乙醇柴油性能研究

劉 曉，熊 云，許世海，范林君

（后勤工程學院軍事油料應用與管理工程系，重慶 400016）

乙醇柴油性能研究

劉 曉，熊 云，許世海，范林君

（后勤工程學院軍事油料應用與管理工程系，重慶 400016）

以常二柴油、常三柴油、催化裂化柴油、催化加氫柴油和0號輕柴油為基礎油，分別配制了不同體積分數的乙醇柴油，對乙醇柴油的互溶性、理化性能和發動機性能進行了研究。結果表明，商品柴油與乙醇的互溶性能及穩定性能良好；水分會嚴重影響乙醇柴油的穩定性；助溶劑可以適當改善乙醇柴油的容水性；加入乙醇后，能不同程度地降低乙醇柴油的凝點和冷濾點；乙醇柴油的腐蝕試驗結果能夠達到國家燃油標準；乙醇的加入使得柴油的密封性能變差，閃點降低，從而增加了柴油的著火危險性；乙醇柴油的燃料消耗率和排氣煙度與商品柴油相當，但NOx排放降低。

乙醇柴油 互溶性 穩定性 助溶劑

1 前 言

從2003年起，我國開始推廣使用乙醇汽油，近年來，乙醇汽油的使用量不斷增加。汽油消費是享受型消費，柴油消費多為生產型消費。柴油對國民經濟的發展、國家的穩定具有更重要的作用，因此，乙醇柴油有可能進入實用研究階段［1］。為迎接乙醇柴油的大規模使用，國內從2002年起開始出現關于乙醇柴油的研究報道，研究工作主要集中在乙醇柴油助溶劑和乙醇柴油的排放特性上［2-11］。本課題以常二柴油、常三柴油、催化裂化柴油、催化加氫柴油和0號輕柴油為基礎油，分別配制不同體積分數的乙醇柴油，對乙醇柴油的互溶性、理化性能和發動機性能進行研究。

2 原料及主要試劑

常二柴油（常二），取自蘭州煉油廠5 M t/a常減壓蒸餾二裝置；常三柴油（常三），取自蘭州煉油廠5 M t/a常減壓蒸餾三裝置；催化裂化柴油（裂化），取自蘭州煉油廠1.4 M t/a催化裂化裝置；催化加氫柴油（加氫），取自蘭州煉油廠1.2 M t/a加氫精制裝置；0號商品柴油（0號），市售；無水乙醇，市售，分析純。

3 結果與討論

3.1 乙醇柴油的混合性能研究

3.1.1 乙醇-柴油體系的互溶性 以不同柴油為基礎油，分別按2%，4%，6%，8%，10%的體積分數與無水乙醇混合（分別記為E2，E4，E6，E8，E10），觀察其互溶性，結果見表1。將配制好的乙醇柴油在室溫下靜置2個月，觀察其穩定性（所有乙醇柴油均密封靜置，以排除水分的影響），結果見表2。由表1和表2可見，2%的乙醇添加量可以保證乙醇與不同基礎油實現互溶，且長期靜置后不分層。

表1 不同基礎柴油與無水乙醇的互溶性

表2 乙醇柴油的穩定性

3.1.2 水分對乙醇-柴油體系互溶性的影響 取20 m L配制好的E2和E4乙醇柴油，逐滴滴入水，振蕩，直至體系不透明為止，測得乙醇柴油的最大容水量，結果見表3。由表3可見，水分可明顯影響乙醇柴油的穩定性，少量水分即可導致乙醇柴油分層。乙醇柴油的最大容水量與基礎油有關，實驗中，容水性最好的基礎油為常二柴油，換算最大容水量（φ）可達到1.7%（按23滴/m L計算），加氫柴油的最大容水量（φ）小于0.4%，常三、裂化和0號商品柴油的最大容水量（φ）小于0.2%。在本實驗條件下，乙醇柴油的最大容水量與乙醇含量無關。靜置2個月后，不同基礎油不同比例乙醇柴油均維持初始狀態，說明水分不影響乙醇柴油的長期穩定性。

