專利名稱：一種環(huán)境友好型液體燃料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及ー種液體燃料，特別是涉及ー種環(huán)境友好型液體燃料及其制備方法。
背景技術(shù)：
燃料，按形態(tài)可分為固體燃料、液體燃料和氣體燃料；按類型可分為化石燃料、生物燃料和核燃料。其中液體燃料包括原油和石油制品、輕柴油、重油、汽油、煤油、煤焦油、頁巖油、合成油品、煤液化油、醇類燃料及其他液體燃料。
隨著世界經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展，對(duì)能源的 需求也不斷增長，能源問題越來越受到各方面的關(guān)注。盡管目前化石能源仍處于主導(dǎo)地位，但大量的開采導(dǎo)致煤、石油和天然氣等礦石燃料資源日益枯竭。20世紀(jì)90年代以來，在促進(jìn)農(nóng)業(yè)發(fā)展、保障能源安全、應(yīng)對(duì)氣候變化、保護(hù)環(huán)境等目標(biāo)的驅(qū)動(dòng)下，越來越多的國家都在積極發(fā)展生物液體燃料產(chǎn)業(yè)。生物液體燃料具有非常多祥的原料資源、生產(chǎn)技術(shù)路線和產(chǎn)品，其中生物質(zhì)資源包括木質(zhì)纖維素、淀粉、糖、動(dòng)植物及微生物油脂等，主要產(chǎn)品包括燃料こ醇、生物柴油、生物油、催化加氫生物柴油、生物甲烷、生物甲醇、生物ニ甲醚、生物氫等。第一代生物液體燃料主要是以甘蔗、玉米、薯類等糖和淀粉為原料的燃料こ醇以及以油脂為原料的生物柴油，其具有長期的エ業(yè)化應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，技術(shù)上較為成熟，產(chǎn)品與現(xiàn)有車用燃料及發(fā)動(dòng)機(jī)具有良好兼容性，已實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化大規(guī)模地生產(chǎn)應(yīng)用。然而，利用能源作物大力發(fā)展生物液體燃料存在著顯著推高農(nóng)產(chǎn)品和食物價(jià)格、威脅糧食安全等質(zhì)疑。近年來，國際生物液體燃料技術(shù)和產(chǎn)業(yè)正在醞釀升級(jí)轉(zhuǎn)型，積極轉(zhuǎn)向非糧原料，大カ發(fā)展以纖維素類生物質(zhì)為原料的新型生物液體燃料。然而由于纖維素原料存在轉(zhuǎn)換復(fù)雜、投資成本高、原料利用率、こ醇產(chǎn)出率低等缺陷，使纖維素こ醇技術(shù)的エ業(yè)化和商業(yè)化應(yīng)用面臨困境。同時(shí)，其它各類新型生物液體燃料也因生產(chǎn)技術(shù)均不成熟、生產(chǎn)成本顯著高于汽油柴油等石油燃料而受到限制。針對(duì)化石資源的日益枯竭和可再生能源開發(fā)技術(shù)的相對(duì)落后，開發(fā)成本低、性能優(yōu)良的新型液體燃料對(duì)人類發(fā)展具有重要的意義。碳酸ニ甲酯是ー種無毒、環(huán)保、性能優(yōu)異、用途廣泛，極具發(fā)展前景的“緑色”化工產(chǎn)品，其生產(chǎn)原料范圍很廣，可利用可再生的生物質(zhì)原料或煤、天然氣等化石基原料進(jìn)行生產(chǎn)，目前主要是用作羰基化和甲基化試劑、汽油添加剤、合成聚碳酸酷(PC)的原料等。