分子尺寸燃料添加剂主体
阅读：109发布：2021-02-15
专利汇可以提供分子尺寸燃料添加剂主体专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 一般涉及新一代 燃料 添加剂，其可提供催化作用以改良 化石燃料 的燃烧方法，并且尤其涉及含有 铁 化合物以及高 碱 性镁化合物的催化剂，其在 燃烧室 内呈分子尺寸粒子。这种燃料添加剂催化剂尤其适用于 燃料油 燃烧、 天然气 燃烧、固定式燃气 涡轮 机、天然气燃烧往复式 发动机 、 柴油发动机 、 汽油 发动机以及所有固定式双燃料发动机。，下面是分子尺寸燃料添加剂主体专利的具体信息内容。
1.一种燃料添加剂，其包含一种以上金属、金属氧化物或金属化合物，其用以改良化石燃料的燃烧，其中所述燃料添加剂包含：
第一金属、金属氧化物或金属化合物，所述第一金属化合物为铁并且溶解于溶剂中，其中在所述添加剂中所述铁的浓度为小于以重量计2PPM；
在所述溶剂中形成胶态悬浮液的第二金属、金属氧化物或金属化合物，所述第二金属、金属氧化物或金属化合物为镁化合物；
其中所述燃料添加剂中所述金属、金属氧化物或金属化合物的浓度以铁和镁的重量计大于0.1PPM并且小于15PPM；以及
第三金属、金属氧化物或金属化合物，其与所述第一金属、金属氧化物或金属化合物、或所述第二金属、金属氧化物或金属化合物或两者在200nm至2500nm的波长带上光谱互补，所述第三金属、金属氧化物或金属化合物包含铜；
其中引入到所述化石燃料的燃烧室中的燃料添加剂粒子在所述燃烧室中具有分子粒子尺寸。
2.根据权利要求1所述的燃料添加剂，其中所述燃料添加剂粒子的至少50％具有分子尺寸。
3.根据权利要求1所述的燃料添加剂，其中一种以上所述金属、金属氧化物或金属化合物任选地选自以下金属：铝、镁、铁、锡、铈、锰、铜、钴、镍、钯和铂。
4.一种燃料添加剂，其包含至少三种金属、金属氧化物或金属化合物，其用于改良化石燃料的燃烧，其中所述至少三种金属、金属氧化物或金属化合物选自以下中的一种：铝、镁、铁、锡、铈、锰、铜、钴、镍、钯和铂；其中具有最高重量浓度的第一金属、金属氧化物或金属化合物为铁，其中在所述添加剂中所述铁的浓度为小于以重量计2PPM，以及第三金属、金属氧化物或金属化合物与铁在200nm至600nm的波长带上光谱互补并与第二金属、金属氧化物或金属化合物在800nm至2500nm的波长带上光谱互补；
其中所述燃料添加剂中所述金属的浓度以重量计大于0.1PPM并且小于15PPM。
5.根据权利要求1所述的燃料添加剂，其中所述溶剂选自甲苯、己醇、辛醇、二甲苯、燃料油以及石油精或其等效物中的一种。
6.根据权利要求5所述的燃料添加剂，其中所述燃料油为煤油或石脑油。
7.根据权利要求1所述的燃料添加剂，其中所述溶剂为芳香烃150。
8.根据权利要求4所述的燃料添加剂，其中所述化石燃料用于燃料油燃烧方法、天然气燃烧方法、固定式天然气涡轮机、天然气燃烧往复式发动机、汽油和柴油内燃发动机、大型固定式柴油发动机以及大型固定式双燃料发动机中的一种。
9.根据权利要求8所述的燃料添加剂，其中燃料油燃烧方法包括使用馏出燃料油，所述方法包括非公路应用。
10.根据权利要求8所述的燃料添加剂，其中燃料油燃烧方法包括使用馏出燃料油，所述方法包括住宅应用、商业能量消耗、工业应用、农场应用、发电、铁路应用、船舶装载燃料以及军事应用。
11.根据权利要求1所述的燃料添加剂，其中所述第一金属化合物包括二环戊二烯基Fe0、环戊二烯基三羰基Fe0以及羧酸的铁盐。
12.根据权利要求1所述的燃料添加剂，其中所述铁的第一金属化合物为二茂铁。
13.根据权利要求1所述的燃料添加剂，其中添加到所述化石燃料中的所述金属灰分含量以重量计大于0.5PPM并且小于15PPM。
14.根据权利要求1所述的燃料添加剂，其中所述其它金属、金属氧化物或金属化合物的重量浓度小于铁的重量浓度。
15.根据权利要求14所述的燃料添加剂，其中所述至少一种其它金属、金属氧化物或金属化合物为溶解于所述溶剂中或在所述溶剂中形成胶态悬浮液的铜。
16.根据权利要求1所述的燃料添加剂，其中所述铁的第一金属化合物溶解于闪点在
108°F与200°F之间的石脑油溶剂中。
17.根据权利要求1所述的燃料添加剂，其中所述镁化合物为高碱性的。
18.根据权利要求17所述的燃料添加剂，其中所述高碱性镁化合物为磺酸镁或羧酸镁。
19.根据权利要求1所述的燃料添加剂，其中所述铜的重量浓度小于铁的重量浓度。
20.根据权利要求1所述的燃料添加剂，其中化石燃料包括馏出燃料油、天然气以及煤。
21.根据权利要求20所述的燃料添加剂，其中所述馏出燃料油包括汽油。
22.根据权利要求20所述的燃料添加剂，其中所述馏出燃料油用于包括但不限于以下的燃烧方法：非公路应用。
23.根据权利要求20所述的燃料添加剂，其中所述馏出燃料油用于包括但不限于以下的燃烧方法：住宅应用、商业能量消耗、工业应用、农场应用、发电、铁路应用、船舶装载燃料以及军事应用。
24.根据权利要求1所述的燃料添加剂，其中所述燃料添加剂在所述化石燃料中燃烧时使得由与其混合的所述化石燃料引起的NOx排放减少。
25.根据权利要求1所述的燃料添加剂，其中所述燃料添加剂在所述化石燃料中燃烧时使得燃料效率增加。
26.根据权利要求24所述的燃料添加剂，其与NOx选择性催化还原一起使用以使得与单独选择性催化还原技术相比NOx额外改良。
27.根据权利要求24所述的燃料添加剂，其中所述燃料添加剂在所述化石燃料中燃烧时提供CO排放减少和/或颗粒排放减少中的至少一种。
28.根据权利要求24所述的燃料添加剂，其与废气再循环NOx减少技术组合使用以提供与单独废气再循环相比更完全的燃烧改良。
29.根据权利要求1所述的燃料添加剂，其中所述化石燃料用于馏出燃料油燃烧方法、天然气燃烧方法、固定式天然气涡轮机、天然气燃烧往复式发动机、汽油和柴油内燃发动机、大型固定式柴油发动机以及大型固定式双燃料发动机中的一种。
30.根据权利要求20所述的燃料添加剂，其中所述化石燃料包括馏出燃料油。
31.根据权利要求30所述的燃料添加剂，其中所述馏出燃料油包括低或超低硫含量柴油燃料。
32.根据权利要求26所述的燃料添加剂，其中将润滑剂添加到所述燃料添加剂中，其中在添加所述润滑剂之后所述燃料的润滑性具有不超过400微米的ASTM D 6079 HFRR平均磨斑直径。
33.根据权利要求32所述的燃料添加剂，其中所述平均磨斑直径不超过270微米。
34.根据权利要求30所述的燃料添加剂，其中所述馏出燃料油用于燃料油燃烧方法、柴油内燃发动机、大型固定式柴油发动机以及大型固定式双燃料发动机中的一种。
35.根据权利要求34所述的燃料添加剂，其中所述馏出燃料油包括低或超低硫含量柴油。
36.根据权利要求1所述的燃料添加剂在天然气的应用，其中所述天然气用于一种蒸汽产生器、工艺加热器、燃烧涡轮机、车辆、压缩点火燃烧往复式发动机、火花点火往复式发动机、天然气压缩机、涡轮机、用于发电的联合发电设施、微型涡轮发电机、压缩机以及燃烧器，其主要燃料为天然气以及其中在燃烧之前或期间将所述燃料添加剂添加到所述天然气中。