表3 不同乙醇柴油的最大容水量 滴

3.1.3 助溶劑對乙醇柴油互溶性的影響 以高級醇的單劑或混合劑為助溶劑，分別考察助溶劑對乙醇-柴油和水-乙醇-柴油體系的影響。

（1）助溶劑對乙醇-柴油體系的影響 常二、常三和加氫柴油的最大乙醇容量偏小，本課題通過添加高級醇的方法改善乙醇與柴油的互溶性。試驗結果表明，在以單劑狀態添加下，正丁醇、異丁醇、異辛醇、異戊醇均能顯著提高乙醇與常二柴油、常三柴油和加氫柴油的相溶性。但助溶劑的添加量都較大，在5%以上才能明顯增大乙醇容量。如果將各種醇類復配使用，則可取得較好的效果，例如對于常二柴油，1.12%正丁醇＋0.37%異戊醇的配方助溶效果較好，可使乙醇柴油完全互溶不分層，長期密封存放穩定性良好。

（2）助溶劑對乙醇柴油容水性的影響 以異辛醇為助溶劑，考察當水含量（φ）為0.17%時，可使乙醇柴油體系完全互溶的助溶劑最小用量，結果見表4。雖然乙醇和柴油的互溶性能較好，且有一定的容水性。但高級醇類助溶劑（不管是以單劑使用還是復配使用）對乙醇柴油的助溶性能和容水性能的提高效果并不好。為達到較理想的助溶效果和容水效果，助溶劑的用量通常很大，在實際使用時會導致成本大幅度提高。

表4 含水量（φ）為0.17%時的助溶劑最小用量

目前還沒有乙醇柴油的國家標準，因此無法判斷將來可能會應用的乙醇柴油的水含量指標。但是，考慮到乙醇汽油和乙醇柴油在儲存和使用中面臨的外界環境（吸水性）相差不大，則參考GB 18351—2004《車用乙醇汽油》的相關內容，乙醇燃料中允許的含水量應小于0.20%（質量分數）。

從水對乙醇柴油的影響及醇類助溶劑對乙醇柴油互溶性和穩定性的作用效果來看，由于乙醇強烈的吸水性，在使用乙醇柴油時必然會從周圍環境（油罐、管線的空間等）吸水。根據本研究結果，一旦乙醇柴油吸水，會影響乙醇柴油的互溶性和穩定性；而且，通過常規的添加醇類助溶劑的方法來解決互溶性和穩定性下降的問題，將會導致成本大幅度提高，從而限制乙醇柴油的大規模應用。因此，若大規模使用乙醇柴油，首先要解決乙醇柴油和水的互溶性問題，可能的方法如下：①研究高效助溶劑；②生產中嚴格控制產品的水含量；③使用中嚴格限制水分的混入。

3.2 乙醇柴油的蒸發性

圖1 乙醇柴油的餾程

3.2.1 餾程 根據GB/T 6536—97方法分別測定了以0號柴油為基礎油配制的乙醇柴油在97.8 kPa下的餾程，結果見圖1。由圖1可見，乙醇主要會影響乙醇柴油的初餾點和10%餾出溫度。在添加了乙醇后，與0號基礎柴油相比較，乙醇柴油初餾點降低至乙醇的沸點（78.3 ℃）附近。因此在后續試驗中只測定以各中間柴油產品為基礎油配制的乙醇柴油的初餾點和10%餾出溫度，結果見表5。由表5可見，在添加了乙醇后，乙醇柴油的初餾點降低，其原因可能是由于生成了共沸物，導致乙醇柴油的初餾點低于無水乙醇的沸點。另外，乙醇柴油的10%餾出溫度下降，且隨著乙醇添加量的增加，乙醇柴油的10%餾出溫度下降程度增加。

