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CN111394140B - 复合柴油添加剂、矿山机械专用柴油及其应用与生产方法 - Google Patents

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CN111394140B CN202010167986.7A CN202010167986A CN111394140B CN 111394140 B CN111394140 B CN 111394140B CN 202010167986 A CN202010167986 A CN 202010167986A CN 111394140 B CN111394140 B CN 111394140B
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Abstract

本发明公开了一种复合柴油添加剂以及将其添加到按一定比例调和的柴油和煤基费托合成油中进一步调和而成的矿山机械专用柴油。本发明还公开了前述矿山机械专用柴油的应用及生产方法。本发明公开的复合柴油添加剂配方简单，添加量不超过柴油质量的2％。添加所述复合柴油添加剂的柴油产品颜色为水白色，十六烷值和氧化安定性高、硫含量和酸度低，燃烧尾气中NOx、CO、HC、PM低，可作为矿山机械专用柴油。

Description

复合柴油添加剂、矿山机械专用柴油及其应用与生产方法
技术领域
本发明属于发动机燃料技术领域，具体涉及一种复合柴油添加剂以及含有该复合柴油添加剂的矿山机械专用柴油产品及其应用和生产方法。本发明所述的矿山机械专用柴油尤其适合于作为煤矿井下柴油发动机的专用柴油的应用。
背景技术
防爆柴油发动机具有热效率高、单位质量发动机功率大等优点，受到各大企业的青睐并帮助中国的煤矿业迅速发展。以防爆柴油机作为主要动力来源的井下无轨运输设备以其井下适应性好、安全快捷、机动灵活、无需拖带电缆且可满足远距离长时间运输等显著优势得到了越来越广泛的应用，逐渐成为矿井下的主要辅助运输设备。随着我国煤矿不断向机械化、大型化、智能化方向发展，井下无轨运输设备的应用量将越来越大。
目前，几乎所有的柴油机驱动车辆都是采用通用型柴油机进行防爆改装后下井，进排气的防爆改装增加了气体流动沿程阻力，降低了气缸内氧气/燃料比(与原发动机设计相比)，燃料无法充分燃烧，进而使排放尾气中的一氧化碳(CO)、碳氢化合物(HC)、氮氧化合物(NOx)及固体颗粒(PM)迅速上升。这些有毒有害气体中的含硫化合物与柴油机气缸内燃烧产生的水蒸气结合成为亚硫酸及硫酸，对柴油机装置产生极大的腐蚀，而因酸性气体腐蚀产生的金属屑末和微粒污染物，混入润滑油中，成为尾气黑烟的组成物之一。同时，柴油机尾气中含有的多环芳烃对人类有致癌性，研究也表明，暴露在柴油尾气环境内的程度越高，患肺癌死亡的几率就越高。此外，柴油机尾气中有毒有害气体浓度过高，易造成煤矿井下局部区域有害气体的浓度超标，给井下通风管理工作带来较大的压力，严重时还可能影响到井下作业的正常进行。因此，对井下无轨运输设备中柴油机尾气的排放进行控制具有十分重要的意义。
目前，为了控制防爆柴油机的污染物排放，国内外采用的技术措施主要有三个方面：一是提高车用柴油本身的品质从而实现低污染物排放；二是改造柴油机燃烧历程或系统(如优化燃油系统、增压中冷技术、电子控制技术等)来改善柴油机的燃烧过程，从而尽量减少有害物的形成；三是采用合理高效的机外尾气后处理(如水洗法、还原催化转化)技术。在上述三种技术措施中，对现有柴油进行改性、提高油品品质，研发出更适合矿井柴油机的高性能柴油，从源头阻止污染物的生成，无疑是一种最为经济、便捷、有效的措施，同时也是后两种技术措施的发展基础。
发明内容
本发明的第一个目的是提供一种复合柴油添加剂，以实现降低柴油机尾气中的有毒有害气体含硫化合物和颗粒物的含量，从而避免含硫化合物及颗粒物对柴油机机件产生的腐蚀和磨损问题。所述的复合柴油添加剂，其特征在于，由以下重量份数的组分组成：