37.根据权利要求1所述的燃料添加剂在天然气的应用，其中所述天然气用于一种泵，所述泵使用天然气作为其主要燃料以使天然气在管道应用中移动，包括但不限于从井场收集天然气、通过主要管道移动天然气和/或注入天然气到气体存储设施中和从气体存储设施抽取天然气以及其中在燃烧之前或期间将所述燃料添加剂添加到所述天然气中。
38.根据权利要求1所述的燃料添加剂在天然气的应用，其中所述天然气用于一种燃烧涡轮机，所述燃烧涡轮机主要燃料为天然气，其利用分级燃烧，其中将一部分含有所述燃料添加剂的所述天然气引入到一级燃烧区中且将其余部分引入到至少一个完成燃烧的二级区中。
39.根据权利要求1所述的燃料添加剂在天然气的应用，其中所述天然气用于一种低NOx、贫混燃烧涡轮机，所述低NOx、贫混燃烧涡轮机主要燃料为天然气，以及其中在燃烧之前或期间将所述燃料添加剂添加到所述天然气中并使由所述燃烧涡轮机产生的NOx降低
40％或40％以上。
40.一种天然气燃烧方法，其利用根据权利要求32所述的燃料添加剂，其中燃烧器利用燃料诱导的废气再循环。
41.根据权利要求1所述的燃料添加剂在天然气的应用，其中所述天然气用于一种燃烧器，所述燃烧器主要燃料为天然气，其利用烟气再循环以及分级燃烧，以及其中在燃烧之前或期间将所述燃料添加剂引入到所述天然气中。
42.根据权利要求1所述的燃料添加剂在天然气的应用，其中所述天然气用于一种低Nox燃烧器或燃烧涡轮机，所述低Nox燃烧器或燃烧涡轮机使用天然气作为主要燃料并且利用SCR以减少由所述低NOx燃烧器产生的NOx的量，以及其中在所述天然气进入到所述低NOx燃烧器或燃烧涡轮机之前将所述燃料添加剂引入到所述天然气中。
43.根据权利要求1所述的燃料添加剂在化石燃料的应用，其中所述化石燃料包括煤、馏出油、低或超低硫柴油、气化生物质、煤水浆、奥里乳化油或天然气以外的燃料，所述化石燃料用于一种低NOx燃烧器，所述低NOx燃烧器使用包括煤、馏出油、低或超低硫柴油、气化生物质、煤水浆、奥里乳化油或天然气外的其它燃料中的一种的主要燃料并且使用天然气作为重燃燃料添加到燃烧方法中，以及其中在所述天然气用作重燃燃料之前将所述燃料添加剂引入到所述天然气重燃流中。
44.根据权利要求1所述的燃料添加剂在天然气的应用，其中所述天然气用于一种喷雾喷嘴，所述喷雾喷嘴用以在天然气进入燃烧室之前将所述燃料添加剂引入到流动天然气管道中。
分子尺寸燃料添加剂主体
[0002] 3,332,755 A 7/1967 库金(Kukin)44/603
[0003] 4,104,180 A 8/1978 伯诺普(Burnop)508-392
[0004] 5,145,488 A 9/1992 韦伯(Weber)
[0005] 6,866,010 B2 3/2005 梅(May)
[0006] 6,881,235 B2 4/2005 梅
[0007] 6,986,327 B2 1/2006 梅
[0008] 7,229,482 B2 6/2007 梅
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[0017] 新颖燃料添加剂的合成(Synthesis of Novel Fuel Additives)
[0018] 沙拉尔·阿卜杜哈迪·阿卜杜拉·莫吉(Salal Abdulhadi Abdulla Murrhige)和艾哈迈德·阿卜杜密尔·侯赛因·阿米尔(Ahmed Abdulamier hussain Al-Amiery)，2010；
2(5)
2(5)
[0019] 生物化学分部(Biochemical division)，应用科学系(Department of applied science)，科技大学(University of Technology)，伊拉克(Iraq)
技术领域
[0020] 本发明一般涉及新一代燃料添加剂，其可提供催化作用以改良化石燃料的燃烧方法，并且尤其涉及含有铁化合物以及高碱性镁化合物的催化剂，其在燃烧室内呈分子尺寸粒子。这种燃料添加剂催化剂尤其适用于燃料油燃烧、天然气燃烧、固定式燃气涡轮机、天然气燃烧往复式发动机、柴油发动机、汽油发动机以及所有固定式双燃料发动机。催化剂会减少关键性废气排放，如NOx、一氧化碳以及颗粒，同时改良所涉及的燃烧方法的燃料效率。尽管所述催化剂向多种燃烧方法的废气中增加了一些金属灰分，但这种灰分的量和灰分粒子的尺寸被减小到微不足道的程度。近期对馏出燃料油(包括柴油燃料)作出的改变涉及大幅减少硫量到称为低硫或超低硫馏出燃料的程度。在制造这种燃料的蒸馏工艺期间，燃料的润滑性降低到会造成有关燃料注入系统的重大问题的水平。本发明的催化剂的一个实施例通过将润滑剂添加到燃料添加剂中从而恢复丧失的润滑性来解决所述问题。
背景技术
[0022] 先前技术的燃料添加剂一般限于用于包括汽油和馏出燃料油的液体化石燃料中。尽管使用含有铁以及高碱性镁的金属催化剂的益处所属领域的技术人员已熟知，但现有技术已限于以重量计约30PPM至70PPM的铁浓度和以重量计每3至8份铁约1份镁的镁含量。平均粒度也限于约0.007微米。现有技术的所得高灰分含量(虽然通常在ASTM规范内)和大粒度为先前技术的限制。这种大粒度除了增加添加剂的成本以外，还会将金属粒子以高于美国环境保护局(US Environmental Protection Agency)所推荐的水平引入到空气中。
[0023] 所需要的是一种新颖催化剂燃料添加剂，其可用于更多种化石燃料中，具有低粒子密度和粒度以使得实质上消除使用添加剂对设备的损害并且释放到大气中的任何金属灰分显著低于当前EPA推荐标准。
[0024] 可利用这种催化剂的燃烧方法的类型包括(但不限于)通过燃烧方法燃烧的馏出燃料油、天然气燃烧、固定式燃气涡轮机、天然气燃烧往复式发动机、汽油和柴油发动机、大型固定式柴油以及所有固定式双燃料发动机。金属灰分的浓度越低并且粒度越小，对天然气燃烧的环境和设备产生的风险越小。
发明内容
[0025] 本发明包括用于化石燃料的燃料添加剂催化剂，其包括分子尺寸的添加剂粒度。其包括大量金属、金属氧化物以及金属化合物的组合物作为这些燃料添加剂的组分。其包括将这种燃料添加剂应用于化石燃料，包括天然气、汽油、柴油燃料、馏出燃料以及煤。小粒度提供相同品质的催化，同时对利用所述添加剂的燃烧设备产生污染或损害的风险显著减小。
[0026] 在另一个优选实施例中，对用于燃料添加剂的多种金属、金属氧化物以及金属化合物进行选择以便通过添加经选择以使得组合金属的发射光谱中的间隙减到最小的金属、金属氧化物以及金属化合物来使在波长200至2500nm的重要光谱带上的组合萤光发射光谱中的间隙减到最小。这种减到最小改良了NOx排放的减少并且有助于化石燃料的更完全燃烧。
[0027] 在另一个优选实施例中，将其它润滑剂添加到本发明的燃料催化剂中，以达到使在将石油精炼成低或超低硫柴油或馏出燃料的工艺期间润滑性降低所致的发动机部件的磨损减少的目的。