碳酸こ烯酯是生產(chǎn)碳酸ニ甲酯的原料之一，其是良好的溶劑，可用作紡織上的抽絲液，在醫(yī)藥上可用作制藥的組分和原料，還可用作塑料發(fā)泡劑及合成潤滑油的穩(wěn)定劑。本發(fā)明利用廉價(jià)的碳酸ニ甲酯或碳酸こ烯酯作為生產(chǎn)液體燃料的原料，與一元醇經(jīng)酯交換反應(yīng)，制得一系列碳酸酯產(chǎn)品，如碳酸甲こ酷、碳酸ニこ酷、碳酸ニ丙酷、碳酸ニ丁酷、碳酸高碳醇酯等，該類產(chǎn)品無毒、可生物降解，是ー種環(huán)境友好的液體燃料。該類產(chǎn)品與汽油、柴油、航空煤油的碳數(shù)相同，燃燒熱值相似；此外由于其所具有的特殊的化學(xué)結(jié)構(gòu)，使得該產(chǎn)品在潤滑性、排放性、降噪性、揮發(fā)性、安全性、環(huán)境友好性等方面優(yōu)于化石基液體燃料，在低溫性、密封材料相容性、熱及氧化安定性、腐蝕性、價(jià)格等方面優(yōu)于生物液體燃料。使用該類液體燃料能夠有效的抑制設(shè)備腐蝕磨損，使得發(fā)動(dòng)機(jī)及金屬部件壽命延長。目前這種新型的液體燃料在國際上還沒有報(bào)道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的首要目的是針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問題提供ー種無毒、燃燒清潔、潤滑性好、氧化安定性好，對(duì)環(huán)境友好的液體燃料，本發(fā)明的液體燃料與汽油、柴油、航空煤油燃燒熱值相似，綜合性價(jià)比高，機(jī)能全方位超越傳統(tǒng)液體燃料，能夠有效的抑制設(shè)備腐蝕磨損，從而有利于延長發(fā)動(dòng)機(jī)及金屬部分的使用壽命。為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明一方面提供ー種液體燃料，其成分包括分子式為CnH2n+「
-CmH2m+1的碳酸ニ烷基酯，其中，I≤η≤8，2≤m≤8。 特別是，所述碳酸ニ烷基酯分子式中的烷基_CnH2n+1和烷基_CmH2m+1為直鏈烷基、支鏈烷基或環(huán)烷基，優(yōu)選為直鏈烷基。其中，所述液體燃料中碳原子數(shù)(即m+n+1) ≤ 5的碳酸ニ烷基酯的總體積百分含量為60-100%，碳原子數(shù)為6-9的碳酸ニ烷基酯的總體積百分含量為0-40%。特別是，所述碳原子數(shù)< 5的碳酸ニ烷基酯選自碳酸甲こ酷、碳酸ニこ酯中的一種或多種，優(yōu)選為碳酸ニこ酯；所述碳原子數(shù)為6-9的碳酸ニ烷基酯選自碳酸ニ丙酷、碳酸ニ丁酷、碳酸こ丙酷、碳酸丙丁酯中的ー種或多種，優(yōu)選為碳酸ニ丙酯和碳酸ニ丁酷。特別是，所述液體燃料中碳酸甲こ酯和碳酸ニこ酯的總體積百分含量為60-100%，其中碳酸甲こ酯的體積百分含量優(yōu)選為0-10%，進(jìn)ー步優(yōu)選為5-10%，碳酸ニこ酯的體積百分含量優(yōu)選為50-80% ;碳酸ニ丙酯和碳酸ニ丁酯的總體積百分含量為0-40%，優(yōu)選為