A组分 5～10；
B组分 1～5；
C组分 1～3；
其中，所述A组分为二叔丁基过氧化物、过氧化-2-乙基己酸叔丁酯、过氧化辛酸叔丁酯、草酸二丁酯、硝酸异辛酯中的至少一种；所述B组分为2,6-二叔丁基对甲酚、N,N’-二亚水杨丙二胺、N,N’-二亚水杨乙二胺、N,N’-二叔丁基苯二胺和苯丙三唑中的一种或几种；所述C组分为醋酸乙烯酯聚合物、聚甲基丙烯酸酯、马来酸酐共聚物、聚乙烯-丙烯酸酯共聚物中的一种或几种。
目前，降低柴油发动机尾气中有毒有害气体含量、颗粒物含量排放的主要途径有改进柴油发动机、进行尾气排放后处理和燃料改善。但是，若不能改善和提高柴油品质，前两种措施也必然收效甚微。因此，本发明通过提供一种复合柴油添加剂来改善柴油在发动机中的燃烧过程，从源头上抑制或消除柴油燃料尾气中有毒有害气体和颗粒物的生成。本发明所述的复合柴油添加剂配方简单，添加量不超过柴油质量的2％，且通过柴油调和过程添加到调和柴油产品中即可，无需投入巨大的人力、物力和财力，因此是一种经济高效、现实可行的降低柴油发动机尾气中有毒有害气体含量、颗粒物含量排放的途径。
本发明的第二个目的是提供一种矿山机械专用柴油，以克服矿井柴油机的燃烧效率低，实现降低矿井下柴油机尾气中有毒有害气体含量、颗粒物含量，从而从源头上降低柴油机排放尾气中CO、HC、NOx等有害气体的含量，减轻对井下员工的身体健康的影响及对井下作业的正常进行造成的不良影响。
本发明所述的矿山机械专用柴油，其组成配方为质量比为3～20：1的柴油和煤基费托合成油以及添加适量的复合柴油添加剂；所述柴油为车用柴油或普通柴油，其中，所述车用柴油质量指标满足《GB19147-2016车用柴油》中Ⅵ技术要求，所述普通柴油质量指标满足《GB252-2015普通柴油》中技术要求；所述复合柴油添加剂的添加量为所述车用柴油和煤基费托合成油的质量总和的5‰～20‰。
一种优选的实施例为，上述技术方案中，所述煤基费托合成油的十六烷值范围为55～65，氧化安定性不大于1.0mg/100mL，硫含量为0～1.0mg/kg，酸度为1.0～5.0mgKOH/100mL，密度为750～840kg/m3，多环芳烃含量为1.0～5.0wt％，运动粘度为4.0～6.0mm2/s。
一种上述实施例所述的矿山机械专用柴油，其特征在于，所述矿山机械专用柴油为水白色透明油状液体，其十六烷值不小于50，氧化安定性不大于2.0mg/100mL，硫含量不大于5.0mg/kg，酸度不大于6.0mgKOH/100mL，密度范围为815～845kg/m3，多环芳烃含量不大于5.0wt％，运动粘度范围为3.0～8.0mm2/s，用于诸如以柴油机作为主要动力来源的煤矿井下运输无轨胶轮车等专用车辆。
本发明的第三个目的是提供一种矿山机械专用柴油的应用。本发明所调和得到的矿山机械专用柴油在柴油发动机上进行尾气排放污染物试验的实验数据表明，其燃烧尾气中一氧化碳排放不超过1000mg/(kW·h)、碳氢化合物不超过100mg/(kW·h)、氮氧化物不超过300mg/(kW·h)、微粒污染物不超过7mg/(kW·h)。因此，本发明所述的矿山机械专用柴油尤其适用于煤矿井下无轨运输设备，如煤矿井下运输专用车辆，一种具体的实施例为所述矿山机械专用柴油作为燃料油在煤矿井下无轨胶轮车的应用。
毫无疑问，对于除上述煤矿井下使用柴油发动机的其他使用柴油发动机场所，如以柴油为燃料的交通运输工具(包括各类机动车辆及船舶)以及以柴油发动机为动力的工程、矿山、农林机械等技术领域，使用本发明所述的矿山机械专用柴油产品，其排放尾气的污染物CO、HC、NOX、PM含量也明显相对较低，因此，从环保角度而言更加高效、清洁和环保。