[0030] 图1为方法IP 541/06测试的测试结果的图形表示。
[0031] 图2为方法IP 541/06测试的测试结果的大尺寸图形表示。
[0032] 图3为煤、气以及油燃烧的输出火焰光谱的一般图形表示。
[0034] 图5为铁III在200至600nm的波长带中的归一化发射光谱的图形表示。
[0035] 图6为铜II在200至600nm的波长带中的归一化发射光谱的图形表示。
[0036] 图7为镁II在800至2500nm的波长带中的归一化发射光谱的图形表示。
[0037] 图8为铜II在800至2500nm的波长带中的归一化发射光谱的图形表示。
[0038] 图9为用于将燃料添加剂注入到天然气燃烧器中的系统的示意性表示。
具体实施方式
[0040] 一般来说，热NOx形成的实验测量结果已展示NOx浓度以指数方式取决于温度，并且与火焰中的N2浓度、火焰中O2浓度的平方根以及峰值温度燃烧滞留时间成正比。因此，热NOx的形成受四个因素影响：(1)峰值温度、(2)燃料氮浓度、(3)氧浓度以及(4)在峰值温度下的暴露时间。NOx在工业化国家受到重点关注，因为它是酸雨的首要促成因素之一。已经花了相当大的努力和成本来减少所有利用化石燃料的燃烧环境中的NOx。热固着为燃烧包括低和超低硫馏出燃料的1号和2号馏出油以及天然气的装置中的主要NOx形成机制，这主要是因为这些较轻油、天然气中的氮含量可忽略。与较轻燃料和天然气相比，较重馏出燃料和煤具有明显更严重的NOx问题。
[0041] 现有技术的铁/镁燃料添加剂调配物具有约0.007微米的最小平均粒度并且以按重量计30至75PPM铁以及6至16PPM镁的优选比率用于液体燃料中。因此，添加到燃料中的总金属灰分可高达90PPM。
[0042] EPA在1996年启动了将对用于燃料添加剂中的金属加以限制的程序。具体来说，发现铝、硼、钙、钠、锌、镁、磷、钾以及铁可以按重量计高达25PPM的含量存在并且在大气中不导致健康问题。EPA估计基本燃料中浓度为25百万分率(ppm)的非典型元素一般应在空气中产生小于0.1mg/m3的无毒浓度。在如实例2中所示的本发明的一个实施例中，燃料添加剂催化剂的铁组分使用小于2ppm或以重量计小于EPA推荐最大浓度的1/10，从而降低在大气中已经很低的产生任何健康问题的可能性。镁含量为以重量计铁的1/5，其使得作为健康问题的问题甚至更少。
[0043] 当前燃料添加剂催化剂组合物的一个优选实施例包含铁基化合物、镁基化合物以及添加铁和镁化合物的载剂液体。载剂液体优选地为将溶解铁化合物的溶剂。溶液将实现铁化合物的最大分布和最小分子尺寸粒子。镁化合物可通过载剂液体溶剂溶解或与载剂液体溶剂形成胶态悬浮液或分散液。
[0045] 在燃料添加剂催化剂的一个实施例中，液体载剂选自在市场上可容易地以多种品牌名称获得的闪点低到108°F并且高达200°F的石脑油溶剂之一。二茂铁将以分子形式溶解于这种溶剂中。对于应用柴油燃料芳香烃150来说，优选艾尔化学化工公司(Al Chem Chemical Company)，5280杜兰(Tulane Dr.SW)，亚特兰大(Atlanta)，乔治亚州(Georgia)的产品或其等效物。当载剂液体的闪点成为化石燃料燃烧器应用中的一个问题时，可使用芳香烃系列中的任一种或等效物。
[0046] 在本发明的另一个实施例中，铁以二环戊二烯基铁或“二茂铁”的形式使用。出于本发明的目的，二茂铁包括所属领域的技术人员熟知的所有其衍生物，包括二环戊二烯基Fe0以及环戊二烯基三羰基Fe0及其混合物。另外，可使用的油可溶性化合物包括羧酸铁、二羧酸铁、磺酸铁、柠檬酸铁、环烷酸铁以及螯合化合物，如乙二胺四乙酸。将二茂铁溶解于溶剂二甲苯中，之后引入到燃烧方法中。使用二茂铁的溶液以使粒度减小到分子尺寸粒子。如所属领域的技术人员所了解，镁化合物为高碱性的并且呈磺酸镁(以胶态水平悬浮并且与磺酸和羧酸部分反应的氧化镁和碳酸镁)形式。在一个实施例中，磺酸镁与载剂液体二甲苯形成胶态悬浮液。
[0047] 在另一个实施例中，众所周知，月桂酸镁、二十烷酸镁、棕榈酸镁、油酸镁以及硬脂酸镁均可溶于二甲苯。因此，铁与镁化合物都溶解于载剂溶剂中。因而，可使用这些化合物以将分子尺寸的镁化合物直接引入载剂液体二甲苯或本发明的燃料添加剂的其它优选载剂流体中。
[0048] 在本发明的催化剂燃料添加剂的一个实施例中，其含有至少两种金属、金属氧化物或金属化合物，其粒子在燃烧室内为分子尺寸，可用于许多化石燃料应用中的任一种。对于各应用，需要经特定考量以确保催化剂均匀分布在整个燃烧方法中。
[0049] 出于本发明的目的，馏出燃料油为常规蒸馏操作中产生的石油馏分之一的通用分类。其包括柴油燃料和燃料油。称为1号、2号以及4号柴油燃料的产品用于公路用柴油发动机，如卡车和汽车中的那些柴油发动机，以及非公路用发动机，如铁路机车和农业机械中的那些柴油发动机。称为1号、2号以及4号燃料油的产品主要用于空间加热和发电。燃料油还包括具有多种用途的称为5号和6号的较重燃料油。本发明的催化剂燃料添加剂包括可用于所有馏出燃料油燃烧方法中。
[0050] 出于本发明的目的，本文中详述馏出燃料油的用途。住宅应用包括私人家庭生活区的所有能量消耗。常见用途为空间加热、水加热、空气调节、发光、制冷以及烹调。商业能量消耗包括服务提供设施和非制造企业的设备的能量消耗：联邦、州以及地方政府；和其它私人组织，如宗教、社会或兄弟团体、医院、学校以及大学。工业应用包括用于生产、加工或装配货物(涵盖制造和采矿)的所有设施和设备。农场应用包括主要活动为栽培农作物或饲养动物的机构。发电为主要用于主要业务为向公众出售电力或电力和热的电力生产和热电联供(CHP)工厂的能量消耗部分。铁路应用为另一个能量消耗部分，其包括用于任何用途的所有铁路。船舶装载燃料为另一个能量消耗部分，其由商业或私人船只组成，如游艇、钓鱼船、拖船以及远洋船舶，包括石油公司运作的船舶。军事应用部分为包括美军(US Armed Forces)、国防能源支持中心(Defense Energy Support Center，DESC)以及国防部(Department of Defense)的所有分部的能量消耗部分。非公路为由建筑设备和设施和包括以下的设备组成的能量消耗部分：运土设备、起重机、固定式发电机、空气压缩机等。除建筑以外的其它非公路用途包括伐木、废品和垃圾场以及卡车上的制冷装置。
[0051] 超低硫柴油(ULSD)为用于界定具有实质上降低的硫含量的柴油燃料的标准物。美国EPA批准在装备有需要新燃料的先进排放控制系统的2007年型和更新的公路柴油发动机中使用ULSD燃料。在2014年船舶柴油机以及在2015年机车都需要这些先进排放控制技术。ULSD的新的容许硫含量(15ppm)比针对低硫柴油(LSD，500ppm)的先前美国公路用标准低得多，从而使得符合先进排放控制系统，否则会被这些化合物毒化。北美使用的许多实际燃料的硫在10ppm的范围内。这些系统可大大减少氮氧化物和颗粒物的排放。