0-20%ο尤其是，上述組成的液體燃料用作汽油或汽油組份；即上述組成的液體燃料可以単獨(dú)作為汽油成分進(jìn)行使用，也可以與其它汽油成分一起進(jìn)行混合使用。其中，所述液體燃料中碳原子數(shù)< 5的碳酸ニ烷基酯的總體積百分含量為10-20%，碳原子數(shù)為6-9的碳酸ニ烷基酯的總體積百分含量為40-60%，碳原子數(shù)為10-17的碳酸ニ烷基酯的總體積百分含量為20-30%。特別是，所述碳原子數(shù)< 5的碳酸ニ烷基酯選自碳酸甲こ酷、碳酸ニこ酯中的一種或多種，優(yōu)選為碳酸ニこ酯；所述碳原子數(shù)為6-9的碳酸ニ烷基酯選自碳酸ニ丙酷、碳酸ニ丁酷、碳酸こ丙酷、碳酸丙丁酯中的ー種或多種，優(yōu)選為碳酸ニ丙酯和碳酸ニ丁酷；所述碳原子數(shù)為10-17的碳酸ニ烷基酯(即碳酸高碳醇酷)優(yōu)選為碳原子數(shù)為10-13的碳酸ニ烷基酷，進(jìn)ー步優(yōu)選為碳酸ニ戊酯和碳酸ニ己酷。特別是，所述液體燃料中碳酸甲こ酯和碳酸ニこ酯的總體積百分含量為10-20%，其中碳酸甲こ酯的體積百分含量優(yōu)選為0-10%，碳酸ニこ酯的體積百分含量優(yōu)選為0-20% ；碳酸ニ丙酯和碳酸ニ丁酯的總體積百分含量為40-60%，其中碳酸ニ丁酯的體積百分含量優(yōu)選為30-60% ;碳酸高碳醇酯的總體積百分含量為20-30%。尤其是，上述組成的液體燃料用作柴油或柴油組份。其中，所述液體燃料中碳原子數(shù)< 5的碳酸ニ烷基酯的總體積百分含量為20-40% ;碳原子數(shù)為6-9的碳酸ニ烷基酯的總體積百分含量為40-60% ;碳原子數(shù)為10-17的碳酸ニ烷基酯的總體積百分含量為10-20%。
特別是，所述碳原子數(shù)< 5的碳酸ニ烷基酯選自碳酸甲こ酷、碳酸ニこ酯中的一種或多種，優(yōu)選為碳酸ニこ酯；所述碳原子數(shù)為6-9的碳酸ニ烷基酯選自碳酸ニ丙酷、碳酸ニ丁酷、碳酸こ丙酷、碳酸丙丁酯中的ー種或多種，優(yōu)選為碳酸ニ丙酯和碳酸ニ丁酷；所述碳原子數(shù)為10-17的碳酸ニ烷基酯(即碳酸高碳醇酷)優(yōu)選為碳酸ニ戊酷、碳酸ニ己酷、碳酸
ニ庚酷。特別是，所述液體燃料中碳酸甲こ酯和碳酸ニこ酯的總體積百分含量為20-40%，其中碳酸甲こ酯的體積百分含量0-10%，優(yōu)選為1_3%，碳酸ニこ酯的體積百分含量為20-30% ;碳酸ニ丙酯和碳酸ニ丁酯的總體積百分含量為40-60%，優(yōu)選為50-60%，進(jìn)ー步優(yōu)選為60% ;碳酸高碳醇酯的總含量為10-20%，優(yōu)選為15%。尤其是，上述組成的液體燃料用作航空煤油或航空煤油組份。本發(fā)明另一方面提供ー種上述液體燃料的制備方法，將碳酸ニ甲酯或碳酸こ烯酯 與碳原子數(shù)為2-8的一元醇進(jìn)行酯交換反應(yīng)。其中，所述一元醇的碳原子數(shù)優(yōu)選為2-6。特別是，所述一元醇為直鏈醇、支鏈醇或環(huán)醇，優(yōu)選為直鏈醇。其中，將碳酸ニ甲酯或碳酸こ烯酯與ー種或多種碳原子數(shù)為2-8的一元醇進(jìn)行酷交換反應(yīng)，對(duì)反應(yīng)產(chǎn)物進(jìn)行蒸餾，制得本發(fā)明所述的液體燃料。特別是，將碳酸ニ甲酯或碳酸こ烯酯與ー種或多種碳原子數(shù)為2-8的一元醇進(jìn)行酯交換反應(yīng)，對(duì)反應(yīng)產(chǎn)物進(jìn)行蒸餾，收集相應(yīng)的餾份，然后按照體積百分含量混合調(diào)配成本發(fā)明的液體燃料。本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以根據(jù)常規(guī)的現(xiàn)有技術(shù)選擇合適的反應(yīng)條件(如選擇底物配比，反應(yīng)催化劑，反應(yīng)溫度，反應(yīng)時(shí)間等)來進(jìn)行所述的酯交換反應(yīng)，制得本發(fā)明的液體燃料。