АЛЬТЕРНАТИВНОЕ АВТОМОБИЛЬНОЕ ТОПЛИВО ДЛЯ БЕНЗИНОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ, СОДЕРЖАЩЕЕ ПРОИЗВОДНОЕ ФУРФУРОЛА
ALTERNATIVE AUTOMOTIVE FUEL FOR GASOLINE ENGINES, CONTAINING FURFURAL DERIVATIVE

Изобретение относится к альтернативному автомобильному топливу, содержащему производное фурфурола, для его применения в двигателях внутреннего сгорания с искровым зажиганием.
В настоящее время и в ближайшем будущем ожидается изменение структуры потребления топлив, где для автомобильных бензинов и, соответственно, автопарка потребуется увеличение среднего октанового числа бензинового фонда.
При относительно неизменном уровне октанового пула базовых углеводородных компонентов на нефтеперерабатывающих заводах (бензины риформинга и крекинга, изомеризат и алкилат), единственным вариантом увеличения среднего октанового числа является применение оксигенатов. В России существующие производства применяемых октаноповышающих добавок находятся не пределе своих мощностей в виду отсутствия свободного объема по сырью.
Поэтому разработка новых источников сырья и их переработка в высокооктановые компоненты топлив является единственным решением увеличения октанового числа бензинового пула.
Исходя из существующих тенденций, актуальным является разработка альтернативных топлив с повышенным содержанием оксигенатов, которые могут быть получены из различных возобновляемых источников, в том числе из растительной биомассы. Например, подобные виды топлив, содержащие в качестве высокооктанового возобновляемого компонента биоэтанол, получают все большее распространение в различных странах. Особый интерес представляют среднеэтанольные топлива, содержащие от 20 до 40% об. спирта (D.S. Hirshfeld et al. Refining economics of U.S. gasoline: octane ratings and ethanol content / Environmental science & technology. - 2014. - Vol. 48. - P. 11064-11071).
5
В основном используется этанол, полученный по технологии первого поколения. Однако, с учетом экологических программ различных стран, нарастают мощности по производству этанола второго поколения из непищевого растительного сырья, в производственном цикле которого имеется свой набор побочных продуктов, например, таких как фурфурол. Его наличие в гидролизованной реакционной массе, как представителя сахара C, сказывается на дальнейшей ферментации в сторону уменьшения выхода спирта, поэтому целесообразным является его выделение и использование в качестве молекулы-платформы для последующих синтезов.
Как правило, кислородсодержащие добавки сохраняют высокую октаноповышающую способность до достижения концентрации около 30% в топливе, при дальнейшем увеличении концентрации добавок, их антидетонационная эффективность снижается (М.А. Ershov et al. Development of E30 bioethanol fuel composition based on low-octane fractions of exhaustive hydrocarbon feedstock processing / Chemistry and technology of fuels and oils. - 2016. - Vol. 52. - №3. - P. 241-249). Отмеченное свойство оксигенатов позволяет использовать для производства высокооктанового альтернативного топлива, в том числе и низкооктановые углеводородные фракции нефтепереработки.
Помимо биоэтанола, целесообразным является вовлечение в состав альтернативных топлив производных фурфурола.
3
12
Известна топливная композиция для автомобильных двигателей на основе углеводородной фракции С-С, содержащая 0,1-20% об. этанола и кислородсодержащую добавку, отличную от этанола, в том числе выбранную из гетероциклических соединений в количестве 0,1-15% об.
(Заявка WO №00153437, 2000/2001).
Известна композиция автомобильного топлива, содержащая углеводородную фракцию и антидетонационную добавку, представляющую собой ацетали фурфурола в количестве 1,0-15,0% мас.
(Патент РФ №2704035, 2018).
Известно получение биотоплив из производных 2-метилфурана.
(Патент US №9199955, 2015).
Известна также топливная композиция для двигателей внутреннего сгорания, содержащая антидетонационный компонент, имеющий температуру кипения не более 150°С, в качестве которого может выступать алкилфуран, в частности 2-метилфуран, в количестве 0,1-50% об. Топливная композиция представляет собой смесь бензиновой основы с октановым числом по исследовательскому методу в диапазоне 85-105 ед., по моторному - 75-95 ед. Дополнительно бензин может содержать антидетонационную добавку, быть этилированным или неэтилированным.
(Патент ЕР №0082689, 1982).
Недостатками известных топливных композиций альтернативных топлив является то, что они содержат высокооктановую углеводородную фракцию в качестве основной фракции, в т.ч. с высоким содержанием ароматических углеводородов, поэтому отпадает необходимость в добавлении оксигенатов, а также низкая толерантность к воде таких топлив.
Наиболее близким по составу к заявляемому является альтернативное автомобильное топливо с октановым числом не менее 92,0 ед., определенным по исследовательскому методу, которое включает в себя этиловый спирт и углеводородную фракцию и отличается тем, что в качестве углеводородной фракции содержит бензиновую фракцию процесса гидрокрекинга, выкипающую в интервале температур 28-225°С, при следующем соотношении компонентов, % мае: этиловый спирт 20-40, углеводородная фракция до 100.
(Патент РФ 2605952, 2017).