[0052] 在一个实施例中，当在进入燃烧方法之前将燃料添加剂催化剂注入到天然气流中时，对载剂液体进行选择以在引入到气流中之后立即蒸发，从而使催化剂在进入燃烧室之前均匀分布。将二茂铁溶解于二甲苯中并且磺酸镁化合物与二甲苯形成胶态悬浮液或分散液，或者形成可溶解于二甲苯中的镁化合物。二甲苯也可用作液体燃料的载剂液体，所述液体燃料包括(但不限于)柴油燃料、汽油以及馏出燃料，并且还可以直接注入到燃煤锅炉中。二甲苯的闪点在约81°F与90°F之间。
[0053] 在本发明的一个实施例中，当呈二茂铁形式的铁溶解时，其为分子尺寸的。当二茂铁进入火焰中时，二茂铁分子的烃部分燃烧掉，留下铁氧化物分子在原位。因此，火焰中铁化合物的粒度显著减小到尺寸小于一微米的分子尺寸。
[0054] 高碱性镁为以磺酸镁(以胶态水平悬浮并且与磺酸和羧酸部分反应的氧化镁和碳酸镁)形式使用的第二金属化合物，其与液体载剂二甲苯形成胶态悬浮液。当磺酸镁粒子进入火焰中时，有机部分燃烧掉，留下氧化镁在燃烧室中，其中50％以上的粒子为分子尺寸，占优势的镁分子为MgO。明显地，燃烧室中50％以上的组合铁氧化物和镁粒子为分子尺寸的，占优势的分子为Fe2O3。在一个实施例中，将二甲苯用作载剂液体，然而先前提到的任何载剂流体都满足。
[0055] 在另一个实施例中，众所周知，月桂酸镁、二十烷酸镁、棕榈酸镁、油酸镁以及硬脂酸镁以及其它镁化合物均高度溶解于二甲苯中。因而，可使用这些化合物将分子尺寸的镁化合物直接引入本发明的燃料添加剂的载剂液体二甲苯中。在那种情况下，镁化合物可以分子尺寸粒子的形式见于载剂液体中。
[0056] 以重量计镁与铁含量的比率为5重量份铁比1重量份镁，但也可接受3与8之间的铁浓度。相对于现有技术调配物对这一添加剂进行的测试展示对于类似催化剂性能来说，以重量计总计1.76PPM的铁和镁提供与具有小于约0.007微米的平均粒度以及以重量计铁和镁一起为60PPM或高于60PPM的粒子含量的现有技术相同量的性能。本发明的燃料添加剂中铁和镁的重量浓度范围可低到约0.1PPM并且高达15PPM并且仍提供催化作用。
[0057] 在本发明的又一个实施例中，具有高百分比的分子尺寸粒子的氧化铜通过将可溶于二甲苯中的铜化合物添加到燃料添加剂中而添加到化石燃料的燃烧室中。这种化合物为所属领域的技术人员所熟知并且包括(但不限于)高碱性环烷酸铜和苯甲酰基丙酮酸铜II。因为铜化合物明显溶解，所以燃烧火焰中50％以上的粒子为分子尺寸粒子。铜化合物在燃烧火焰内燃烧时将发生氧化，留下氧化铜粒子在燃烧区内。待利用的铜量取决于使用燃料添加剂的化石燃料和燃烧方法的许多方面。尽管铁与镁的比率一般稳定在1份镁比少到3份并多达8份铁的比率之间，但铜可显著地在最小约0.1到最大小于3份之间变化以符合特定燃料和燃烧方法应用，所述铜含量小于铁含量。在本发明的一个实施例中，也可使用在载剂液体中形成胶态悬浮液的铜化合物。这种铜化合物将在燃烧区内燃烧从而变为氧化铜粒
子。尽管使用铜作为一个实例，但也可使用在200至2500nm的波长带上与铁、镁或两者的光谱互补的任何金属、金属氧化物或金属化合物。
子。尽管使用铜作为一个实例，但也可使用在200至2500nm的波长带上与铁、镁或两者的光谱互补的任何金属、金属氧化物或金属化合物。
[0058] 尽管这里已使用在燃烧室中的粒度为分子尺寸的铁、镁以及铜作为本发明中所用的金属、金属氧化物或金属化合物的实例，但也可使用选自以下中的任一种的其它金属、金属氧化物或金属化合物：铝、锑、钼、锡、硼、铋、钙、铈、锂、钠、钾、钡、锰、矽、铜、镉、钴、镍、铬、钛、铑、钯、铂、钌、锇、银、钛、锶、钇、锆、铟、钨、钡、磷、钪、钽、镧、镱、镥、铷、钒以及锌。
[0059] 以下实例1量化柴油模拟测试中随时间而变所获得的最大温度的降低量，同时也使所获得的峰值温度与不含燃料添加剂的燃料相比发生偏移。
[0060] 实例1
[0061] 使用称为方法IP 541/06的标准化测试程序比较使用5份铁比1份镁的铁化合物比高碱性镁化合物比率的燃料添加剂的燃烧特征。在这一测试中，粒度和因此的铁和镁的量略高于本发明，但所属领域的技术人员将认识到对减少NOx污染的影响并未因粒度而发生显著变化。
[0062] 测试由将小燃料样品注入到受热的加压筒中仿效圧缩-点火往复式柴油发动机的压缩冲程组成。主要差异在于体积保持恒定，然而在往复式发动机中，体积会增加。所有时间均从燃料注入时起以毫秒计。燃料以毫克注入；可假定存在大量过量的氧并且反应动力学降到伪零阶。进行以下测量：
[0063] ·点火延迟：压力增加了0.2毫巴压力时的时间。
[0064] ·主要燃烧延迟：测量到3.0毫巴压力时的时间。
[0065] ·主燃烧结束：压力达到最终压力的85％时的时间。
[0066] ·燃烧结束：达到最终压力的95％时的时间。
[0068]
[0069]
[0070] *单位为毫秒
[0071] 表1
[0072] 图1展示无燃料催化剂的燃料的25次测试操作1以及使用上述燃料催化剂的25次测试操作2的平均值。纵轴代表燃烧容器内的压力并且横轴代表注入燃料后的时间(毫秒)。
尽管随时间的推移随压力变化进行测量，但根据理想气体定律，我们可假定温度(以绝对温度计)与压力成正比并且因此使压力与绝对温度正相关。
尽管随时间的推移随压力变化进行测量，但根据理想气体定律，我们可假定温度(以绝对温度计)与压力成正比并且因此使压力与绝对温度正相关。
[0073] 为了展示这一测试的火焰所达到的最大变化率以及最大温度，图2展示图1中的曲线的近视图，其中与不含有催化剂的燃料1相比在含有催化剂的燃料2的情况下热增加速率明显更缓慢。当产生NO时，化学反应高度放热。因此，明显更缓慢的温升速率指示由含有燃料催化剂的燃料产生的NO且因此的NOx显著较少。具有催化剂的燃料温度较低指示NOx产生少。与无催化剂相比，当添加催化剂时，注入燃料之后同时展示的火焰温度显著降低，从而降低NOx排放。
[0074] 实例2
[0075] 对在超低硫燃料下操作的三个柴油卡车(油罐车)进行基线测试以测定燃料效率(以每加仑的英里数计)、NOx排放(ppm)以及一氧化碳排放(ppm)。在使用本发明的燃料添加剂之前，用Testo t350XL分析仪测量NOx排放和CO排放。使用燃料添加剂前对所述三个卡车中的每一个进行燃料效率的第二项测试。行驶最少2000英里且记录燃料消耗以建立基线燃料消耗。这些卡车均装备有SCR装置。所有车辆均在超低硫含量柴油下操作。
[0076] 所用催化剂为具有两种不同金属灰分含量的本发明的铁/高碱性镁添加剂，一种的金属灰分含量为约1.0ppm且第二种为约2.0ppm。尽管针对这一测试选择1.0和2.0ppm的金属灰分含量，在其它应用中可使用甚至更低灰分含量为以重量计约0.5PPM且高达约
15PPM的催化剂。
15PPM的催化剂。
[0077] 初始测试包括使用每60加仑超低硫柴油燃料一盎司催化剂的催化剂浓度、或约0.88PPM的催化剂重量浓度、小于1PPM的灰分含量，并且对于至少50％溶解于溶剂二甲苯中的铁化合物，粒度为分子尺寸。所用铁化合物为二茂铁并且镁化合物为磺酸镁。在操作4周之后，燃料效率的计算展示卡车有平均7.4％的燃料效率改良。燃料添加剂的浓度增加到每
