醇连续脱水制备用于柴油发动机燃料的醚和水制造技术

本发明专利技术涉及一种充氧燃料组合物，及催化醇脱水设备，所述燃料组合物适合于配有进气预热器压缩点火内燃机使用，所述的设备可使甲醇达到平衡转化和高级醇转化为相应的醚和水。生成的燃料包括，未转化的醇（如甲醇和乙醇）与其相应生成的醚（如二甲醚和二乙醚）和水的增效组合物。生成的燃料以液体形式直接喷射进入发动机气缸中。生成的醚具有良好的点火性能。未转化的醇提供了一种稳定的单相燃料，而且水的存在降低了燃烧温度，产生的尾气中氮氧化物浓度非常低。与所得燃料组合物相关的另一优点是形成的颗粒物浓度低。试验研究表明获得了高的发动机总效率。生成的燃料组合物可作为发动机起动和运行的主要燃料。另外，本发明专利技术减少了对化石液体燃料的依赖性，所使用的原料醇可以由天然气和基本的含碳物质（如煤和可再生资源木材）制造。（*该技术在2020年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】醇连续脱水制备用于柴油发动机燃料的醚和水
本专利技术涉及改进的燃料，其用于配有进口空气加热器的压缩点火的内燃机中。更具体地，本专利技术涉及充氧的柴油(diesel fuel)组合物，其包括一种醇、醚和水的组合物。醇/醚/水的比例由醇催化脱水确定。通过催化脱水装置可得到燃料组合物，所述催化脱水设备由发动机尾气提供热量。其优点是排放浓度低和发动机效率高。专利技术背景自从Rudolf Diesel在1893年首次提出基本的柴油发动机概念后，改进工作一直不断的进行。发动机效率从5％提高到目前的40％以上。经过几十年不断工作和努力，这种类型发动机的可靠性、驱动能力和性能，使其被广泛接受并大量制造。尽管发动机在上述提到的方面得到了改进，但世界范围内的运输工具、轮船和发电站使用柴油发动机数量之大，燃料供应要求不断增加。与柴油发动机类似的火花点火发动机和奥图循环(Otto-cycle)发动机相比，用柴油发动机制造和销售数量评价，良好的燃料节约性是其获得成功最重要的理由之一。根据发动机的大小，在目前柴油发动机中的燃料节省在20％-40％的范围，远比奥图发动机效率高。越来越广泛使用的内燃机依靠化石燃料运转，与此相关，引发了生态与环境问题。由于与燃料燃烧有关产生的气体和固体颗粒物，从考虑人类健康和全球环境变化出发，上述问题已引起国际社会的关注。更具体地，颗粒物、氮和硫的氧化物的数量，对更新式的柴油发动机是一个问题。未燃烧的燃料和一氧化碳已对环境和人类构成其它负面影响。为减少有害排放，一直在进行各方面的改进。这些主要方面有：燃料喷射系统、燃烧室构型、涡轮增压器构型、热量处理系统，如内气冷却器、尾气循环等。外部地，各种用途的催化剂、减震系统和颗粒收集器已被使用和改进。柴油质量是改进-->燃烧和减少排放的又一途径。通过脱硫、加氢及在精制过程中控制燃料蒸馏物的性质，尾气质量得以该善。尽管拥有所取得的一切改进，但由于运行运输工具的数量之大，改善空气质量仍然是世界上的一个大问题。由于未来能源供应缺乏可持续性，目前燃料燃烧和其稳定增长仍然引起了更多的关注。很明显，有三个主要问题需要关注：——未来能源供应的安全性——城市地区的空气质量(有毒成分)——全球空气变化(温室气体)二氧化碳是一种温室气体，其被认为增加了全球大气温度。与内燃机有关燃烧中二氧化碳的产生和排放量的限制须与发动机效率密切联系起来。总的来讲，柴油发动机燃料效率比奥图发动机燃料效率高30％。高出30％的燃料效率大体对应于与少排放30％二氧化碳。天然气和甲醇都是奥图发动机燃料。在上面的描述中，简述了一种提高内燃机中甲醇燃烧效率的方法，该方法通过在运输工具上改良获得高柴油效率。由天然气制甲醇是目前世界上成熟的技术。每年的产量超过25万亿吨(25MMT)。到目前为止，甲醇生产能力已有10多年来每年都在增加。已知的天然气资源储量，其有关的进一步开采和扩大，其价值至少与与已探明石油资源有相等的能量质量。尽管石油和石油衍生化石燃料是目前交通工具的主要能量来源，但天然气和天然气衍生物(deviated Products)目前以有限的方式使用：直接作为压缩天然气(CNG)和液化天然气(LNG)或间接以衍生物及其液化衍生物的形式，如甲醇、醚和费一托法合成(FT)型产品。一种产生能量的可行方案是更加有效的利用资源。另一相关的可行方案是改变在气体工艺中使用油气衍生物产品的比例。基于在运输部门使用所制备燃料的高效利用相结合的方法，在高效利用天然气方面所作的改进是本专利技术的-->关键所在。通过提高新的工业生产厂(规模经济)的生产能力，是提高效率的一个实例。其与高效利用所生产衍生物的技术改进相结合，将会使总效率提高。更具体的，甲醇是目前在奥图发动机中直接使用的一种燃料，或与净汽油混合，或化学反应作为增加辛烷值的MTBE进行使用。在所有的情况下，所述燃料适于奥图发动机且用于奥图发动机。如果生产的燃料能直接或间接在柴油循环发动机中使用，则可望燃料效率提高20％-40％。为实现上述目的，提出了许多改进方法。此处提及一种极其相关的方法，该方法提出将甲醇转化为二甲醚(DME)且作为一种柴油使用(美国专利5,906,664)。二甲醚也可用一种直接工艺生产(Topsoe专利DK 171,707)而且不仅可节约工厂建设的投资且可节约运转费用。二甲醚是一种良好燃烧性能的优异的柴油。使用该燃料，没有颗粒物形成且NOx排放量低，但燃料效率没有降低。燃料的效率与基于能量相等质量的柴油机相一致。但基础设施投资和生产成本等，比汽油和柴油常规的需求昂贵很多。为实现二甲醚高效率，避免昂贵的生产等费用，甲醇的生产、配送及作为基本能量载体过程要一体化。于是提出甲醇在运输工具上转化为二甲醚。通过催化转化器进行甲醇的转化。脱水工艺所使用的催化剂是在已知的在气溶胶工业中使用的催化剂。使用一热交换器利用尾气多余的热量加热催化转化器。所得到的燃料适合作直接或间接的柴油喷射发动机的燃料，该发动机配有进气加热器。储存少量制备的燃料可使发动机瞬时起动成为可能。使用制备的燃料组合物的另外优点是同时生成水。由于燃烧温度降低到甚至低于使用净二甲醚运转时的水平，因此这种水减少了氮氧化物(NOx)的形成。由于热力学的原因出现了少量未转化的甲醇，其可作为二甲醚/水混合物的助溶剂(CO-solvent)，以确保在非常低的凝点时获得稳定的单一相燃料。-->本专利技术涉及一种方法，通过该方法将低燃料效率的奥图燃料改进为高燃料效率的柴油，可实现高效率和低排放的目的。更具体地，甲醇是一种高辛烷值(115)和低十六烷值(5)的奥图发动机燃料，可通过催化脱水工艺预先转化为具有低辛烷值和高十六烷值(＞55)的二甲醚(DME)和水。所获得的燃料包括一些未转化的甲醇、生成的主要成分醚和及相关的水。这种燃料组合物被直接用作柴油发动机燃料。制备的二甲醚十六烷值高(＞55)，而且认为是一种优良的柴油。由2摩尔甲醇可形成1摩尔二甲醚和1摩尔水。化学反应式如下：甲醇脱水    平衡限制使甲醇不可能100％转化为二甲醚和水。这意味着甲醇转化或脱水制醚和水时，总会有一些未转化的甲醇，除非使用一分离或蒸馏工艺。但试验用发动机的测试表明不需要分离制备的燃料。且已发现只有进口空气预热与催化脱水工艺的必要结合，才能获得其在柴油发动机中的平稳燃烧。由无水甲醇脱水得到的燃料组合物，其二甲醚和水之间恒定的分子比例为1∶1。如表示为质量比，二甲醚和水的比例为2.56。根据甲醇脱水程度，甲醇在生成的二甲醚/水中的量占0％(理论转化率100％时)，如零转化时，其占100％。这种解释以不规则四边形示意图表示于附图1中。目前先进的甲醇工业生产装置配有高质量的蒸馏设施，以制备高质量的化学级甲醇。如果应用另外一个简单的分离设备，可节约投资和操作费用。因此可获得便宜的燃料级甲醇。这种粗或工业级的甲醇包括一些乙醇、高级醇和多达20％(重量)的水，需权衡粗甲醇和化学级甲醇生产等方面的利弊。但是这些醇可以像甲醇一样脱水具有良好的柴油质量性能。由乙醇制备二乙醚的化学反应式如下：-->乙醇脱水    形成的二乙醚具有低的自燃温度(160℃)，它甚至比二甲醚自燃温度(237℃)低。高级醇脱水同样生成醚和水。形成的醚和水之间的分本文档来自技高网...

