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JP7482788B2 - 燃料油組成物 - Google Patents

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Description

本発明は、ボイラーなどの外燃機関、船舶などのディーゼル機関に用いられる燃料油組成物に関する。
域外地域を航行する船舶用の燃料として広く使用されている燃料油組成物には、船舶燃料として、着火性能、燃焼性能に優れ、燃焼障害を発生させないことが要求されている。そこで、これら要求性能を満たす手法として、特許文献1(特開2014-51591号公報)には、15℃における密度、50℃における動粘度、熱重量-示差熱分析による窒素雰囲気下での10%重量減少温度、50%重量減少温度、90%重量減少温度により導かれる着火性指標を0以上15未満とすることが開示されている。
一方、近年では、エネルギー効率が良く排出量も比較的小さいとされていた船舶輸送の排出ガスについても、その改善が求められており、主に船舶から排出される硫黄酸化物(SOx)や黒煙を削減するため、船舶燃料硫黄分の規制が進みつつある。
硫黄酸化物及び粒子状物質は、燃料に含まれる硫黄に起因するため、域外地域を航行する船舶用の燃料として広く利用されている燃料油組成物の硫黄分は現行の3.5質量%以下であるところ、2020年には、0.5質量%以下とすることが義務付けられる。
そこで、燃料油組成物の硫黄分を0.5質量%以下としながら燃料としての要求性状を満たす燃料油組成物が提案されている。例えば、特許文献2(特開2018-165365号公報)には、直接脱硫重油と、スラリーオイル及び接触分解軽油の少なくとも一方と、を含有し、組成物の全質量に対する芳香族分の含有量及びレジン分の含有量の和に対する、アスファルテン分の含有量の比が0.090以下であり、かつ、硫黄分の含有量が組成物の全質量に対して0.50質量%以下である、燃料油組成物が開示されている。
また、特許文献3(特開2018-165366号公報)には、スラリーオイルと、残渣留分を含む2種以上からなる前記スラリーオイル以外の混合用基材と、を含有し、前記残渣留分の含有量が、燃料油組成物の全容量に対して、0.3容量%~5.0容量%であり、硫黄分が0.5質量%以下である燃料油組成物が開示されている。
更に、特許文献4(特開2018-165367号公報)には、スラリーオイルと、スラリーオイル以外の1種又は2種以上からなるCCAIが850以下である基材とを含有し、前記スラリーオイルの含有量が、燃料油組成物の全容量に対して、20.0容量%~85.0容量%であり、前記スラリーオイル以外の1種又2種以上の基材の含有量が、燃料油組成物の全容量に対して、15.0容量%~80.0容量%であり、硫黄分が0.5質量%以下である燃料油組成物が提案されている。
特開2014-51591号公報 特開2018-165365号公報 特開2018-165366号公報 特開2018-165367号公報
しかしながら、C重油組成物に関する、特許文献に記載の技術において、硫黄分の含有量は、所定の規格(例えば、JIS K2205の0.5質量%以下)を満たすものであれば必要以上に低くすることを想定したものではなく、域外地域を航行する船舶用の燃料として広く利用されているC重油組成物の硫黄分の含有量が3.5質量%以下であることは既述の通りである。
そのため、硫黄分の含有量を低くしたときのC重油組成物に発現し得る課題は、上述した特許文献に記載の技術では解決されない可能性がある。具体的には、硫黄分の含有量の低下に伴い、貯蔵安定性、長期貯蔵安定性、着火性、燃焼性、低温流動性及び動粘度が、船舶における使用に耐え得るものになるかどうかが懸念される。
そこで本開示は、硫黄分の含有量が0.50質量%以下であっても、船舶における使用に耐え得る貯蔵安定性、長期貯蔵安定性、着火性、燃焼性、低温流動性及び動粘度を備えた燃料油組成物を提供することを目的とする。
