ES2574652T3 - Uso de combinaciones de combustible diésel de gas a líquidos y derivado de petróleo crudo - Google Patents

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ES2574652T3 ES05752458.9T ES05752458T ES2574652T3 ES 2574652 T3 ES2574652 T3 ES 2574652T3 ES 05752458 T ES05752458 T ES 05752458T ES 2574652 T3 ES2574652 T3 ES 2574652T3
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    • C10L1/08Liquid carbonaceous fuels essentially based on blends of hydrocarbons for compression ignition

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Abstract

Uso de combustible diésel de gas a líquidos (GTL) que tiene una densidad a 15ºC por debajo de 0,78 kg/l, un contenido en azufre de menos de 1 mg/kg, compuestos poliaromáticos por debajo del 0,1% en masa y un índice de cetano por encima de 65, como componente de combinación para al menos un combustible diésel derivado de petróleo crudo para reducir las emisiones de NOx y hollín de la composición de combustible diésel resultante, caracterizado porque el combustible diésel derivado de petróleo crudo tiene una densidad a 15ºC por debajo de 0,85 kg/l, un contenido en azufre de menos de 10 mg/kg, un contenido en compuestos poliaromáticos por debajo del 5% en masa y un índice de cetano de desde 51 hasta 60, con lo cual las emisiones de NOx y hollín de la composición de combustible diésel resultante, cuando se quema en un motor, se reducen de manera no lineal hasta un grado mayor de lo que se esperaría cuando se considera la razón de combinación del diésel GTL con respecto al combustible diésel derivado de petróleo crudo.

Description

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DESCRIPCION
Uso de combinaciones de combustible diesel de gas a liquidos y derivado de petroleo crudo Campo de la invencion
La invencion se refiere al uso de combustible diesel de gas a liquidos (GTL) como componente de combinacion para al menos un combustible diesel derivado de petroleo crudo para reducir las emisiones de NOx y hollin de la composicion de diesel resultante.
Antecedentes de la invencion
Los combustibles sinteticos tales como el combustible diesel GTL (de gas a liquidos) han visto un aumento significativo en el interes en los ultimos anos. Se considera que son combustibles extremadamente limpios, con cantidades despreciables de azufre y compuestos aromaticos, y no tienen olor y tienen un indice de cetano > 70. El combustible diesel GTL usado en los ejemplos en esta memoria descriptiva de patente se fabrico por medio del proceso Sasol Slurry Phase Distillate (Sasol SPD™), que consiste en tres etapas de proceso, tal como se representa de manera esquematica en la figura 1.
En la primera etapa, se usa un proceso de reformado autotermico para convertir el gas natural en el gas de sintesis, una mezcla de CO y H2. En una segunda etapa, se convierte el gas de sintesis en un denominado crudo de sintesis que contiene predominantemente hidrocarburos parafinicos, mediante un proceso de Fischer-Tropsch. Este crudo de sintesis esta principalmente en forma de ceras y destilados, que se refinan adicionalmente en una tercera etapa de mejora del producto por medio de hidroprocesamiento suave, con el fin de producir productos que cumplan con las especificaciones del combustible comercial, tales como el combustible diesel y el queroseno.
El documento GB 2387175 A da a conocer una posible reduccion de la emision de hollin de un combustible diesel mediante la oxidacion del combustible hasta un determinado punto y mezclandolo luego con determinados compuestos organicos que contienen oxigeno. No aborda el problema de la reduccion de NOx.
El documento WO 03/087273 A1 da a conocer un metodo de aumento del indice de cetano de un producto de gasoleo basandose en un gasoleo derivado de petroleo mediante la adicion de un gasoleo derivado de Fischer- Tropsch que tiene un indice de cetano mayor que el del gasoleo derivado de petroleo. No se menciona la reduccion de NOx.
El documento WO 01/83848 A da a conocer un metodo para lograr niveles de emisiones de materiales craqueados que sean equivalentes o superiores a los de combustibles de base a la vez que contengan niveles mayores de compuestos aromaticos y poliaromaticos, donde los combustibles de base son combustibles de base derivados de petroleo convencionales.