30加仑燃料一盎司或以重量计1.76PPM，其中灰分含量小于3PPM。燃料效率增到比基线高
11.6％，并且对于催化剂浓度增加的各车辆始终较高。当在测试运作结束时用Testo
t350XL分析仪测试时，NOx含量平均降低了56.9％，并且CO含量平均降低了82.3％。尽管未记录颗粒和烟尘排放的测量结果，但驾驶员的意见指示颗粒和烟尘排放减少，这与CO排放减少一致。
30加仑燃料一盎司或以重量计1.76PPM，其中灰分含量小于3PPM。燃料效率增到比基线高
11.6％，并且对于催化剂浓度增加的各车辆始终较高。当在测试运作结束时用Testo
t350XL分析仪测试时，NOx含量平均降低了56.9％，并且CO含量平均降低了82.3％。尽管未记录颗粒和烟尘排放的测量结果，但驾驶员的意见指示颗粒和烟尘排放减少，这与CO排放减少一致。
[0078]
[0079] 表2
[0080] 实例3
[0081] 本发明的燃料添加剂的一个实施例已在为蔬菜加工厂提供额定100MW电功率的低NOx天然气燃烧锅炉中进行测试。燃烧器采用燃料诱导的废气再循环燃烧器以减少NOx。燃烧器需要36％烟气再循环以使NOx减少到加州空气资源委员会(California Air
Resources Board)可接受的含量7ppm以下。如此大量的烟气使氧浓度降到约16％至17％，从而使燃烧变得不稳定。烟气再循环降到24％使燃烧器稳定，但NOx升高到10至11ppm的含量。将本发明的燃料添加剂在天然气进入锅炉中时灌注到天然气中，并且使NOx从10至
11ppm降到5ppm，使得NOx含量减少50％至55％。所需添加剂的量为以重量计1.0+/-0.5ppm的铁添加到天然气燃料中。镁粒子与铁粒子的重量比为1:5。将优选添加剂溶解或以胶态悬浮于载剂溶剂二甲苯中，因此可将其注入到天然气燃料流中，以使得发生均匀混合并且通过蒸发立即去除载剂溶剂。尽管未测量燃料效率，但天然气燃烧器一般在约5％燃料效率改良下运作，同时减少NOx。成功地重复这一天然气应用的测试4次。
Resources Board)可接受的含量7ppm以下。如此大量的烟气使氧浓度降到约16％至17％，从而使燃烧变得不稳定。烟气再循环降到24％使燃烧器稳定，但NOx升高到10至11ppm的含量。将本发明的燃料添加剂在天然气进入锅炉中时灌注到天然气中，并且使NOx从10至
11ppm降到5ppm，使得NOx含量减少50％至55％。所需添加剂的量为以重量计1.0+/-0.5ppm的铁添加到天然气燃料中。镁粒子与铁粒子的重量比为1:5。将优选添加剂溶解或以胶态悬浮于载剂溶剂二甲苯中，因此可将其注入到天然气燃料流中，以使得发生均匀混合并且通过蒸发立即去除载剂溶剂。尽管未测量燃料效率，但天然气燃烧器一般在约5％燃料效率改良下运作，同时减少NOx。成功地重复这一天然气应用的测试4次。
[0082] 实例4
[0083] 天然气发动机卡特彼勒(Caterpillar)35161,340HP型火花点火装置装备有排放传感器。控制过量空气以符合排放要求。尽管过量空气(或贫燃)控制可使NOx含量降到可接受的含量，但发动机在高负载条件下会停止运转。使用本发明的催化剂使发动机在所需最大负载下在贫燃条件下操作，将使NOx产生降低>75％。
[0084] 在正常操作条件下发动机产生约300ppm NOx(2g/bhp-hr)。将催化剂引入到发动机中。首先，以手动方式增加氧含量以使NOx减少。随着氧增加到更大程度的贫燃条件，第一天NOx由300降到120。在约一周之后，由NOx传感器控制氧-燃料比率以达到70ppm或低于
70ppm的NOx含量(0.5g/bhp-hr)。在高负载条件下在这些贫燃条件下操作发动机，显示出催化剂的作用。通过使用催化剂氧含量从使用催化剂前的8.1％增加到8.9％。
70ppm的NOx含量(0.5g/bhp-hr)。在高负载条件下在这些贫燃条件下操作发动机，显示出催化剂的作用。通过使用催化剂氧含量从使用催化剂前的8.1％增加到8.9％。
[0085] 在基于废气中的氧含量的废气和过量空气控制下用具有氧传感器的相同型号的发动机进行第二项测试。在测试开始时，将氧含量设为7.5％以实现在最大负载下的稳定功率。将催化剂投配系统连接到进口歧管。进行四次测量以建立基线条件。NOx在171ppm至
181ppm范围内，产生0.94至1.00g/bhp-hr的含量。在最后一次读取之后开始添加催化剂。第二天早晨测量结果指示NOx含量已下降，NOx降到78至91ppm的范围或0.43至0.67g/bhp-hr，在相同氧设定下减少了48％。废气中的实际氧含量展示从前一天的7.80％-7.95％略微增加到7.91％至8.09％范围，但远不足以解释NOx下降。氧含量接着增加到8.2％的设定值。一小时后获取的NOx测量结果在55至57ppm的范围或为0.31g/bhp-hr。发动机通常在满功率负载下在这一高过量空气或氧含量下操作。在不增加过量空气下观测到NOx显著减少。
181ppm范围内，产生0.94至1.00g/bhp-hr的含量。在最后一次读取之后开始添加催化剂。第二天早晨测量结果指示NOx含量已下降，NOx降到78至91ppm的范围或0.43至0.67g/bhp-hr，在相同氧设定下减少了48％。废气中的实际氧含量展示从前一天的7.80％-7.95％略微增加到7.91％至8.09％范围，但远不足以解释NOx下降。氧含量接着增加到8.2％的设定值。一小时后获取的NOx测量结果在55至57ppm的范围或为0.31g/bhp-hr。发动机通常在满功率负载下在这一高过量空气或氧含量下操作。在不增加过量空气下观测到NOx显著减少。
[0086] 在本发明的一个实施例中，可将在市场上可获得的许多润滑剂中的任一种添加到本发明的燃料添加剂中。具有不超过400微米的ASTM D 6079HFRR平均磨斑直径的任何这种润滑剂都满足。优选地，润滑剂将具有小于270微米的平均磨斑直径。
[0087] 图3显示来自基于油、基于煤以及基于气体的多种燃料燃烧的一般光谱发射。尽管特定谱不同，但如所属领域的技术人员所充分了解，通过选择适用于燃料添加剂的金属、金属氧化物或金属化合物，所用的各燃料可获得最佳的催化作用。横轴上所示的每一波长具有对应的维恩温度(Wien temperature)，其为与各发射谱线有关的温度的量度。
[0088] 图4是由丁烷火焰的发射谱的测量获得。此图说明了使得由本发明的化石燃料中的任一种发生在产生NOx排放的方法中的多种反应的波长和随之的维恩温度。NOx为光化学烟雾的主要促成因素之一。维恩氏位移定律(Wien's displacement law)描述物体基于其温度发射的电磁辐射的最大波长。众所周知，6个反应导致NOx形成：N2+O→NO+N；N2+CH→HCN+N；HCN+O→NCO+H；NCO+H→NH+CO；NH+OH→NO+H；以及N+OH→NO+H。正如化石燃料的氧化涉及许多中间步骤和多种自由基物质，NOx的形成也如此。根据反应步骤，显然自由基物质OH