本发明的第四个目的是提供一种矿山机械专用柴油的生产方法，具体技术方案为：一种矿山机械专用柴油的生产方法为，其特征在于，将柴油和煤基费托合成油，分别通过两台调和泵按照一定比例输送到调和设备中，然后添加一定量的复合柴油添加剂，混合均匀后得到水白色透明油状液体产品，其十六烷值不小于50，氧化安定性不大于2.0mg/100mL，硫含量不大于5.0mg/kg，酸度不大于6.0mgKOH/100mL，密度范围为815～845kg/m3，多环芳烃含量不大于5.0wt％，运动粘度范围为3.0～8.0mm2/s，无任何机械杂质。以车用柴油和煤基费托合成油为原料油为例，一种具体的生产流程为：
1)车用柴油和煤基费托合成油经过各自的调和泵将各组分按照一定的比例输送到调和管道，与一定量的由十六烷值改进剂、腐蚀抑制剂和流动性改进剂等组分配制成的复合添加剂后混合均匀进入成品罐储存，得到用于矿井柴油机发动机的矿山机械专用柴油产品。
2)车用柴油进罐后也可以根据车用柴油储罐量，利用煤基费托合成油调合泵按照一定比例将煤基费托合成油输送到罐内，再加入一定量的由十六烷值改进剂、腐蚀抑制剂和流动性改进剂等组分配制成的复合添加剂，调和成合格的矿山机械专用柴油产品应用于矿井柴油机发动机。
上述技术方案中，所述车用柴油质量指标满足《GB19147-2016车用柴油》中Ⅵ技术要求；所述煤基费托合成油优选十六烷值范围为55～65，氧化安定性不大于1.0mg/100mL，硫含量为0～1.0mg/kg，酸度为1.0～5.0mgKOH/100mL，密度为750～840kg/m3，多环芳烃含量为1.0～5.0wt％，运动粘度为4.0～6.0mm2/s的煤基费托合成油产品。
进一步地，上述任一种技术方案中，所述车用柴油和煤基费托合成油调和的质量比例为3～20：1。
进一步地，上述任一种技术方案中，所述复合柴油添加剂中A、B、C三种组分的质量配方比为5～10：1～5：1～3。
本发明所述的复合柴油添加剂配方是依据原料油的组成来进行选择，因此，原料油的来源及组成不同，复合柴油添加剂的配方及其在本发明所述的矿山机械专用柴油中的添加量也有所不同。因此，复合柴油添加剂中A、B、C三种组分的选择需综合考虑矿山机械专用柴油产品的用途及其主要生产原料原料油的来源及具体的质量指标。例如，在本发明的一种具体的实施例中，主要原料采用质量指标满足《GB19147-2016车用柴油》中Ⅵ技术要求的0#车用柴油和十六烷值范围为55～65，氧化安定性不大于1.0mg/100mL，硫含量为0～1.0mg/kg，酸度为1.0～5.0mgKOH/100mL，密度为750～840kg/m3，多环芳烃含量为1.0～5.0wt％，运动粘度为4.0～6.0mm2/s的煤基费托合成油，根据发明人的试验二者的按照质量比为5:1进行调和时，其作为柴油机发动机的综合性能最佳。发明人在此基础上，通过加入合适配比的十六烷值改进剂过氧化-2-乙基己酸叔丁酯、腐蚀抑制剂N,N’-二亚水杨丙二胺和低温流动改性剂乙烯-醋酸乙烯酯共聚物后，其作为矿山机械专用柴油产品的为其配方指标能够达到更为优化的水平，例如一种更为具体的实施方式为所述十六烷值改进剂过氧化-2-乙基己酸叔丁酯为8份、腐蚀抑制剂N,N’-二亚水杨丙二胺为5份、低温流动改性剂乙烯-醋酸乙烯酯共聚物为1份。如果主要原料采用质量指标满足《GB252-2015普通柴油》中技术要求的普通柴油和煤基费托合成油，则复合柴油添加剂中A、B、C三种组分可以根据实际情况，选择具有相应功能的组分，例如A组分也可以选择与原料油性能匹配的十六烷值改进剂，B、C组分的选择也可以依据相同的原则选择相应的腐蚀抑制剂和低温流动改性剂，从而最终使得本发明所述的复合柴油添加剂能够从整体上改善柴油在发动机中的燃烧过程，抑制或消除柴油燃料尾气中有毒有害气体及颗粒物的生成。
本发明所述的矿山机械专用柴油产品及其应用和生产方法具有如下的优势：
(1)本发明所述的矿山机械专用柴油产品主要成分为直链烷烃，芳烃含量低，氧化安定性低，生产、储存和运输过程不易氧化，分子链较短，雾化性能及着火性能好，同时，该专用柴油产品燃烧热效率高，CO和HC排放较低，PM排放较少。尤其适用于作为诸如以柴油机为主要动力来源的煤矿井下运输专用车辆的专用柴油。