其中，酯交換反應(yīng)采用堿催化劑進(jìn)行，可使用均相催化劑，如堿金屬碳酸鹽或堿金屬有機(jī)鹽，也可以使用多相催化劑，如固體堿催化劑等；堿催化劑與碳酸ニ甲酯或碳酸こ烯酷的重量配比為(O. 1-5) :100，碳酸ニ甲酯或碳酸こ烯酯與一元醇的摩爾比I: (2-8)，酷交換反應(yīng)的溫度為60-200°C，絕對(duì)壓カ為O. l_8MPa，反應(yīng)時(shí)間為10-300分鐘；可以采用常壓或減壓對(duì)酯交換反應(yīng)產(chǎn)物進(jìn)行蒸餾，其中常壓蒸餾的溫度為110-320°C，減壓蒸餾的絕對(duì)壓カ為 O. 01-0. 02MPa，溫度為 180-2000C0特別是，本發(fā)明中優(yōu)選采用醋酸鋅作為催化劑，其中醋酸鋅與碳酸ニ甲酯或碳酸こ烯酯的重量配比優(yōu)選為(O. 1-1) :100，碳酸ニ甲酯或碳酸こ烯酯與一元醇的摩爾比優(yōu)選為1:2-8，反應(yīng)溫度優(yōu)選為140-200°c，絕對(duì)壓力優(yōu)選為2_8MPa，反應(yīng)時(shí)間優(yōu)選為為10-20分鐘。在上述優(yōu)選的高溫高壓條件下進(jìn)行酯交換反應(yīng)，反應(yīng)時(shí)間短，催化劑用量少，碳酸ニ甲酯或碳酸こ烯酯的轉(zhuǎn)化率可以達(dá)到100%。尤其是，將本發(fā)明混合酯交換的反應(yīng)產(chǎn)物進(jìn)行減壓蒸餾，收集80-90°C的餾分，制得碳原子數(shù)< 5的碳酸ニ烷基酯混合物；收集125-135°C的餾分，制得碳原子數(shù)為6-9的碳酸ニ烷基酯混合物；收集180-200°C的餾分，制得碳原子數(shù)為10-17的碳酸ニ烷基酯混合物；將上述制備的碳原子數(shù)< 5、碳原子數(shù)為6-9以及碳原子數(shù)為10-17的碳酸ニ烷基酯混合物按照體積百分含量進(jìn)行混合后調(diào)配成本發(fā)明的液體燃料。本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)
I、本發(fā)明制備液體燃料的原料碳酸ニ甲酯及一元醇無毒、環(huán)保，可以利用生物質(zhì)或化石原料進(jìn)行生產(chǎn)，原料范圍廣，廉價(jià)易得，且制備エ藝簡単，易實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)及推廣；2、本發(fā)明的液體燃料具有無毒、可生物降解特性，兼?zhèn)鋫鹘y(tǒng)化石基和生物液體燃料的優(yōu)點(diǎn)，在潤滑性、排放性、降噪性、揮發(fā)性、安全性、環(huán)境友好性等方面優(yōu)于化石基液體燃料，在低溫性、密封材料相容性、熱及氧化安定性、腐蝕性、價(jià)格等方面優(yōu)于生物液體燃料，并且能夠有效的抑制設(shè)備腐蝕磨損，從而延長了發(fā)動(dòng)機(jī)及金屬部分的使用壽命；3、本發(fā)明的液體燃料與汽油、柴油、航空煤油的燃燒熱值相似，質(zhì)量符合國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，可以替代現(xiàn)有的石油液體燃料(汽油、柴油、航煤等)、生物液體燃料(生物柴油、生物汽油、生物航煤等)及其它燃料(餐飲、取暖等)，應(yīng)用范圍廣泛。