Sumario de la invencion
La invencion proporciona el uso de un combustible diesel de gas a liquidos (GTL), diesel GTL que tiene una densidad a 15°C por debajo de 0,78 kg/l, un contenido en azufre de menos de 1 mg/kg, compuestos poliaromaticos por debajo del 0,1% en masa y un indice de cetano por encima de 65, como componente de combinacion para al menos un combustible diesel derivado de petroleo crudo para reducir las emisiones de NOx y hollin de la composicion de combustible diesel resultante, caracterizado porque el combustible diesel derivado de petroleo crudo tiene una densidad a 15°C por debajo de 0,85 kg/l, un contenido en azufre de menos de 10 mg/kg, un contenido en compuestos poliaromaticos por debajo del 5% en masa y un indice de cetano de desde 51 hasta 60 con lo cual las emisiones de NOx y hollin de la composicion de combustible diesel resultante, cuando se quema en un motor, se reducen de manera no lineal hasta un grado mayor de lo que se esperaria cuando se considera la razon de combinacion del diesel GTL con respecto al combustible diesel derivado de petroleo crudo.
La composicion de combustible diesel resultante puede tener menos de 10 mg/kg de azufre.
La composicion de combustible diesel resultante puede tener menos del 5% en masa de compuesto aromatico policiclicos.
El combustible diesel derivado de petroleo crudo puede ser un combustible que cumple con la especificacion de la norma EN590.
El intervalo de razon volumetrica de diesel GTL:derivado de petroleo crudo puede ser de desde 1:9 hasta 9:1.
El intervalo de razon volumetrica de diesel GTL:derivado de petroleo crudo puede ser de desde 1:5 hasta 5:1.
La razon molar de H:C de la composicion de combustible diesel resultante puede ser de desde 1,85:1 hasta 2,05:1.
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La razon molar de H:C de la composicion de combustible diesel resultante puede ser de desde 1,9:1 hasta 2,00:1.
La composicion de combustible diesel resultante puede tener una temperatura de destilacion del 10% segun la norma ASTM D86 de desde 180°C hasta 220°C.
El documento GB 2387175 A da a conocer una posible reduccion de la emision de hollin de un combustible diesel mediante la oxidacion del combustible hasta un determinado punto y mezclandolo luego con determinados compuestos organicos que contienen oxigeno (veanse el resumen y la pagina 25, lineas 22 a 25). Los combustibles diesel pueden derivarse de diversas fuentes incluyendo petroleo o sintesis de Fischer-Tropsch.
El documento WO 03/087273 A1 da a conocer un metodo para aumentar el indice de cetano de un producto de gasoleo basandose en un gasoleo derivado de petroleo mediante la adicion de un gasoleo derivado de Fischer- Tropsch que tiene un indice de cetano mayor que el del gasoleo derivado de petroleo. La cantidad de gasoleo derivado de Fischer-Tropsch anadido para alcanzar un indice de cetano objetivo es menor que la cantidad que se anadiria si el aumento del indice de cetano de la combinacion fuese lineal.
La temperatura de destilacion del 10% segun la norma ASTM D86 de la composicion de combustible diesel resultante puede ser de desde 200°C hasta 215°C.
La composicion de combustible diesel resultante puede tener un punto de inflamacion de entre 60°C y 80°C, normalmente de desde 65°C hasta 78°C.
La composicion de combustible diesel resultante puede tener una densidad a 15°C de desde 0,77 kg/l hasta 0,84 kg/l.
La composicion de combustible diesel resultante puede tener una densidad a 15°C de desde aproximadamente 0,8 kg/l hasta aproximadamente 0,82 kg/l.
La composicion de combustible diesel resultante puede tener un poder calorifico inferior de desde 42.500 kJ/kg hasta 43.800 kJ/kg, habitualmente de desde 43.100 kJ/kg hasta 43.600 kJ/kg, normalmente de desde 43.200 kJ/kg hasta 43.500 kJ/kg.
El uso de combustible diesel de gas a liquidos como componente de combinacion para una composicion de combustible diesel que, cuando se quema en un motor, tiene emisiones de NOx y hollin reducidas, produce una composicion que comprende tanto combustible diesel derivado de petroleo crudo que cumple con la especificacion de la norma europea EN590 para combustible diesel libre de azufre (denominado diesel de la UE) como combustible diesel de gas a liquidos (GTL), en el que la razon de combinacion volumetrica de combustible diesel derivado de petroleo crudo con respecto a diesel de gas a liquidos puede oscilar entre 1:99 y 99:1 y la composicion puede tener una razon molar de H:C de entre 1,8:1 y 2,1:1.