在使用中，乙醇柴油的這種特性可能會影響發動機的正常工作。在發動機的啟動和預熱過程中，由于發動機溫度低，只有那些輕組分才有可能在較低的溫度下汽化，并和空氣形成可燃混合氣。通常情況下，10%餾出溫度越低，則實際使用時發動機啟動和預熱越容易。但對于乙醇柴油而言，由于乙醇會早于柴油單獨蒸發出來，則可能導致低溫下汽化出來的輕組分中含有大量乙醇；又由于乙醇本身壓燃性能差于柴油，導致使用中可能出現啟動困難和預熱時間加長等不良后果。

表5 不同基礎柴油配制的乙醇柴油的初餾點和10%餾出溫度 ℃

3.2.2 雷德法飽和蒸氣壓 按照GB/T 8017—87方法測定了以0號柴油為基礎油的乙醇柴油的雷德法飽和蒸氣壓，結果見圖2。由圖2可以看出，摻入乙醇后，乙醇柴油的雷德法飽和蒸氣壓增加；乙醇摻入量（φ）為10%時，乙醇柴油的雷德法飽和蒸氣壓增加幅度增大。

雷德法飽和蒸氣壓主要反映油品中輕組分的蒸發性能，在柴油中添加了低沸點的乙醇后，乙醇柴油的飽和蒸氣壓迅速升高。根據乙醇汽油的研究結果，當乙醇的添加量（φ）為10%時，乙醇汽油的飽和蒸氣壓會上升5 kPa左右［12］。這一結果與乙醇柴油相似。

由乙醇柴油的餾程和飽和蒸氣壓結果可知，加入乙醇后，乙醇柴油變得易蒸發，但由于柴油本身的蒸發性遠遠差于汽油，且乙醇對柴油飽和蒸氣壓和餾程的影響絕對值并不大，因此，加入乙醇后，對柴油蒸發損失和行車氣阻的影響可以忽略，乙醇的加入主要會影響柴油的著火危險性。

圖2 不同比例乙醇柴油的雷德法飽和蒸氣壓

3.2.3 蒸發改進劑對乙醇柴油飽和蒸氣壓的影響在乙醇柴油中加入兩種類型的蒸發改進劑，考察其對雷德法飽和蒸氣壓的影響，結果見表6，其中改進劑A的相對分子質量低于改進劑B。由表6可知，蒸發改進劑可降低乙醇柴油的飽和蒸氣壓；低相對分子質量改進劑的效果好于高相對分子質量改進劑。

蒸發改進劑是大相對分子質量、低揮發性的有機化合物，加入到乙醇柴油中后，與乙醇形成沸點更高的共沸物，從而降低乙醇的揮發性，達到降低乙醇柴油飽和蒸氣壓的目的。蒸發改進劑的揮發性好壞和相對分子質量的大小，會影響其使用效果：相對分子質量過小，則揮發性大，有可能會生成更低沸點的共沸物，從而導致混合體系的蒸發性進一步增大；而相對分子質量過大時，共沸物的穩定程度降低，從而使效果變差。

表6 添加蒸發改進劑后乙醇柴油的雷德法飽和蒸氣壓 kPa

3.3 乙醇柴油的低溫性能

通過GB/T 510—91方法和SH/T 0248—92方法分別測定了不同基礎柴油及其乙醇柴油的凝點和冷濾點，結果見表7。從表7可知，加入乙醇后，乙醇柴油的凝點和冷濾點降低，說明加入乙醇可以在某種程度上改善車用柴油的低溫性能。

表7 乙醇柴油的低溫流動性 ℃

3.4 乙醇柴油的著火性

3.4.1 閃點 通過GB/T 261—1983方法測定了不同基礎柴油及其乙醇柴油的閃點，結果見表8。由表8可見，加入乙醇后，乙醇柴油的閃點降低；乙醇添加量的多少，對閃點的變化影響不大。乙醇柴油的閃點降低說明在儲存和運輸中，乙醇柴油將更容易在儲罐和管線的空間中蒸發出來，從而達到燃料的爆炸極限，導致閃火、爆炸等事故發生。