具體實(shí)施方式

下面結(jié)合具體實(shí)施例來進(jìn)ー步描述本發(fā)明，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和特點(diǎn)將會(huì)隨著描述而更為清楚。但這些實(shí)施例僅是范例性的，并不對(duì)本發(fā)明的范圍構(gòu)成任何限制。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該理解的是，在不偏離本發(fā)明的精神和范圍下可以對(duì)本發(fā)明技術(shù)方案的細(xì)節(jié)和形式進(jìn)行修改或替換，但這些修改和替換均落入本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。實(shí)施例I單ー酯交換反應(yīng)分別將碳酸ニ甲酯(或碳酸こ烯酷)與ー種碳原子數(shù)為2-8的一元醇在管式酯交換反應(yīng)器中進(jìn)行酯交換反應(yīng)，采用醋酸鋅作為催化劑，醋酸鋅與碳酸ニ甲酯或碳酸こ烯酯的重量配比為(O. 1-1): 100，控制碳酸ニ甲酯(或碳酸こ烯酷)與一元醇的摩爾比I :2-8，反應(yīng)溫度為140-200°C，絕對(duì)壓カ為2-8MPa，反應(yīng)時(shí)間為10-20分鐘，制得碳酸ニ烷基酯混合物；將碳酸ニ烷基酯混合物于絕對(duì)壓カ為O. 01-0. 02MPa，溫度為180-200°C下進(jìn)行減壓蒸餾，收集相應(yīng)的餾分，即分別制得體積含量> 95%的不同碳原子數(shù)的碳酸ニ烷基酷。實(shí)施例2混合酷交換反應(yīng)將碳酸ニ甲酯(或碳酸こ烯酷)與多種碳原子數(shù)為2-8的一元醇混合后，在管式酯交換反應(yīng)器中進(jìn)行酯交換反應(yīng)，其它酯交換反應(yīng)條件同實(shí)施例I ;將碳酸ニ烷基酯混合物于絕對(duì)壓カ為O. 01-0. 02MPa，溫度為180-200°C下進(jìn)行減壓蒸餾，收集80-90°C的餾分，制得碳原子數(shù)< 5的碳酸ニ烷基酯混合物；收集125-135°C的餾分，制得碳原子數(shù)為6-9的碳酸ニ烷基酯混合物；收集180-200°C的餾分，制得碳原子數(shù)為10-17的碳酸ニ烷基酯混合物。實(shí)施例3調(diào)配汽油按照實(shí)施例I所述的方法分別制備體積含量>95%的碳酸甲こ酷、碳酸ニこ酷、碳酸ニ丙酯及碳酸ニ丁酯(也可直接采用普通市售的碳酸ニ烷基酷)，按照表I中的組成混合調(diào)配成3-1及3-2汽油；按照實(shí)施例2所述的方法分別將碳酸ニ甲酯(或碳酸こ烯酷)與こ醇、正丙醇和正丁醇混合后進(jìn)行酯交換反應(yīng)，分別制得碳原子數(shù)< 5、碳原子數(shù)為6-9以及碳原子數(shù)為10-17的碳酸ニ烷基酯混合物，按照表I中的體積百分含量混合調(diào)配成3-3及3-4汽油；本發(fā)明制備的調(diào)配汽油的質(zhì)量檢測(cè)結(jié)果見表2。
表I調(diào)配汽油的組成及體積含量
權(quán)利要求
1.ー種液體燃料，其成分包括分子式為CnH2n+1-[OCOO]-CmH2m+1的碳酸ニ烷基酯，其中，l^n^8,2^m^8o
