および特許文献８に記載されるもの）を用いることが好ましい。一般には、一個以上のミキサーが用いられ、ミキサーは、同じサイズ（長さ、直径、内部要素の数）のものではない。むしろ、数、サイズおよび要素は、混合効率およびエマルジョンの粒度を調整するように選択される。本発明を実施するに際しては、大半が粒度１μｍ以下のエマルジョンを生成するのに十分な炭化水素および水のせん断、および「ゲル」を生成するものより小さなせん断を提供するように、スタティックミキサーの組み合わせを選択する。
【００２１】
本発明の乳化を行うために適切なスタティックミキサーの一配置の概略図を、添付の図面に示す。示されるように、６個のミキサーはそれぞれ寸法が異なる。明らかに、必要なせん断が達成される限り、ミキサーの部材およびサイズは異なるものを用いてもよい。示されているミキサーの寸法を下記表２に示す。
【００２２】
【表２】
2005519165.tif 000004
【００２３】
図面に示された配置において、水および界面活性剤溶液はライン７を経て、またフィッシャー−トロプシュ誘導炭化水素燃料はライン８を経てミキサー１に供給される。各ミキサーの生成物は、連続的に、列中の次のミキサーに供給される（例えば、ミキサー１の生成物はミキサー２に、ミキサー２の生成物はミキサー３に供給される、など）。ライン９を経てミキサー６を出るエマルジョンは、大半が粒度１μｍ未満である。フィッシャー−トロプシュ燃料がディーゼル燃料である場合のエマルジョンは、２０℃で約５０〜２００ｍｍ２／秒の粘度を有する。
【実施例】
【００２４】
比較例１
非イオン性界面活性剤（エチレンオキシド基１０モルを有するエトキシル化ノニルフェノール）３０００ｇを、水９７００ｇに加え、図面に示されるミキサー１〜４を通して供給した。９０＋％のＣ６〜Ｃ１６直鎖状パラフィンを含むフィッシャー−トロプシュディーゼル燃料（沸点範囲：〜４０〜３００℃）もまた、水および界面活性剤と共に、四個のミキサーを通して供給した。燃料／水の容量比は、７０：３０であった。炭化水素の流量は、２６５０ｍｌ／分であり、界面活性剤水溶液の流量は、１３８０ｍｌ／分であった。温度は２４℃であった。ミキサー４の生成物は、水中炭化水素エマルジョンではなかった。
【００２５】
実施例１
比較例１に示すものと同じ成分および量を、図面に示されるミキサー１〜６を通して供給した。流量および温度は、比較例１と同じであった。この場合、ミキサー６の生成物は、密度０．８２ｇ／ｃｃ、粘度１５０ｍｍ２／秒（２０℃）の水中炭化水素エマルジョンであった。炭化水素粒子のサイズは平均０．７μｍであり、１μｍ未満のものは９５％であった。このエマルジョンは、６ヶ月を超える貯蔵安定性を有した。
【００２６】
実施例２
キャタピラーＩＹ５４０単筒ヘビーデューティ研究用エンジンを用いて、実施例１の乳化フィッシャー−トロプシュ燃料の性能を、乳化していない同じフィッシャー−トロプシュディーゼル燃料、およびスウェーデンクラス１ディーゼル燃料と比較した。低負荷（１５００ｒｐｍ、トルク６０ＮｍおよびＢＭＥＰ３．０バール）および中負荷（１５００ｒｐｍ、トルク１１０ＮｍおよびＢＭＥＰ５．５バール）の二つの条件で測定した。
【００２７】
知られているように、スウェーデンクラス１ディーゼル燃料（市街地ディーゼルＥＣＩとも呼ばれる）は、従来のディーゼル燃料に比べ生成するＮＯｘが約１０〜２０％低く、粒子状物質（Ｐｍ）が４０〜５０％低い、標準低排出物参照ディーゼル燃料である。スウェーデンクラス１ディーゼル燃料の規格を表３に示す。
【００２８】
【表３】
2005519165.tif 000005
【００２９】
非乳化フィッシャー−トロプシュ燃料（ＦＴＦ）は、従来のディーゼル燃料と比較してＮＯｘの低減１０〜２５％、Ｐｍの低減４０〜６０％という、優れた排出物性能を有することが示されている（特許文献５を参照）。図２および３に、低および中負荷における、フィッシャー−トロプシュ燃料および本発明のエマルジョン（実施例１）の、スウェーデンクラス１ディーゼル燃料に対する相対的な排出物性能を示す。
【００３０】
図２から分かるように、ＦＴＦは、スウェーデンクラス１ディーゼル燃料と類似の挙動を示す。一方、本発明の燃料エマルジョンは、スウェーデンクラス１より２２％低いＮＯｘ排出および５３％低いＰｍ排出を示す。
【００３１】
図３において、本発明の燃料エマルジョンは、スウェーデンクラス１燃料よりずっと大きなＰＭの低減（９１．５％）を示す。
【００３２】
図４および５においては、燃料のＰｍ／ＮＯｘ性能が、スパークタイミングの変化に対してプロットされる。分かるように、ＦＴＦおよびスウェーデンクラス１燃料の場合、ＮＯｘ排出物を低減するのに、タイミングを遅延しうる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明のエマルジョンを調製するのに用いられる多重スタティックミキサーの一配置の概略図である。
【図２】ディーゼルエンジン（タイミング調整なし）における本発明のエマルジョンの性能を、二つの非乳化燃料と比較するグラフである。
【図３】ディーゼルエンジン（タイミング調整なし）における本発明のエマルジョンの性能を、二つの非乳化燃料と比較するグラフである。
【図４】図２の燃料の性能を、タイミング調整ありで比較するグラフである。
【図５】図３の燃料の性能を、タイミング調整ありで比較するグラフである。
【図１】
2005519165.tif 000006
【図２】
2005519165.tif 000007
【図３】
2005519165.tif 000008
【図４】
2005519165.tif 000009
【図５】
2005519165.tif 000010
【国際調査報告】
2005519165.tif 000011
2005519165.tif 000012
2005519165.tif 000013
2005519165.tif 000014