表8 乙醇柴油的閃點 ℃

3.4.2 蒸發改進劑對閃點的影響 用前述兩種蒸發改進劑和一種無機鹽作為蒸發改進劑，通過降低乙醇柴油蒸發性的辦法降低乙醇柴油的閃點。蒸發改進劑對閃點的影響見表9。由表9可以看出，蒸發改進劑雖然可以降低乙醇柴油的蒸發性，但對乙醇柴油的閃點影響不大，加劑后的閃點仍遠遠達不到車用乙醇柴油標準的規定值（不小于45 ℃）。由于乙醇本身具有很強的蒸發性，要解決乙醇柴油閃點的問題難度很大。因此必須在儲運時加強管理，防止發生安全事故。

表9 蒸發改進劑對閃點的影響 ℃

3.5 乙醇柴油的金屬腐蝕性 通過GB/T 5096—85方法測定了乙醇柴油的銅片腐蝕，結果見表10。由表10可知，當乙醇的含量（φ）不高于4%時，乙醇柴油的銅片腐蝕能夠達到國家標準，滿足乙醇柴油的使用要求。

表10 乙醇柴油的銅片腐蝕 級

3.6 乙醇柴油的密封適應性指數 以0號柴油為基礎油配制了乙醇柴油，通過SH/T 0305—93方法測定了乙醇柴油的橡膠腐蝕性，結果見表11。由表11可知，隨著乙醇含量的增加，乙醇柴油的密封適應性指數呈上升趨勢。密封適應性指數與汽車油路中橡膠的相容性有關，密封適應性指數的上升，說明乙醇的加入使得油品的密封性能變差，使普通橡膠溶脹、收縮、硬化、龜裂的可能性變大。在使用乙醇柴油作為發動機燃料時，應盡量選擇特種橡膠（如硅橡膠、氟橡膠）作為發動機的密封件。

表11 乙醇柴油的密封適應性指數

3.7 乙醇柴油的發動機性能

采用軍隊大量裝備的維柴WD61550型柴油機作為試驗用發動機，根據GB T 18297—2001《汽車發動機性能試驗方法》中的總功率試驗部分進行試驗。

3.7.1 動力性 圖3給出了0號柴油和E2、E4乙醇柴油的外特性試驗動力性試驗結果。由圖3可以看出，加入乙醇后，乙醇柴油的扭矩降低、功率降低。乙醇柴油動力性下降的原因主要是由于油耗量降低引起的。從燃料消耗率的角度看，乙醇柴油和基礎柴油的燃料消耗率相差不大。

3.7.2 排氣煙度 通過濾紙式煙度計測定了發動機外特性下的排氣煙度，結果見圖4。由圖4可見，乙醇柴油的排氣煙度與基礎柴油相當。

圖3 0號柴油與E2、E4乙醇柴油的外特性動力性能

圖4 0號柴油與E2、E4乙醇柴油的外特性排氣煙度

3.7.3 NOx排放 通過五氣分析儀測定了發動機外特性下的NOx排放，結果見圖5。由圖5可見，乙醇柴油的NOx排放低于基礎柴油，與基礎柴油相比，E2乙醇柴油的NOx排放平均下降了6.2%，E4乙醇柴油的NOx排放平均下降了4.1%。使用乙醇柴油后，在保證發動機的燃料消耗率不變的前提下，發動機的NOx排放降低。因此，從節能和環保的角度出發，大力發展乙醇柴油是可行的。