以上の目的を達成するために、本発明者らは、鋭意研究を重ねた。本開示の一態様は、硫黄分の含有量が0.50質量%以下、及び芳香族分の含有量が50.0~75.0質量%であって、TLC/FID法を用いて測定される、前記芳香族分及びレジン分の和に対するパラフィン分及びアスファルテン分の和の質量比が0.20~0.80、CCAIが860以下、動粘度(50℃)が10.00~180.0mm/s、及び流動点が25.0℃以下である燃料油組成物である。
本開示によれば、硫黄分の含有量が0.50質量%以下であっても、船舶における使用に耐え得る貯蔵安定性、長期貯蔵安定性、着火性、燃焼性、低温流動性及び動粘度を備えた燃料油組成物を提供することができる。
本開示に係る燃料油組成物は、JIS K 2205規格を満たす燃料油組成物である。
本開示に係る燃料油組成物は、硫黄分の含有量が0.50質量%以下である。硫黄分は環境汚染源の一つであり、硫黄分の含有量が多すぎると排気ガス中の硫黄酸化物や粒子状物質の排出が多くなる。よって、硫黄分の含有量は少ない方が好ましい。しかし、硫黄分の含有量が少なすぎると動粘度が低下し燃料油組成物の自己潤滑性が低下することがある。そのため、硫黄分の含有量は、好ましくは0.15質量%以上、より好ましくは0.20質量%以上、更に好ましくは0.25質量%以上、特に好ましくは0.30質量%以上である。
本開示に係る燃料油組成物は、パラフィン分を含む。パラフィン分の含有量は、好ましくは60.0質量%以下、より好ましくは、24.0~45.0質量%、更に好ましくは35.0~42.0質量%である。本開示において、パラフィン分とはパラフィンを主とする成分である。パラフィン分の含有量は、例えばTLC/FID(薄層クロマトグラフィー/水素炎イオン化検出器)法を用いて求められる。TLC/FID法においては、パラフィン分は、n-ヘキサンによって展開された後、分離される。パラフィン分の含有量が少ないと、燃料油組成物の場合、着火燃焼性に影響を与える芳香族分の全体に対する割合が増加し、これにより、エンジンの始動性不良などの不具合を生じることがある。一方、パラフィン分の含有量が多いとフィルター通油性能、貯蔵安定性、長期貯蔵安定性及び低温流動性が悪くなることがある。
本開示に係る燃料油組成物は、芳香族分を含む。芳香族分には、例えば、ベンゼンにアルキル基又はナフテン環を有する1環芳香族、ナフタレンにアルキル基又はナフテン環を有する2環芳香族、及びフェナントレン又はアントラセンにアルキル基又はナフテン環を有する3環芳香族が含まれる。芳香族分の含有量は、燃料油組成物中、50.0~75.0質量%、好ましくは53.0~70.0質量%、より好ましくは55.0~65.0質量%である。芳香族分の含有量は、例えばTLC/FID法を用いて求められる。TLC/FID法においては、芳香族分は、n-ヘキサンによって展開されず、且つ、トルエンによって展開された後、分離される。芳香族分の含有量は、多い方がアスファルテン分を分散するため長期貯蔵安定性が高くなる。しかし、芳香族分の含有量は、多すぎると着火性及び燃焼性が悪くなることがあり、その結果、エンジンの始動性不良などの不具合を生ずることがある。
本開示に係る燃料油組成物は、レジン分を含む。レジン分の含有量は、貯蔵時のスラッジ抑制及び燃焼性の観点から、燃料油組成物中、好ましくは2.0質量%以下、より好ましくは0.2~2.0質量%、更に好ましくは0.5~1.6質量%である。レジン分は、燃焼性の観点から少ないほうが好ましいが、スラッジ抑制の観点では、少量含まれるほうが好ましい。レジン分の含有量は、例えばTLC/FID法を用いて求められる。TLC/FID法においては、レジン分は、n-ヘキサン及びトルエンによって展開されず、且つ、メタノールとジクロロメタンの混合溶媒によって展開された後、分離される。