Недостатками указанного изобретения является низкая относительно бензина теплота сгорания альтернативного топлива, что в условиях эксплуатации будет приводить к повышению расхода топлива стандартных автомобилей.
Задачей данного изобретения является разработка альтернативного автомобильного топлива для двигателей внутреннего сгорания с искровым зажиганием, обладающего теплотой сгорания, близкой к автомобильному бензину, с октановым числом по исследовательскому методу не менее 90,0 единиц, высокой фазовой стабильностью (толерантностью к воде), которое позволяет расширить ассортимент альтернативных топлив, и должно удовлетворять основным требованиям к характеристикам автомобильных бензинов по ГОСТ 32513 и TP ТС 013/2011.
Для решения поставленной задачи предлагается альтернативное автомобильное топливо для двигателей внутреннего сгорания с искровым зажиганием с октановым числом не менее 90,0 единиц по исследовательскому методу, включающее в себя этиловый спирт и углеводородную фракцию, выкипающую до 225°С, которое отличается тем, что дополнительно содержит 2-метилфуран, причем этиловый спирт и 2-метилфуран представляют собой продукт переработки растительного целлюлозного сырья, получены в одном производственном цикле и входят в состав альтернативного топлива при следующем соотношении компонентов, % мас.:
Этиловый спирт и 2-метилфуран суммарно
5,0-50,0
Углеводородная фракция
до 100,0
Альтернативное автомобильное топливо дополнительно содержит стабилизирующий агент фенольного (например, ионол) или аминного типа (например, триэтилентетрамин) в количестве до 500 мг/кг.
Альтернативное автомобильное топливо может содержать присадку с антикоррозионными свойствами (например, DCI-11 или BioStable Е85 G-Plus, но не ограничиваясь ими) в количестве 12-350 мг/л.
Альтернативное автомобильное топливо дополнительно может содержать толуол в количестве до 10% мас.
Все компоненты топливной композиции, используемые в предлагаемом изобретении, промышленного производства.
Преимуществом изобретения является то, что теплота сгорания предлагаемого альтернативного топлива выше, чем у прототипа, и приближается к теплоте сгорания автомобильного бензина.
Также преимуществом является возможность получения в одном производственном цикле этилового спирта и 2-метилфурана, которые представляют собой продукт переработки растительного целлюлозного сырья.
В качестве углеводородной фракции предлагаются бензиновые фракции процессов нефтепереработки, которые выкипают до 225°С, представленные в таблице 1.
Также углеводородные фракции могут характеризоваться низким октановым числом по исследовательскому методу.
Вовлечение в состав альтернативного топлива толуола позволяет уменьшать долю этилового спирта в топливе благодаря его высокой антидетонационной характеристике и приблизить эксплуатационные свойства топлива к стандартному автомобильному бензину.
В таблице 1 представлены основные характеристики рассматриваемых углеводородных фракций, использованных для приготовления альтернативного моторного топлива. В качестве базовых углеводородных фракций использованы пять бензиновых фракций процессов нефтепереработки, которые выкипают до 225°С.
В качестве примеров предлагаемого изобретения было приготовлено пять образцов композиции альтернативного моторного топлива, результаты испытаний которых представлены в таблице 2, в которой также приведены нормы на показатели качества автомобильных бензинов по ГОСТ 32513 и TP ТС 013/2011.
Результаты испытаний показывают, что образцы топлива отвечают основным требованиям ГОСТ 32513 и TP ТС 013/2011.
Октановое число образцов по исследовательскому методу составляет выше 90,0 единиц.
Удельная низшая теплота сгорания образцов выше, чем у образцов, приведенных в примерах изобретения-прототипа за счет наличия энергонасыщенного 2-метилфурана.
Температуры помутнения всех образцов ниже минус 60°С, а также топлива могут содержать в себе повышенное содержание воды, что говорит о высокой фазовой стабильности топлив, не приводящих к расслоению при отрицательных температурах.
Добавление специальных присадок позволяет получить топлива с высокими антикоррозионными свойствами. Это подтверждает наличие сильной коррозии стальных стержней в образце без присадок (3 балла) и отсутствие коррозии в образцах с присадками (0 баллов). Испытание проводилось по методике СТО 11605031-006 на основе ASTM D665. Полированные стальные стержни погружаются в смесь образца испытуемого топлива с водой в соотношении 10:1 и выдерживаются 4 часа при температуре 38±1°С. Степень коррозии оценивается визуально по шкале от 0 до 3 баллов.
Таким образом, совместное использование этанола и 2-метилфурана, полученных в одном производственном цикле при производстве гидролизного (целлюлозного) этанола в качестве оксигената, позволяет расширить ассортимент альтернативных топлив. Также преимуществом является простота состава топлива и возможность использовать несколько фракций нефтепереработки и повышение теплоты сгорания по сравнению с прототипом.
Разработанное альтернативное моторное топливо для двигателей внутреннего сгорания с искровым зажиганием имеет октановое число не менее 90,0 ед. по исследовательскому методу, необходимую фазовую стабильность при его эксплуатации при отрицательных температурах окружающей среды, дополнительно улучшенные антикоррозионные свойства, что удовлетворяет основным требованиям к характеристикам автомобильного бензина по ГОСТ 32513 и TP ТС 013/2011, а также обладают близкой к автомобильному бензину теплотой сгорания.