圖5 0號柴油與E2、E4乙醇柴油的外特性NOx排放

4 結 論

（1）商品柴油和乙醇的互溶性能和穩定性能良好，中間產品柴油和乙醇的互溶性能和穩定性受柴油加工工藝的影響。

（2）水分會嚴重影響乙醇柴油的穩定性；助溶劑可以適當改善乙醇柴油的容水性。

（3）加入乙醇后能不同程度地降低乙醇柴油的凝點和冷濾點。

（4）乙醇柴油的腐蝕試驗結果能達到國家燃油標準；乙醇的加入使得柴油的密封性能變差。

（5）乙醇的加入可導致柴油的閃點降低，從而增加柴油的著火危險性。

（6）乙醇柴油的燃料消耗率和排氣煙度與商品柴油相當，但NOx排放降低。

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Abstract Ethanol diesel fuel sam p les w ith various ethanol blended ratios w ere prepared using distillates of 2nd and 3rd atmospheric column side cuts,catalytic cracking diesel fraction,hydrotreated diesel fraction and commercial 0#diesel fuel as base oil respectively.The mutual solubility of ethanol and diesel,physical and chem ical properties,longtim e stability and engine test performance w ere investigated.Results showed that the mutual solubility and stability of ethanol and 0#diesel fuel were excellent;the existence of w ater could significantly affect the stability of ethanol diesel;adding coso lvent could im prove the w ater tolerance o f ethanol diesel in some ex tent.The low tem perature performance of diesel fuel was improved a little by adding ethanol.The copper strip corrosion test result of ethanol diesel could meet the requirement of National Standard for diesel fuel,yet its flash point and seal compatibility were dropped a bit.As compared w ith diesel fuel,the fuel consum ption and smoke exhaust of ethanol diesel were sim ilar to those of conventional diesel and its NOxexhaust was lower.

Key Words: ethanol diesel；mutual solubility；stability；co-solvent

生物基丙烯酸裝置將于2013年投產

位于美國柯羅拉多州的OPX生物技術公司（OPX Biotechnologies）于2010年2月28日宣布，在中型規模裝置運行6個月之后，最近已達到成本降低85%的目標，預計商業化規模生物基丙烯酸裝置將于2013年投產。OPX生物技術公司設定的丙烯酸成本商業化目標是50美分/lb（1 lb≈0.453 6 kg，下同），將低于常規的烴類基丙烯酸。生物基丙烯酸通過優化的微生物生產路徑，使用糖類包括葡萄糖為原料來生產。

該公司預計于2010年下半年完成中型規模運行，并交付Merrick & Company公司設計驗證裝置，定于2011年投運，并設計商業化規模裝置。該公司商業化規模丙烯酸裝置能力將為1.0×108～3.0×108lb/a。

目前石油基丙烯酸的全球市場需求約為8.0×109lb/a，歷年來平均增長率為4%。丙烯酸主要用于生產寬范圍的工業和消費產品，包括涂料、膠粘劑、一次性尿布和去污劑。

一些大公司，包括現有的丙烯酸生產商，均已投資研發從可再生原料生產丙烯酸技術。嘉吉公司和諾維信公司自2008年起已聯合開發從萄葡糖或另外的碳水化合物來源來生產丙烯酸。諾維信公司表示，其微生物菌株將于2013年進行技術轉讓，該菌株將可生產3-羥基丙酸（3HPA），3-羥基丙酸可再轉化成丙烯酸。預計在可再生基丙烯酸被大規模生產之前，丙烯酸生產商將需在其下游加工方面開展工作。

日本催化合成公司于2009年11月表示，其已處于基于甘油的丙烯酸制造工藝的加快開發階段，該公司的技術使用高性能催化劑，通過甘油氣相脫水來制取生產丙烯酸的中間體丙烯醛，丙烯醛再通過氣相氧化技術被氧化成丙烯酸。

[章文摘譯自Chemical Week，2010-02-28]

STUDY ON THE PERFORMANCE OF ETHANOL DIESEL FUEL

Liu Xiao,Xiong Yun,Xu Shihai,Fan Linjun
(M ilitary Oil Application and Management Engineering Department, Logistical Engineering College,Chongqing 400016)

2009-09-29；修改稿收到日期：2010-01-13。

劉曉（1974—），男，博士，主要從事油品應用和節能技術方面的研究工作。

重慶市科委基金重點項目（CSTC2008BA 0019）。