Se obtienen reducciones en las emisiones tanto de NOx como de hollin que son mayores que la indicada mediante la razon de combinacion del diesel GTL en el combustible diesel derivado de petroleo crudo.
Por tanto, mas del 70% de la reduccion en las emisiones tanto de NOx como de hollin que puede obtenerse con combustible diesel GTL puro, puede obtenerse con una razon de diesel GTL:derivado de petroleo crudo de 1:1.
Mas del 40% de la reduccion en las emisiones tanto de NOx como de hollin que puede obtenerse con diesel GTL puro, puede obtenerse con una razon de diesel GTL:derivado de petroleo crudo de 1:4.
Sin embargo, en algunas realizaciones, la reduccion en las emisiones de NOx puede ser menor que la reduccion en las emisiones de hollin, y viceversa.
En algunas realizaciones, la reduccion en NOx puede ser minima, sin embargo, el NOx se reducira mediante el uso de diesel GTL segun la invencion.
Las propiedades de la composicion y las razones de combinacion de los componentes son tal como se describio anteriormente para la composicion.
Ejemplos que conlleva la invencion
Se ha estudiado el efecto de combinaciones de combustible diesel GTL en emisiones de escape y en el rendimiento del motor. Se uso combustible diesel de la UE como combustible de referencia, siendo ademas el material de base para las combinaciones. En la tabla 1 se muestran las propiedades de los combustibles de prueba usados en la investigacion.
Tabla 1 Pro
ciedades de los combustibles investigados en este estudio
Propiedad
Unidades GTL combustible diesel GTL al 100% UE50 Combinacion UE:GTL a 50:50 UE80 Combinacion UE:GTL a 80:20 UE Combustible diesel libre de azufre europeo 2005
Densidad a 15HC
kg/l 0,768 0,802 0,821 0,836
Densidad a 20°C
kg/l 0,765 0,798 0,817 0,832
Indice de cetano
71 62 58 54
Azufre total
mg/kg < 1 4 6 7
IBP de la destilacion segun D86
°C 169 157 174 193
5%
°C 180 193 204 214
10%
°C 187 201 212 221
20%
°C 200 215 225 233
30%
°C 219 231 240 248
40%
°C 235 248 256 264
50%
°C 251 264 270 277
60%
°C 267 277 282 287
70%
°C 283 291 294 299
80%
°C 297 305 307 313
90%
°C 312 322 324 332
95%
°C 321 337 339 354
FBP
°C 329 346 350 360
Punto de inflamacion
°C 59 66 76 82
Viscosidad cinematica a 40°C
mm2/s 1,97 2,54 2,79 2,95
CFPP
°C -19 -18 -17 -17
Punto de enturbiamiento
°C -18 -17 -15 -14
Compuestos aromaticos totales*
% m/m 0,1 13,5 21,5 26,8
Compuestos aromaticos bi y policiclicos*
% m/m 0,0 2,3 3,7 4,6
Contenido en hidrogeno*
% m/m 15,0 14,3 13,8 13,5
Razon H/C (molar)*
- 2,10 1,98 1,91 1,86
Poder calorifico inferior*
MJ/kg 43,8 43,5 43,2 43,1
Diametro de cicatriz de desgaste HFRR
pm 370 < 400 < 400 394
* Valores para combinaciones calculadas segun la razon de combinacion
Se realizaron pruebas en dinamometro con un vehiculo Mercedes Benz™ E220 CDI, usando la prueba de emision nuevo ciclo de conduccion europeo (NEDC) y sin ningun cambio con respecto a la calibracion del motor en el nivel 5 de emision UE3 basica ni en el hardware del motor. Se sometio a prueba el vehiculo con su calibracion convencional sin ninguna adaptacion, con diesel de la UE, la combinacion 1:1 y para el combustible GTL puro. En la tabla 2 se muestran los datos relevantes del vehiculo de prueba.