4、NH5、CN 6以及CH 7与产生NO 3的机制密切相关，且其存在应充当NOx形成的指示物。当产生NO 3分子时，在215与290nm之间的波长以及13,474K与9,990K之间的维恩温度下释放极高能量光子。类似地，NH 5产生波长为335至345nm且维恩温度在8,648K与8,397K之间的光子，OH 4产生波长为305至330nm且维恩温度在9,498K与8,778K之间的光子，CH 7产生波长为380至400nm且维恩温度在7,624K与7,243K之间以及波长为420至440nm且维恩温度在6,
898K与6,584K之间的光子，并且CN 6产生波长为340至360nm且维恩温度在8,520K与8,047K之间以及波长为380至400nm且维恩温度在7,624K与7,243K之间的光子。
4、NH5、CN 6以及CH 7与产生NO 3的机制密切相关，且其存在应充当NOx形成的指示物。当产生NO 3分子时，在215与290nm之间的波长以及13,474K与9,990K之间的维恩温度下释放极高能量光子。类似地，NH 5产生波长为335至345nm且维恩温度在8,648K与8,397K之间的光子，OH 4产生波长为305至330nm且维恩温度在9,498K与8,778K之间的光子，CH 7产生波长为380至400nm且维恩温度在7,624K与7,243K之间以及波长为420至440nm且维恩温度在6,
898K与6,584K之间的光子，并且CN 6产生波长为340至360nm且维恩温度在8,520K与8,047K之间以及波长为380至400nm且维恩温度在7,624K与7,243K之间的光子。
[0089] 所属领域的技术人员熟知伴以高NOx量的高温烟气与其燃烧谱中的高NH 5/CN6光子发射量之间存在较高相关性。尽管促成这些高温的燃烧量通常小于总燃烧能量的1％，但对NOx产生的影响是显著的。还充分了解到，NO2排放也受高CN光子发射量的影响。NOx的产生取决于火焰内尤其高的局部温度和存在那些温度的时间。在本发明的燃料添加剂催化剂的一个实施例中，燃烧罩内呈Fe2O3形式的铁与MgO一起使用以减少NOx排放。
[0090] 已从NIST原子光谱数据库线形式(NIST Atomic Spectra Database Lines Form)获取多种金属的根据价数的光谱数据。因为不同金属的光谱之间的发射强度显著不同，所以NIST数据库给出的相对光谱强度仅在比较相同金属的光谱线的强度时有意义。出于这一原因，将光谱线归一化，使得针对任何特定金属及其适当价数在180nm与2500nm之间的总波长上加和的总发射强度等于1.0。
[0091] 图5表示铁从180nm至610nm的波长的光谱发射线。尽管本发明的添加剂的操作不受任何理论束缚，但相信Fe2O3分子均匀扩散在燃烧过程的整个火焰包络中。来自通常将产生尤其局部高温的NO相关方法的高能量光子的强热将被带走并扩散到火焰的其它位置，从而降低局部热点的温度的强度与那些点保持热之时间长度，从而显著影响NO的产生量，NO的产生需要历经相对较长的时间的极高温。本发明燃料添加剂的分子通过荧光以光速转移这种热，然而热通常是以约音度显著更慢地转移。这些分子吸收通过NO、CN、NH、CH或OH反应中的任一个产生的高能量光子，接着重新辐射出较低能量的光子。因为这些Fe2O3分子位于整个火焰中，所以与无催化剂添加剂的火焰相比，其有助于以极高速度降低火焰包络内极高温度峰值温度，随后减少NH、CN、CH及/或OH自由基产生随后减少废气中的NOx。光子以光速行进，然而热能通常以约音速在火焰包络内扩散。光谱线表示由铁原子重新辐射的能量，其波长所处的能级低于其在整个分子荧光寿命内从激发到发射(以十亿分之一秒计)吸收
的能量。在被光漂白之前，本发明的添加剂的每一分子可吸收并重新发射数百至数千倍光子。
的能量。在被光漂白之前，本发明的添加剂的每一分子可吸收并重新发射数百至数千倍光子。
[0092] 理想地，催化剂金属铁将具有吸收约200至600nm的任何波长的光子的连续光谱，以使NOx减少最大。然而，在铁的发射光谱中在365至390nm、445至510nm以及540至570nm波长中存在大间隙，从而降低催化剂减少NOx的潜在效率。出于定义的目的，金属、金属氧化物或金属化合物将称作金属。对于200至600nm、800至2500nm或200至2500nm的三个连续波长带定义光谱互补。如果基材金属在波长中具有至少一个至少25nm宽的连续间隙，在整个间隙上基材金属的总归一化光谱发射小于0.0025，并且在同一间隙上光谱互补金属产生0.02或大于0.02的总归一化光谱发射，那么金属与基材金属在三个波长带中的至少一个上光谱互补。在200至600nm的波长带上与铁光谱互补的一种金属的实例为铜。在200与600nm之间具有光谱活性的金属包括(但不限于)铁、钇、铂、钯、钌、锇、铜、铯、镱、钼、钽、锰、铼、铝、硼、锂、钨、钙、钾以及钠。
[0093] 图6说明180至600nm的铜光谱线。可注意到，铜增添了归一化强度为0.028的365至390nm以及强度为0.110的445至510nm的显著光谱发射。在本发明的一个优选实施例中，可视情况将铜添加到催化剂中以改良催化剂进一步减少NOx排放的能力或改良经并不包括在
200至600nm的光谱范围中与铁光谱互补的其它金属的催化剂的燃烧。
200至600nm的光谱范围中与铁光谱互补的其它金属的催化剂的燃烧。
[0094] 在光谱互补金属的另一个实例中，可使用铜来辅助本发明的镁的光谱作用以提供有助于镁使所用化石燃料更完全燃烧的光谱线。铁不具有低于约600nm波长的强光谱发射线。镁增加了约1600nm至1900nm的较低能量区中的强光谱线。图7表示800至2500nm的镁的光谱线。认为这一区中的光谱线有助于使得温度更均匀地扩散在整个火焰包络上并且提供更完全燃烧，从而减少CO和颗粒排放并且改良燃料效率。在约800与1050nm光子波长之间的镁光谱线中存在相当大的间隙。
[0095] 图8说明金属铜如何提供约825与1050nm波长之间的强光谱线。在这些波长上，与相同间隙上镁的归一化发射强度为0相比，铜的总归一化发射强度为0.107。这说明了铜与镁在这些波长上光谱互补。将铜引入含有镁的催化剂中有助于更完全地燃烧。此部分光谱中的相对波长带在800nm至2500nm的范围内，光谱互补的定义适用于此范围。在800与2500nm之间具有光谱活性的金属包括(但不限于)镁、钇、锶、铜、铯、钙、磷、铷、矽、钪以及钾。