本開示に係る燃料油組成物は、アスファルテン分を含む。アスファルテン分の含有量は、貯蔵時のスラッジ抑制及び燃焼性の観点から、少ないほうが好ましい。アスファルテン分は、燃料油組成物中、好ましくは5.0質量%以下、より好ましくは4.5質量%以下、更に好ましくは2.5質量%以下である。アスファルテン分の含有量は、例えばTLC/FID法を用いて求められる。TLC/FID法においては、アスファルテン分は、n-ヘキサン、トルエン、並びに、メタノール及びジクロロメタンの混合溶媒のいずれによっても展開されない。アスファルテン分の含有量は、燃料油組成物が外航船舶用燃料油として使用される場合、出荷基地などのタンクにおいて加温されて保管される場合等における長期貯蔵安定性の観点からより少ないほうが好ましい。
芳香族分及びレジン分の和に対するパラフィン分及びアスファルテン分の和の質量比((パラフィン分+アスファルテン分)/(芳香族分+レジン分))は、0.20~0.80、好ましくは0.37~0.75、更に好ましくは0.37~0.72である。この質量比が大きいと、長期貯蔵安定性が悪化する、又は、通油性能が悪化することがある。一方、質量比が小さいと着火性が悪化し、エンジン始動性不良などの不具合を発生させることがある。この質量比は、芳香族分、レジン分、パラフィン分、及びアスファルテン分の質量をそれぞれTLC/FID法を用いて求め、芳香族分及びレジン分の質量の和と、パラフィン分及びアスファルテン分の質量の和とから求める。
残留炭素分の含有量は、燃料油組成物中、好ましくは0.10~10.00質量%、より好ましくは0.30~6.00質量%、更に好ましくは1.00~5.00質量%、特に好ましくは1.50~3.00質量%である。残留炭素分の含有量が多いとフィルター通油性及び燃焼性が悪化することがある。
灰分の含有量は、燃料油組成物中、好ましくは0.050質量%以下である。灰分の含有量が多いと燃焼性が悪化することがある。
本開示に係る燃料油組成物は、密度(15℃)が好ましくは0.9910g/cm以下、より好ましくは0.8700~0.9900g/cm、更に好ましくは0.8900~0.9700g/cm、特に好ましくは0.9000~0.9500g/cmである。密度が小さいと、燃費が悪化することがあり、密度が大きいと、排ガス中の黒煙が増加したり、着火性が悪化したりすることがある。
本開示に係る燃料油組成物は、動粘度(50℃)が10.00~180.0mm/s、好ましくは20.00~120.0mm/s、より好ましくは25.00.00~110.0mm/sである。動粘度(50℃)が小さいと、潤滑性能が悪化することがある。更に、動粘度(50℃)が小さすぎると、燃焼室内の噴霧が悪化し、排ガス中の未燃炭化水素が多くなることがある。一方、動粘度(50℃)が大きすぎる場合も、燃焼室内の噴霧状態が悪化し、排ガス性状も悪化することがある。燃料油組成物を低硫黄化するために、硫黄分3.5質量%以下の燃料油製造時の主基材である常圧残渣より動粘度が低い脱硫残渣基材及び動粘度の低い中間留分を燃料油組成物に混合することが考えられ、硫黄分の低下とともに動粘度も小さくなる傾向にあり、このような燃料油組成物の場合、潤滑性能が悪化することがある。また、一般的な、船舶用の燃料供給システムにおいて、燃料油組成物は、加温されて、燃焼室内に供給される。よって、動粘度が低すぎる場合、加温により燃料油組成物の粘性が低くなり、船舶が搭載する既存の燃料供給システムでは扱えなくなることがある。そのため、燃料油組成物が、既存の燃料供給ラインを適用できる程度の粘性を有するように、供給時点の温度における動粘度が所定の範囲になることが好ましい。したがって、燃料油組成物の動粘度(50℃)は上述の範囲が好ましい。燃料油組成物の動粘度(50℃)をこのような範囲にするには、例えば、製油所の精製プロセスから得られる残渣基材の動粘度に合わせて、当該残渣基材に分解系基材を混合すればよい。
本開示に係る燃料油組成物は、流動点が25.0℃以下、好ましくは22.5℃以下である。燃料油組成物を船舶用の燃料として使用する場合、燃料の流動性を確保するため船内の燃料タンクを加温することがある。しかし、流動点が高いと、加熱不足によるワックスが発生し、フィルターが目詰まりしてしまう可能性がある。また、流動点が高いと、高い温度で加温し続ける必要があるため、エネルギーコストがかかってしまう。