Tabla 2 Datos del motor y el vehiculo de prueba
Designacion del vehiculo
Mercedes E 220 CDI Limusina
Ano del modelo
2003
Transmision
Caja de cambios manual de 6 velocidades
Masa del vehiculo en bruto
2.145 kg
Designacion del motor
MB OM646, nivel de emision UE3
Cilindrada, configuracion
2,2 l, 4 cilindros en linea, 4 valvulas por cilindro
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
Razon de compresion
18:1
Administracion del combustible
Inyeccion de combustible por conducto comun (presion maxima 1.600 bar)
Administracion del aire
Turboalimentado (VNT), con refrigerador intermedio
Control de emisiones
EGR refrigerada, control de remolino de entrada, catalizadores de oxidacion bajo suelo y acoplamiento cerrado
Par nominal
340 Nm a 2.000 rev/min
Potencia nominal
110 kW a 4.200 rev/min
En la figura 2 se representan los resultados de las pruebas de emision del vehiculo sin adaptar para el diesel de la UE, UE50 y combustible diesel GTL. Se presentan los resultados promedio para las series de prueba como porcentajes en relacion con el combustible de referencia diesel de la UE. FC indica el consumo de combustible volumetrico.
Se observo para el combustible diesel GTL puro, una reduccion inesperadamente alta de >90% para emisiones de CO y HC.
Las reducciones de CO y HC para la combinacion al 50% son aproximadamente proporcionales a la razon de combinacion. Se redujeron ligeramente las emisiones de NOx, con la combinacion al 50% mostrando de nuevo aproximadamente la mitad de la reduccion del combustible diesel GTL puro. Se aplica lo mismo para los datos de HC+NOx.
Se redujeron las emisiones de PM en hasta el 30% con el diesel GTL. Sorprendentemente, fue evidente una fuerte caracteristica no lineal con la combinacion al 50% (UE50), que mostro una reduccion de aproximadamente el 22%.
Se investigo entonces el potencial para reducciones de emisiones adicionales con los combustibles de prueba e incluyendo la optimizacion de un numero limitado de parametros de software en la unidad de control del motor (ECU) del motor. Para este fin, se uso un motor montado sobre un banco de pruebas. Se llevaron a cabo series de prueba en estado estacionario en cinco puntos de funcionamiento caracteristicos para el ciclo de prueba de emisiones NEDC. Los parametros de software investigados fueron la tasa de recirculacion de gases de escape (EGR), el inicio de la inyeccion piloto (SOPI) y el inicio de la inyeccion principal (SOMI). En la tabla 3 se muestran los cinco puntos de funcionamiento.
Tabla 3 Puntos de prueba de motor en estado estacionario elegidos para refle
ar las caracteristicas de NEDC
Punto de prueba del motor
Velocidad del motor (rev/min) bmep (bar) Potencia (kW) Descripcion
1
1.000 0 0 Pseudo en reposo
2
1.600 3,3 9 Puntos de funcionamiento caracteristicos para la prueba de emisiones NEDC
3
2.000 2 7
4
2.000 5 18
5
2800 4 20
La figura 3 muestra dos ejemplos de resultados obtenidos a partir del trabajo del banco de pruebas en estado estacionario. La figura representa datos representativos para el efecto del combustible diesel GTL y sus combinaciones sobre la caracteristica de intercambio de NOx-hollin en dos puntos de funcionamiento, concretamente a 1.600 rev/min y 3,3 bar bmep (presion eficaz media de freno), y a 2.000 rev/min y 5 bar bmep. En este caso, se vario la tasa de EGR, mientras se mantuvieron SOPI y SOMI constantes e iguales a los valores de referencia. Se calcularon los niveles de emision de hollin a partir de los niveles de humo de escape determinados mediante mediciones de FSN (indice de humo en el filtro).
Es evidente que el diesel GTL presenta una reduccion significativa en cuanto a tanto emisiones de hollin como de NOx para todas las tasas de EGR sometidas a prueba. La emision de hollin aumenta para valores de NOx decrecientes siguiendo el patron esperado, y permite una amplia variedad de posibles calibraciones del software alternativas. Sorprendentemente, es evidente de nuevo el fuerte comportamiento no lineal de la combinacion UE50 (este combustible presenta casi los mismos beneficios que como combustible diesel GTL puro).