[0096] 在本发明的一个实施例中，选择铁作为最高浓度的金属、金属氧化物或金属化合物，其浓度与镁的重量浓度1的比率为约3-8。铁与镁在200与600nm之间的波长上光谱互补。同样地，镁与铁在800至2500nm的波长上光谱互补。在一个实施例中，呈二茂铁形式的铁优选地溶解于二甲苯中并且磺酸镁化合物以胶态悬浮于二甲苯中。利用200与600nm之间及/或800与2500nm之间的光谱互补金属、金属氧化物或金属化合物，可自经燃烧的化石燃料实现NOx排放减少、燃料效率改良以及如一氧化碳、颗粒和/或其它未燃烧碳化合物的废气污染物减少。第三金属、金属氧化物或金属化合物选择为重量浓度低于铁的铜。以重量计铜与铁在200与600nm之间的波长上互补并且另外与镁在800与2500nm的波长上互补。在这一实例中具有最高浓度的金属、金属氧化物或金属化合物为铁。尽管选择铜作为与铁光谱互补的金属，但存在许多也可使用的潜在的其它金属，包括(但不限于)钇、铂、钯、钌、锇、钽、锇、铯、铈、镱、钼、锰、铼、铝、硼、锂、钨、钙、钾以及钌。类似地，尽管铜与镁在波长800至2500上光谱互补，但许多其它金属、金属氧化物或金属化合物中的任一种为与镁光谱互补的金属，尤其包括(但不限于)锶、铯、钙、磷、铷、矽、钪、钾以及钇。
[0097] 本发明的实施例的其它实例可包含不同金属组合以制造本发明的催化剂燃料添加剂。用于燃料添加剂的最高重量浓度的任何金属、金属氧化物以及金属化合物选自以下中的一种：铝、锑、镁、铁、钼、锡、硼、铋、钙、锂、钠、钾、钡、锰、矽、铜、镉、钴、镍、铬、钛、铈、铑、钯、铂、钌、银、锇、钛、锶、钇、锆、铟、钨、钡、磷、钪、钽、镧、镱、镥、铷以及钒。可选择不一定选自以上指定金属的两种其它金属、金属氧化物或金属化合物，其与最高浓度的金属在
200nm至2500nm波长的整个光谱范围上光谱互补。
200nm至2500nm波长的整个光谱范围上光谱互补。
[0098] 这种添加剂在与化石燃料组合时可用于在以下情况中的一种中减少NOx和/或改良一氧化碳排放排放、颗粒排放或燃料效率中的一种：燃料油燃烧方法、天然气燃烧方法、固定式天然气涡轮机、天然气燃烧往复式发动机、汽油和柴油内燃发动机、大型固定式柴油发动机以及大型固定式双燃料发动机。馏出燃料油燃烧方法包括住宅应用、商业能量消耗、工业应用、农场应用、发电、铁路应用、船舶装载燃料、军事应用以及非公路应用。
[0099] 含有溶解于任一前述溶剂中的为铁的第一金属、金属氧化物或金属化合物和至少一种其它金属、金属氧化物或金属化合物(其实例可为于相同的本发明溶剂中形成胶态悬浮液的镁)的燃料添加剂适用于许多不同应用，包括(但不限于)包括锅炉的燃料油燃烧方法；包括锅炉的天然气燃烧方法、固定式天然气涡轮机、天然气燃烧往复式发动机；汽油和柴油应用于内燃发动机、大型固定式柴油发动机以及大型固定式双燃料发动机。
[0100] 使用天然气作为主要燃料的燃烧涡轮机由三个主要组件构成：压缩机、燃烧器以及动力涡轮机。在压缩机部分中，如所属领域的技术人员所充分了解，吸入环境空气并且通常将其压缩至约30倍环境压力并且引导至燃烧器部分中，在所述燃烧器部分中引入燃料、点火并燃烧。燃烧方法可分类为扩散火焰或贫预混分级燃烧。在扩散火焰燃烧中，燃料/空气混合和燃烧在一级燃烧区同时发生。由此产生温度极高的近化学计量比的燃料/空气混合物。对于贫预混燃烧器，燃料和空气在初始阶段充分混合，产生均一、贫乏、未燃烧的燃料/空气混合物，将其递送到发生燃烧反应的二级阶段。使用分级燃烧的燃烧涡轮机也称为干燥低NOx燃烧器(Dry Low NOx combustors)。目前制造的大部分涡轮机为贫预混分级燃烧涡轮机。尽管NOx的含量已通过这种系统得到稳定改良，但在天然气燃烧之前或期间引入本发明的添加剂可进一步减少即使从这种低NOx燃烧涡轮机所产生的NOx的量，达到约40％或40％以上的减少。
[0101] 本发明的燃料添加剂催化剂在用于天然气的燃烧方法时呈现两种现象。首先为发动机能够在低于天然气的可燃性下限的过量氧含量下产生全功率。其次为燃烧方法的初始阶段中导致NOx瞬时形成的自由基形成减少或消除。因此，本发明的燃料添加剂催化剂提供了减少天然气的燃烧方法中的NOx形成的路径。
[0102] 本发明的燃料添加剂适用于减少许多天然气应用的NOx和/或CO，所述天然气应用包括：蒸汽产生器、工艺加热器、燃烧涡轮机、天然气动力车辆、压缩点火往复式发动机、火花点火往复式发动机、天然气压缩机、燃烧涡轮机、用于发电的联合发电设备、微型涡轮发电机以及主要燃料为天然气的燃烧器。燃料添加剂在燃烧室中产生本发明的分子尺寸粒子并且减少NOx和CO排放，同时改良燃料效率。
[0103] 压缩点火或火花点火的天然气燃烧往复式发动机大多在天然气行业中用于管道压缩机和存储站以及气体加工设备。使用这些发动机为压缩机和泵提供机械轴功率。在井场应用中，使用发动机从井场收集天然气。在管道压缩机站，使用发动机以有助于使天然气在站间移动。在存储设施，使用发动机以注入和抽取天然气并且有助于使天然气注入到高压天然气存储场中。在燃烧之前或期间添加到天然气中的本发明的催化剂允许非常简单地翻新较旧的发动机，使得NOx和/或一氧化碳显著减少，同时改良燃料效率。
[0104] 图9为利用本发明的燃料添加剂催化剂的本发明的天然气燃烧器的示意图。将添加剂注入到天然气流中也适合于其它类别的利用天然气作为燃料的燃烧方法。天然气入口
12为使天然气流向气体燃烧器的导管。在天然气入口12中，存在流量传感器13以精确测量任何特定时间点的气体流动量。气流信息自动发送到控制器17，所述控制器使用输入计算引入到气流中的燃料添加剂催化剂的量，以使铁含量维持在以重量计待添加到燃料中的±
5％ppm。尽管普遍认为5％是合理差异，但视情况而定，这一百分比可高于或低于5％。控制器6接着将信号传送到燃料添加剂催化剂泵16以从添加剂储槽3分配既定气流所需的精确
量的添加剂。添加剂管线15与位于气体导管的中心的喷雾喷嘴连接。喷嘴均匀注入细添加剂催化剂使得与传入的气体稳定混合。任选的操作员界面18使操作者易于观察系统操作以便可视需要进行故障处理或系统调节。添加剂接着在入口导管中在天然气与空气混合之前与天然气混合。空气通过空气入孔11引入以形成天然气空气混合物9，并且还任选地提供过量空气8以实现完全燃烧。过量空气和气体燃料混合物进入燃烧气体的燃烧区10中。或者，也可将添加剂直接注入到燃烧室中。图9作为将天然气和空气与本发明的燃烧催化剂混合的一种方法的一般概念性描述。存在所属领域的技术人员充分了解的许多类似流程。
12为使天然气流向气体燃烧器的导管。在天然气入口12中，存在流量传感器13以精确测量任何特定时间点的气体流动量。气流信息自动发送到控制器17，所述控制器使用输入计算引入到气流中的燃料添加剂催化剂的量，以使铁含量维持在以重量计待添加到燃料中的±
5％ppm。尽管普遍认为5％是合理差异，但视情况而定，这一百分比可高于或低于5％。控制器6接着将信号传送到燃料添加剂催化剂泵16以从添加剂储槽3分配既定气流所需的精确
量的添加剂。添加剂管线15与位于气体导管的中心的喷雾喷嘴连接。喷嘴均匀注入细添加剂催化剂使得与传入的气体稳定混合。任选的操作员界面18使操作者易于观察系统操作以便可视需要进行故障处理或系统调节。添加剂接着在入口导管中在天然气与空气混合之前与天然气混合。空气通过空气入孔11引入以形成天然气空气混合物9，并且还任选地提供过量空气8以实现完全燃烧。过量空气和气体燃料混合物进入燃烧气体的燃烧区10中。或者，也可将添加剂直接注入到燃烧室中。图9作为将天然气和空气与本发明的燃烧催化剂混合的一种方法的一般概念性描述。存在所属领域的技术人员充分了解的许多类似流程。