本開示に係る燃料油組成物は、CCAI(Calculated Carbon Aromatic Index)が860以下、好ましくは850以下である。CCAIは、芳香族分の含有量と着火性及び燃焼性との関連に着目した指標である。CCAIは、重油の密度及び動粘度を用いて算出される。密度が比較的高い場合、燃料油組成物中の芳香族分が比較的多くなり、CCAIが大きくなる。一方、密度が比較的低いと、燃料油組成物中の芳香族分が比較的少なくなり、CCAIが小さくなる。また、CCAIが大きいと着火性が悪化しエンジンの始動不良などの不具合を起こすことがある。また、CCAIが小さいと排ガス中の未燃炭化水素が多くなることがある。したがって、CCAIは790以上が好ましい。なお、動粘度が燃焼性に与える影響は上述した通りである。
本開示に係る燃料油組成物は、安全性及び貯蔵の観点から、引火点が好ましくは70.0℃以上、より好ましくは80.0℃以上である。
本開示に係る燃料油組成物は、推定セタン価が、15.0以上が好ましく、さらに好ましくは20.0以上である。推定セタン価が低いと、着火性が悪くなる場合がある。推定セタン価が高いと未燃炭化水素が発生しやすいなど、排ガス性状が悪化する可能性がある。したがって、推定セタン価は、55.0以下が好ましい。
燃料油組成物の貯蔵安定性を評価するための指標として、実在スラッジと潜在スラッジとを用いることが好ましい。本開示に係る燃料油組成物の実在スラッジは、貯蔵安定性の観点から、好ましくは0.10質量%以下、より好ましくは0.05質量%以下、更に好ましくは0.02質量%以下、特に好ましくは0.01質量%以下である。
本開示に係る燃料油組成物の潜在スラッジは、長期貯蔵安定性の観点から、好ましくは0.10質量%以下、より好ましくは0.06質量%以下、更に好ましくは0.03質量%以下である。
本開示に係る燃料油組成物は、最終的に得られる組成物が、規定する特定の性状を有するように、(i)原油を蒸留及び脱硫して得られる1種又は2種以上の脱硫残渣、又は、(ii)原油を蒸留、脱硫及び分解して得られる1種又は2種以上の分解系留分若しくは中間留分と脱硫残渣とを混合したもの、を用いて調製することができる。
本開示に係る燃料油組成物は、脱硫残渣を含むのが好ましい。脱硫残渣は、例えば、直接脱硫装置から得られる直接脱硫残渣、又は、減圧蒸留残渣を間接脱硫して得られる間接脱硫残渣である。脱硫残渣の含有量は、動粘度及び燃焼性の観点から、燃料油組成物中に好ましくは30.0容量%以上、より好ましくは30.0~70.0容量%、更に好ましくは30.0~50.0容量%である。脱硫残渣の混合量が少なすぎると、動粘度が低くなり、燃料油組成物の自己潤滑性能が低下してしまうことがある。一方、脱硫残渣の混合量が多すぎると貯蔵安定性、及び、長期貯蔵安定性が悪化してしまうことがある。
脱硫残渣中の芳香族分の含有量は、好ましくは45.0~70.0質量%、より好ましくは50.0~60.0質量%である。脱硫残渣の芳香族分が少ないとスラッジが生成しやすくなることがあり、多いと着火性、燃焼性が悪化してしまうことがある。脱硫残渣の密度(15℃)は、好ましくは0.8600g/cm以上、より好ましくは0.9000~1.0000g/cmである。硫黄分は、例えば0.10~1.50質量%が好ましく、0.10~0.70質量%が更に好ましい。残留炭素分は、例えば15.00質量%以下である。
本開示に係る燃料油組成物は、分解系留分を含んでいてもよい。分解系留分は、原油処理プロセスにおける分解工程で得られる留分である。分解系留分は、流動接触分解装置又は残油流動接触分解装置から副生するおよそ沸点230~600℃の留分又は残油である。分解系留分は、例えば、接触分解軽油又は接触分解重油である。燃料油組成物に分解系留分が含まれる場合、分解系留分の含有量は、燃料油組成物中に10.0~50.0容量%であることが好ましく、10.0~30.0容量%であることがより好ましい。分解系留分が多いと着火性・燃焼性が悪化することがある。分解系留分が少ないと低温流動性や貯蔵安定性、長期貯蔵安定性が悪化することがある。