Se uso un metodo de diseno de experimentos (DOE) para optimizar numericamente los tres parametros de software simultaneamente. Se verificaron las predicciones de DOE mediante experimentos reales y se muestra en la figura 4 un ejemplo de los resultados de la optimizacion simultanea de los tres parametros de calibracion en cada uno de los puntos de funcionamiento del motor. En este caso, la optimizacion se ha realizado para minimizar las emisiones de NOx con el combustible diesel GTL. Se obtuvieron reducciones de entre el 30% y el 75%, sin comprometer las otras emisiones, cuando se comparo con el diesel de la UE.
Se usaron los datos medidos en los cinco puntos de prueba en estado estacionario para predecir las emisiones a lo largo del ciclo de prueba de NEDC. Se usaron factores empiricos para tener en cuenta las diferencias entre el
funcionamiento del motor transitorio y en estado estacionario. Se han normalizado y combinado todos los resultados de los puntos de funcionamiento seleccionados en una grafica universal, mostrada en la figura 5, para imitar el comportamiento en una prueba de NEDC con una calibracion optimizada para cada combustible. Parece ser posible una reduccion sorprendentemente grande en hollin y NOx para el combustible diesel GTL y las combinaciones UE50 5 y UE80. Estas reducciones son posibles sin cambios de hardware con respecto al motor.
El GTL puro permitiria una reduccion de hollin y NOx simultanea de al menos el 35% en comparacion con la calibracion de diesel de la UE. Parece posible una reduccion de NOx del 45% para una emision de hollin de motor constante. Debido a la respuesta no lineal con las combinaciones de GTL, podrian obtenerse con combustibles 10 UE80 y UE50 reducciones en hollin y NOx que son mayores que las esperadas cuando se considera la razon de combinacion. En la figura 6 se representa graficamente esta respuesta no lineal.
Una combinacion de GTL al 50% recuperaria aproximadamente el 85% de los beneficios de hollin/NOx de GTL puro, mientras que una combinacion de GTL al 20% recuperaria aproximadamente el 48% del beneficio. Debe observarse 15 que los resultados mostrados hasta la fecha se han facilitados unicamente mediante una adaptacion del software sencilla y economica. Se espera que sean posibles mejoras adicionales si se tienen en cuenta adicionales cambios de hardware, por ejemplo en sistema de inyeccion y/o en el diseno de la camara de combustion.

Claims (5)

  1. REIVINDICACIONES
    1. Uso de combustible diesel de gas a liquidos (GTL) que tiene una densidad a 152C por debajo de 0,78 kg/l, un contenido en azufre de menos de 1 mg/kg, compuestos poliaromaticos por debajo del 0,1% en masa y un indice de
    5 cetano por encima de 65, como componente de combinacion para al menos un combustible diesel derivado de petroleo crudo para reducir las emisiones de NOx y hollin de la composicion de combustible diesel resultante, caracterizado porque el combustible diesel derivado de petroleo crudo tiene una densidad a 15°C por debajo de 0,85 kg/l, un contenido en azufre de menos de 10 mg/kg, un contenido en compuestos poliaromaticos por debajo del 5% en masa y un indice de cetano de desde 51 hasta 60, con lo cual las emisiones de NOx y hollin de la composicion 10 de combustible diesel resultante, cuando se quema en un motor, se reducen de manera no lineal hasta un grado mayor de lo que se esperaria cuando se considera la razon de combinacion del diesel GTL con respecto al combustible diesel derivado de petroleo crudo.
  2. 2. Uso segun la reivindicacion 1, en el que se usa una razon de diesel GTL derivado de petroleo crudo de 1:1, 15 siendo las reducciones en las emisiones tanto de NOx como de hollin para dicha razon mayores del 70% de la
    reduccion obtenida con un combustible diesel GTL al 100%.
  3. 3. Uso segun la reivindicacion 1, en el que se usa una razon de diesel GTL:derivado de petroleo crudo de 1:4, siendo las reducciones en las emisiones tanto de NOx como de hollin para dicha razon mayores del 40% de la
    20 reduccion obtenida con un combustible diesel GTL al 100%.
  4. 4. Uso segun la reivindicacion 1, en el que la razon de diesel GTL con respecto a derivado de petroleo crudo es de desde 99:1 hasta 1:99 y la composicion de combustible diesel producido tiene una razon molar de H:C de entre 1.8:1 y 2.1:1.
    25
  5. 5. Uso segun la reivindicacion 4, en el que la razon molar de H:C es de desde 1.9:1 hasta 2,00: 1.
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