【技术保护点】
使用含有醇和／或醚与水的一种燃料，使压缩点火发动机运转的方法，其中，通过喷射燃料到发动机燃烧室，并在空气存在条件下使燃料燃烧，所述燃料燃烧的空气被预热到至少６０℃。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】US 1999-7-1 60/141,8341.使用含有醇和/或醚与水的一种燃料，使压缩点火发动机运转的方法，其中，通过喷射燃料到发动机燃烧室，并在空气存在条件下使燃料燃烧，所述燃料燃烧的空气被预热到至少60℃。2.在内燃机中可持续使用的一种充氧柴油燃料组合物，包括甲醇、二甲醚和水，其中，甲醇的转化率为50-95％，而且其中二甲醚与水的摩尔比为1；根据图2，该燃料可在运输工具上由甲醇催化脱水制备；所制备的燃料组合物用作发动机的主要燃料，而且喷射到预燃室或直接进入发动机气缸中；脱水温度介于200℃到450℃之间；脱氢压力介于10巴到400巴之间；脱氢触媒剂由尾气的热交换加热，通过与尾气的热交...

【专利技术属性】
技术研发人员：斯文埃里克米克尔森，彼得莱曼，约翰博吉尔汉森，
申请(专利权)人：霍尔多托普索埃公司，
类型：发明
国别省市：DK[丹麦]