[0105] 使用天然气作为主要燃料的燃烧涡轮机由三个主要组件构成：压缩机、燃烧器以及功率涡轮机。在压缩机部分中，如所属领域的技术人员所充分了解，吸入环境空气并且通常将其压缩至约30倍环境压力并且引导至燃烧器部分中，在所述燃烧起部分中引入燃料、点火并燃烧。燃烧方法可分类为扩散火焰或贫预混分级燃烧。在扩散火焰燃烧中，燃料/空气混合和燃烧在一级燃烧区同时发生。由此产生温度极高的近化学计量比的燃料/空气混合物。对于贫预混燃烧器，燃料和空气在初始阶段充分混合，产生均一、贫乏、未燃烧的燃料/空气混合物，将其递送到发生燃烧反应的二级阶段。使用分级燃烧的燃烧涡轮机也称为干燥低NOx燃烧器。
[0106] 可将金属催化剂分子引入到燃烧阶段的本发明的添加剂可引入到一级燃烧区和至少一个完成燃烧方法的二级区的天然气中。尽管这种燃烧涡轮机经设计以减少NOx，但添加本发明的燃料添加剂将甚至进一步降低涡轮机废气中的NOx含量。类似地，可使用本发明的添加剂以及利用烟气再循环和分级燃烧组合的低NOx燃烧器获得额外NOx减少。
[0107] 在一级燃烧区中，尤其包括煤、馏出油、低或超低硫柴油燃料、气化生物质、煤水浆以及奥里乳化油(orimulsion)的基本燃料通过在低过量空气下操作的常规或低NOx燃烧器燃烧。在这一区域中，重要的是获得基本燃料的完全燃烧并且因此由燃料氮产生NOx，以及瞬时热NOx。第二燃料注入在锅炉区中在基本燃料燃烧之后进行，产生富燃料反应区(重燃(re-burn/re-burning)区)。在此由重燃燃料产生反应性自由基物质，并且这些物质与一级区中产生的NOx化学反应以使其还原成分子氮。燃料在此重燃区中的不完全燃烧产生高含量一氧化碳，并且最终添加二次空气(over-fireair)，产生燃尽区，完成全部燃烧方法。
[0108] 最易于使用的重燃燃料为天然气。天然气由于其易于注入和控制并且其不含任何燃料氮而通常获得最大NOx减少。天然气重燃可获得高达70％的NOx排放减少并且使用气体作为重燃燃料存在其它环境益处。SO2、颗粒以及二氧化碳的排放也减少。当将本发明的燃料添加剂催化剂在天然气作为重燃燃料引入之前添加到天然气中时，NOx的量可甚至进一步减少。可将足量的本发明的添加剂添加到主要燃料或天然气中，以改良燃料效率和/或减少NOx和CO排放。
[0109] 尽管本发明的粒度可显著大于分子尺寸并且仍有效，但优选分子尺寸粒子以降低含有添加剂的天然气燃料内的灰分含量。
[0110] 图10A至图10D说明柴油发动机使用废气再循环(EGR)的结果。进行实验研究以调查EGR对三筒式空气冷却以及恒定速度直接注入柴油发动机(其通常用于农业农场机构)中的排放的影响。四个图展示当FGR的百分比从0％20％至25％烟气再循环19变化并且发动机负载从40％负载至100％负载变化时NOx(图10C)、一氧化碳(图10B)、混浊度(图10D)以及烃(图10A)排放各自的变化。数据公开于工程研究杂志(Journal of Engineering Research and Studies)，第III卷/第II期/2012年4月至6月，侯赛因(J.Hussain)、帕朗杰达
(K.Palaniradja)及艾固(N.Algumurthi)著，机械工程系(Department of Mechanical
Engineering)，本地治里工程学院(Pondicherry Engineering College)，本地治里
(Puducherry)，印度(India)。
(K.Palaniradja)及艾固(N.Algumurthi)著，机械工程系(Department of Mechanical
Engineering)，本地治里工程学院(Pondicherry Engineering College)，本地治里
(Puducherry)，印度(India)。
[0111] EGR对未燃烧烃(HC)和一氧化碳(CO)的影响分别示于图10A和10B。这些图展示HC和CO排放随废气再循环(EGR)增加而增加。较低过量氧浓度在燃烧室内的不同位置产生富燃料空气燃料混合物。这一异质混合物并不会完全燃烧并且产生高碳数烃和一氧化碳排
放。在不完全负载下，贫乏混合物由于混合物的异质性而难以点燃，并且产生较高量的HC和CO，表明不完全燃烧和同时发生的燃料效率损失。图10C展示EGR减少柴油发动机的NOx排放的主要益处。在较高负载下NOx的减少程度较高。在柴油机中使用EGR减少NOx排放的原因为在可燃混合物中氧浓度降低并且火焰温度降低。在不完全负载下，O2为可以足量使用，但在高负载下，O2大幅减少，因而与不完全负载相比，在较高负载下NOx减少更多。在本发明的一个实施例中，将燃料添加剂添加到目前利用EGR的任何燃烧方法中。这样可降低废气再循环的量，随后提供相同NOx减少，不会使如一氧化碳和颗粒的其它污染物有大幅增加，并且降低燃料效率。因而，本发明的燃料添加剂与经设计以减少NOx的废气再循环一起使用可提供更完全燃烧并且使燃料效率与单独废气再循环相比改良。
放。在不完全负载下，贫乏混合物由于混合物的异质性而难以点燃，并且产生较高量的HC和CO，表明不完全燃烧和同时发生的燃料效率损失。图10C展示EGR减少柴油发动机的NOx排放的主要益处。在较高负载下NOx的减少程度较高。在柴油机中使用EGR减少NOx排放的原因为在可燃混合物中氧浓度降低并且火焰温度降低。在不完全负载下，O2为可以足量使用，但在高负载下，O2大幅减少，因而与不完全负载相比，在较高负载下NOx减少更多。在本发明的一个实施例中，将燃料添加剂添加到目前利用EGR的任何燃烧方法中。这样可降低废气再循环的量，随后提供相同NOx减少，不会使如一氧化碳和颗粒的其它污染物有大幅增加，并且降低燃料效率。因而，本发明的燃料添加剂与经设计以减少NOx的废气再循环一起使用可提供更完全燃烧并且使燃料效率与单独废气再循环相比改良。
[0112] 如所属领域的技术人员所熟知，燃烧方法的废气中NOx的选择性催化还原(SCR)为在NOx已通过燃烧方法产生之后从废气减少NOx的优选方式之一。氨用以在存在催化剂床的情况下与废气混合时与NOx反应。然而，熟知SCR受温度限制，从而当废气温度低于约450°F或高于约850°F时引起称为氨泄漏的现象，届时氨与废气混合离开发动机(称为“氨泄漏”的现象)。本发明的催化剂提供在燃烧期间额外NOx减少，使得在引入到SCR系统中之前废气流中NOx的含量显著降低，从而显著减少氨使用、氨泄漏并且使NOx含量降低到比在无添加剂下使用SCR可能得到的含量低的含量。燃料添加剂用以在任何废气温度下减少NOx。对于利用SCR实现NOx减少(NOx减少水平不符合可接受水平)的天然气涡轮机，在天然气进入到气体涡轮机之前将本发明的燃料添加剂引入到天然气中使得用低成本并且简单的方式降低NOx含量，而不必重建气体涡轮机。
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