(2)本发明所述的矿山机械专用柴油产品，十六烷值高，应用于煤矿井下运输专用车辆后，由于所述的矿山机械专用柴油产品中硫含量和酸度低，因而不易腐蚀、磨损和堵塞柴油机组件，且柴油机发动机工作平稳，不易爆震。
(3)本发明所述的矿山机械专用柴油产品，生产流程短，工艺简单，得到的专用柴油产品燃烧后，排放的尾气中几乎不含芳香烃及硫化物，相比于经原油直接加工生产的同类车用柴油产品，更加高效、清洁和环保。
具体实施方式
下面通过具体实施案例对本发明的具体实施方案做出进一步的详细说明。
实施例1至实施例5中仅以原料为车用柴油和煤基费托合成油添加适量的本发明所述复合添加剂为例进行说明，所采用的车用柴油和煤基费托合成油的技术指标见表1，相应的矿山机械专用柴油产品在柴油发动机上进行尾气排放污染物试验的实验数据见表2。
需要指出的是，在不脱离本发明的精神和原理而做出的各种等同替换和修改，均应涵盖在本发明的范围之内。
实施例1
将0#车用柴油和煤基费托合成油，通过各自的调和泵按照调和质量比为5:1输送到调和管道，经静态混合器与所述车用柴油和煤基费托合成油的质量总和的14‰的复合柴油添加剂混合均匀后进入成品罐储存，得到所述矿山机械专用柴油产品，其十六烷值为53，氧化安定性为1.9mg/100mL，硫含量为4.2mg/kg，酸度为5.5mgKOH/100mL，密度为831kg/m3，多环芳烃质量含量为4.8wt％，运动粘度为4.6mm2/s，无任何机械杂质。
所述复合柴油添加剂，由以下重量份数的组分组成：8份过氧化-2-乙基己酸叔丁酯、5份N,N’-二亚水杨丙二胺和1份乙烯-醋酸乙烯酯共聚物。
所得调和油品在柴油发动机上进行尾气排放污染物试验，实验数据见表2。
实施例2
将5#车用柴油和煤基费托合成油，通过各自的调和泵按照调和质量比为18:1输送到调和管道，经静态混合器与所述车用柴油和煤基费托合成油的质量总和的12‰的复合柴油添加剂混合均匀后进入成品罐储存，得到所述矿山机械专用柴油产品，其十六烷值为52，氧化安定性为2.0mg/100mL，硫含量为4.7mg/kg，酸度为4.9mgKOH/100mL，密度为831kg/m3，多环芳烃含量为4.8wt％，运动粘度为7.4mm2/s，无任何机械杂质。
所述复合柴油添加剂，由以下重量份数的组分组成：6份过氧化辛酸叔丁酯和草酸二丁酯、3份2,6-二叔丁基对甲酚和3份乙烯-醋酸乙烯酯共聚物。
所得调和油品在柴油发动机上进行尾气排放污染物试验，实验数据见表2。
实施例3
将-10#车用柴油和煤基费托合成油，通过各自的调和泵按照调和质量比为4:1输送到调和管道，经静态混合器与所述车用柴油和煤基费托合成油的质量总和的14‰的复合柴油添加剂混合均匀后进入成品罐储存，得到所述矿山机械专用柴油产品，其十六烷值为55，氧化安定性为1.9mg/100mL，硫含量为4.5mg/kg，酸度为5.7mgKOH/100mL，密度为4kg/m3，多环芳烃含量为4.6wt％，运动粘度为5.4mm2/s，无任何机械杂质。
所述复合柴油添加剂，由以下重量份数的组分组成：9份草酸二丁酯、3份N,N’-二叔丁基苯二胺和2份聚甲基丙烯酸酯。
所得调和油品在柴油发动机上进行尾气排放污染物试验，实验数据见表2。
实施例4
将-10#车用柴油和煤基费托合成油，通过各自的调和泵按照调和质量比为8:1输送到调和管道，经静态混合器与所述车用柴油和煤基费托合成油的质量总和的11‰的复合柴油添加剂混合均匀后进入成品罐储存，得到所述矿山机械专用柴油产品，其十六烷值为57，氧化安定性为1.9mg/100mL，硫含量为4.5mg/kg，酸度为5.7mgKOH/100mL，密度为836kg/m3，多环芳烃含量为4.6wt％，运动粘度为5.4mm2/s，无任何机械杂质。
所述复合柴油添加剂，由以下重量份数的组分组成：8份硝酸异辛酯、1份2,6-二叔丁基对甲酚和2份聚乙烯-丙烯酸酯共聚物。