分解系留分が接触分解軽油の場合、密度(15℃)は、好ましくは0.9000g/cm以上、より好ましくは、0.9300~1.1000g/cmである。動粘度(50℃)は、好ましくは2.000~2.500mm/sである。硫黄分の含有量は、好ましくは0.20~0.50質量%である。芳香族分の含有量は、70.0質量%以上、より好ましくは75.0~90.0質量%である。2環以上の芳香族分は、好ましくは40.0質量%以上、より好ましくは40.0~60.0質量%である。残留炭素分は、好ましくは0.10質量%以下である。
分解系留分が接触分解重油の場合、密度(15℃)は、好ましくは0.9000g/cm以上、より好ましくは、0.9300~1.1000g/cmである。動粘度(50℃)は、好ましくは100.0~180.0mm/sである。硫黄分の含有量は、0.10~1.20質量%が好ましく、さらに好ましくは0.30~0.60質量%である。芳香族分の含有量は、70.0質量%以上、より好ましくは75.0~90.0質量%である。残留炭素分は、好ましくは5.00~8.00質量%である。
本開示に係る燃料油組成物は、脱硫残渣及び分解系留分からなる群より選ばれた1種以上の基材を好ましくは45.0容量%以上、より好ましくは60.0容量%以上含む。
本開示に係る燃料油組成物は、中間留分を含んでいてもよい。この場合、中間留分の含有量は、燃料油組成物中に好ましくは40.0容量%以下、より好ましくは30.0~40.0容量%である。中間留分が多いと低動粘度化し、自己潤滑性が悪化したりする。一方、中間留分が少ないと着火性及び燃焼性が悪化したり発熱量が小さくなったりすることがある。
中間留分は、原油を蒸留及び脱硫して得られる留分である。中間留分としては、蒸留プロセスから得られる灯油質留分及び軽油質留分、直接脱硫装置から得られる直脱軽油、減圧蒸留プロセスから得られる減圧軽油、間接脱硫装置から得られる間脱軽油、並びにこれらを2種以上混合して得られる留分が挙げられる。中間留分の密度(15℃)は好ましくは0.7600g/cm以上、より好ましくは0.8000~0.9000g/cmである。中間留分中の芳香族分の含有量は、20.0質量%以上が好ましく、より好ましくは30.0質量%以上、更に好ましくは38.0~51.0質量%である。
一般的に船舶用の燃料油組成物は複数の基材及び低温流動性向上剤などの添加剤を混合し、製造される。本開示に係る燃料油組成物には添加剤が混合されてもよいが、基材と添加剤との混合時、基材に潤滑性向上剤が添加されていないのが好ましい。
本開示に係る燃料油組成物は、船舶用の燃料に用いられるのが好ましい。
《実施例1~9、比較例1~9》
表1~4に記載の基材を表5~8に記載の容量比で混合して、実施例1~9及び比較例1~9に係る燃料油組成物を得た。得られた燃料油組成物の性状を表9~12に示す。表中の基材は下記の通りであり、それらの性状を表1~4に示す。基材及び燃料油組成物の性状は、後述のように測定した。
残渣A:脱硫残渣
残渣B:脱硫残渣
残渣C:脱硫残渣
残渣D:脱硫残渣
残渣E:脱硫残渣
減圧軽油F:減圧蒸留軽油(VGO)
中間留分G:直接脱硫軽油と間接脱硫軽油との配合物
中間留分H:直接脱硫軽油
中間留分I:灯油質留分
分解系留分J:直接分解軽油(LCO)
分解系留分K:直接分解軽油(LCO)
分解系留分L:直接分解重油(HCO)とスラリー油(SLO)との配合物
分解系留分M:直接分解重油(HCO)とスラリー油(SLO)との配合物
分解系留分N:直接分解軽油(LCO)
分解系留分O:直接分解重油(HCO)とスラリー油(SLO)との配合物
密度(15℃):
JIS K 2249「原油及び石油製品-密度試験方法及び密度・質量・容量換算表」に従って測定した。
動粘度(50℃):