2.如權(quán)利要求I所述的液體燃料，其特征在于，所述液體燃料中碳原子數(shù)<5的碳酸ニ烷基酯的總體積百分含量為60-100%，碳原子數(shù)為6-9的碳酸ニ烷基酯的總體積百分含量為 0-40%ο
3.如權(quán)利要求2所述的液體燃料，其特征在于，所述液體燃料用作汽油或汽油組份。
4.如權(quán)利要求I所述的液體燃料，其特征在于，所述液體燃料中碳原子數(shù)<5的碳酸ニ烷基酯的總體積百分含量為10-20%，碳原子數(shù)為6-9的碳酸ニ烷基酯的總體積百分含量為40-60%，碳原子數(shù)為10-17的碳酸ニ烷基酯的總體積百分含量為20-30%。
5.如權(quán)利要求4所述的液體燃料，其特征在于，所述液體燃料用作柴油或柴油組份。
6.如權(quán)利要求I所述的液體燃料，其特征在于，所述液體燃料中碳原子數(shù)<5的碳酸ニ烷基酯的總體積百分含量為20-40%，碳原子數(shù)為6-9的碳酸ニ烷基酯的總體積百分含量為40-60%，碳原子數(shù)為10-17的碳酸ニ烷基酯的總體積百分含量為10-20%。
7.如權(quán)利要求6所述的液體燃料，其特征在于，所述液體燃料用作航空煤油或航空煤油組份。
8.權(quán)利要求I所述的液體燃料的制備方法，其特征在于，將碳酸ニ甲酯或碳酸こ烯酯與碳原子數(shù)為2-8的一元醇進(jìn)行酯交換反應(yīng)。
9.如權(quán)利要求8所述的液體燃料的制備方法，其特征在干，采用堿催化劑進(jìn)行所述酯交換反應(yīng)，其中所述堿催化劑與碳酸ニ甲酯或碳酸こ烯酯的重量配比為(O. 1-5):100，所述碳酸ニ甲酯或碳酸こ烯酯與所述一元醇的摩爾比I: (2-8)，所述酯交換反應(yīng)的溫度為60-2000C，絕對(duì)壓カ為O. l_8MPa，反應(yīng)時(shí)間為10-300分鐘。
10.如權(quán)利要求9所述的液體燃料的制備方法，其特征在于，所述堿催化劑為醋酸鋅，其中醋酸鋅與碳酸ニ甲酯或碳酸こ烯酯的重量配比為(O. 1-1) :100，所述酯交換反應(yīng)的溫度為140-200°c，絕對(duì)壓カ為2-8MPa，反應(yīng)時(shí)間為10-20分鐘。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種液體燃料，其成分包括分子式為CnH2n+1-[OCOO]-CmH2m+1的碳酸二烷基酯，其中1≤n≤8，2≤m≤8。本發(fā)明的液體燃料具有無毒、可生物降解特性，兼?zhèn)鋫鹘y(tǒng)化石基和生物液體燃料的優(yōu)點(diǎn)，在潤滑性、排放性、降噪性、揮發(fā)性、安全性、環(huán)境友好性等方面優(yōu)于化石基液體燃料，在低溫性、密封材料相容性、熱及氧化安定性、腐蝕性、價(jià)格等方面優(yōu)于生物液體燃料。本發(fā)明的液體燃料綜合性價(jià)比高，機(jī)能全方位超越傳統(tǒng)液體燃料，可廣泛用于機(jī)動(dòng)車燃料，武器裝備燃料，炊事、暖氣等燃料，發(fā)電，極端苛刻工況要求燃料，高環(huán)保要求燃料，高健康安全要求燃料。
文檔編號(hào)C10L1/02GK102676239SQ20121015366
公開日2012年9月19日 申請(qǐng)日期2012年5月17日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月17日
發(fā)明者張維, 頡二旺 申請(qǐng)人:北京金驕生物質(zhì)化工有限公司