所得调和油品在柴油发动机上进行尾气排放污染物试验，实验数据见表2。
实施例5
将5#车用柴油和煤基费托合成油，通过各自的调和泵按照调和质量比为6:1输送到调和管道，经静态混合器与所述车用柴油和煤基费托合成油的质量总和的10‰的复合柴油添加剂混合均匀后进入成品罐储存，得到所述矿山机械专用柴油产品，其十六烷值为59，氧化安定性为2.0mg/100mL，硫含量为4.7mg/kg，酸度为5.6mgKOH/100mL，密度为824kg/m3，多环芳烃含量为4.9wt％，运动粘度为4.3mm2/s，无任何机械杂质。
所述复合柴油添加剂，由以下重量份数的组分组成：5份硝酸异辛酯、2份苯丙三唑和3份乙烯-醋酸乙烯酯共聚物。
所得调和油品在柴油发动机上进行尾气排放污染物试验，实验数据见表2。
对比例1
0#车用柴油的具体指标见表1，在柴油发动机上尾气排放污染物试验的实验数据见表2。
表1原料柴油和煤基费托合成油的技术指标
Figure BDA0002408149190000101
表2排气污染物排放试验数据
Figure BDA0002408149190000102
由表2可知，以实施例1所得矿山机械专用柴油产品为例，其尾气排气污染物CO、HC、NOx、PM的排放明显优于国Ⅵ标准限值(GB17691-2018重型柴油车污染物排放限值及测量方法(中国第六阶段))，降幅分别为66.7％、38.5％、50.0％、30％，有效减少了污染物。

Claims (5)

1.一种矿山机械专用柴油，由质量比为3~20：1的柴油和煤基费托合成油以及适量的复合柴油添加剂组成，所述的矿山机械专用柴油的生产方法为，将柴油和煤基费托合成油，分别通过两台调和泵输送到调和设备中，然后添加适量的复合柴油添加剂，混合均匀后得到矿山机械专用柴油产品；其特征在于：
所述柴油为质量指标满足《GB 19147-2016 车用柴油》中Ⅵ技术要求的车用柴油；
所述煤基费托合成油的十六烷值范围为55~65，氧化安定性不大于1.0 mg/100mL，硫含量为0~1.0 mg/kg，酸度为1.0~5.0 mg KOH/100mL，密度为750~840 kg/m3，多环芳烃含量为1.0~5.0 wt%，运动粘度为4.0~6.0 mm2/s；
所述的复合柴油添加剂由以下重量份数的组分组成：
A组分 5～10；B组分 1～5；C组分 1～3；其中，所述A组分为二叔丁基过氧化物、过氧化-2-乙基己酸叔丁酯、过氧化辛酸叔丁酯、草酸二丁酯中的至少一种；所述B组分为N,N’-二亚水杨丙二胺、N,N’-二亚水杨乙二胺、N,N’-二叔丁基苯二胺和苯丙三唑中的一种或几种；所述C组分为醋酸乙烯酯聚合物、马来酸酐共聚物、聚乙烯-丙烯酸酯共聚物中的一种或几种；
所述复合柴油添加剂的添加量为所述车用柴油和煤基费托合成油的质量总和的5‰～20‰。
2.根据权利要求1所述的矿山机械专用柴油，其特征在于，所述矿山机械专用柴油为水白色透明油状液体，其十六烷值不小于50，氧化安定性不大于2.0 mg/100mL，硫含量不大于5.0 mg/kg，酸度不大于6.0 mg KOH/100mL，密度为815~845 kg/m3，多环芳烃含量不大于5.0 wt%，运动粘度为3.0~8.0 mm2/s。
3.根据权利要求1所述的矿山机械专用柴油，其特征在于，所述的矿山机械专用柴油在柴油发动机中燃烧后，燃烧尾气中一氧化碳排放不超过1000 mg/(kW·h)、碳氢化合物不超过100 mg/(kW·h)、氮氧化物不超过300 mg/(kW·h)、微粒污染物不超过7 mg/(kW·h)。
4.一种权利要求1至3中任一项所述的矿山机械专用柴油作为煤矿井下运输专用车辆专用柴油的应用。
5.根据权利要求4所述的矿山机械专用柴油作为煤矿井下运输专用车辆专用柴油的应用，其特征在于，所述煤矿井下运输专用车辆为煤矿井下无轨胶轮车。
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