JIS K 2283「原油及び石油製品-動粘度試験方法及び粘度指数算出方法」に従って測定した。
硫黄分:
JIS K 2541-4「原油及び石油製品-硫黄分試験方法 第4部:放射線式励起法」に従って測定した。
CCAI:
芳香族含有量と着火性及び燃焼性との関連に着目した指標であり、芳香族性を簡便的に重油の密度、動粘度を用いて次式で算出される。
CCAI=D-140.7log{log(V+0.85)}-80.6
ここで、Dは密度(kg/m@15℃)、Vは動粘度(mm/s@50℃)を示す。
流動点(℃):
JIS K 2269「原油及び石油製品の流動点並びに石油製品曇り点試験方法」に従って測定した。
引火点(℃):
JIS K 2265-3「引火点の求め方-第3部:ペンスキーマルテンス密閉法」に従って測定した。
推定セタン価:
IP541「Determination of ignition and combustion characteristics of residual fuels - Constant volume combustion chamber method」に基づいた試験に従って推定した。
実在スラッジ(質量%):
ISO10307-1「Petroleum Products-Total Sediment in residual fuel oils Part1 Determination by hot filtration」により得られる実在セジメント分である。
潜在スラッジ(質量%):
ISO10307-2「Petroleum Products-Total Sediment in residual fuel oils Part2 Determination using standard procedures for ageing」により得られる潜在セジメント分である。
灰分(質量%):
JIS K 2272「原油及び石油製品-灰分及び硫酸灰分試験方法」に従って測定した。
残留炭素分:
JIS K 2270「原油及び石油製品-残留炭素分試験方法」に従って測定した。
スポットスコア:
ASTM D 4740-04「Standard Test Method for Cleanliness and Compatibility of Residual Fuels by Spot Test」に従って決定した。
パラフィン分、芳香族分、レジン分、アスファルテン分(質量%):
JPI-5S-70-2010法「TLC/FID法による組成分析試験方法」に従って測定した。
*1:(パラフィン分+アスファルテン分)/(芳香族分+レジン分) (質量/質量)
*1:(パラフィン分+アスファルテン分)/(芳香族分+レジン分) (質量/質量)
*1:(パラフィン分+アスファルテン分)/(芳香族分+レジン分) (質量/質量)
*1:(パラフィン分+アスファルテン分)/(芳香族分+レジン分) (質量/質量)

Claims (4)

  1. 硫黄分の含有量が0.15~0.50質量%、及び芳香族分の含有量が50.0~75.0質量%であって、脱硫残渣を30.0~70.0容量%、接触分解軽油、接触分解重油、直接分解軽油、又は、直接分解重油を10.0~50.0容量%含み、
    TLC/FID法を用いて測定される、前記芳香族分及びレジン分の和に対するパラフィン分及びアスファルテン分の和の質量比が0.20~0.80、CCAIが860以下、動粘度(50℃)が10.00~180.0mm/s、及び流動点が25.0℃以下であることを特徴とする燃料油組成物。
  2. 前記脱硫残渣が、芳香族分を45.0~70.0質量%含む請求項に記載の燃料油組成物。
  3. 前記燃料油組成物中における前記レジン分の含有量が2.0質量%以下である、請求項1又は2に記載の燃料油組成物。
  4. 前記燃料油組成物中における前記アスファルテン分の含有量が5.0質量%以下である、請求項1、2又は3に記載の燃料油組成物。
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