不同比例的生物柴油乳化試驗(yàn)研究

吳則旭++姚明傲

摘 要：多次試驗(yàn)生物柴油乳化和制備乳化劑，用顯微鏡觀察乳化效果，測量顆粒直徑大小，進(jìn)行燃燒排放試驗(yàn)研究分析，選出較好的生物柴油乳化比例。

關(guān)鍵詞：生物柴油 乳化試驗(yàn) 顆粒大小

前言

近3年以來我國霧霾天氣日益加重，其重要原因就是越來越多的汽車排放有害氣體。多項(xiàng)科學(xué)研究表明，使用代用燃料可以有效降低汽車尾氣排放[1]。其中生物柴油可以與柴油在柴油機(jī)上混合或直接應(yīng)用，是一種未來前景非常廣闊的代用燃料[2]。

為了解決柴油機(jī)燃用生物柴油NOx排放增加的問題，本文中采用乳化技術(shù)，制備乳化生物柴油，實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)燃用代用燃料，同時(shí)降低碳煙和NOx的目的。

1、乳化試驗(yàn)研究

1.1 乳化劑的制備和選擇

試驗(yàn)?zāi)康模河^察乳化液從穩(wěn)定到析出的變化現(xiàn)象，并記錄穩(wěn)定時(shí)間，選擇穩(wěn)定性較好的乳化液。穩(wěn)定時(shí)間越長證明乳化液穩(wěn)定性越好[3]。

吸取之前研究經(jīng)驗(yàn)，并查閱相關(guān)論文資料，本試驗(yàn)共采用以下10種復(fù)配乳化劑， 如表1所示。

試驗(yàn)儀器：200ml廣口瓶若干；200ml燒杯若干；100ml量筒若干；溫度計(jì)10只；玻璃棒10只；10ml滴管若干。

試驗(yàn)方法：10種乳化液配比共做10次試驗(yàn)，規(guī)定各試驗(yàn)生物柴油體積都是40ml；設(shè)定水浴加熱溫度為35℃，把裝有生物柴油的燒杯靜置在溫水中加熱15分鐘；把10種配比乳化劑與生物柴油倒入200ml燒杯中，進(jìn)行攪拌乳化，觀察10種乳化液開始分層的時(shí)間并記錄整理。

由上表可知，6h穩(wěn)定時(shí)間后，甲醇+乙醇乳化液仍沒有明顯分層現(xiàn)象，乳化效果較好。對比分析原因：甲醇本身氧的比例高達(dá)50%，汽化潛熱值是柴油3.6倍[4]，燃燒時(shí)可以有效減少炭煙和NOx排放；乙醇作為優(yōu)良的燃料和助乳劑，能促進(jìn)油-水界面融合，大幅增加乳化液的穩(wěn)定性。

由以上得知，在生物柴油里添加醇類燃料，可以提高乳化液穩(wěn)定性，又從國內(nèi)外的研究表明，在生物柴油-乙醇體系中添加一部分水，使生物柴油燃燒更充分。故在以下實(shí)驗(yàn)中，將利用甲醇、乙醇和水一定比例復(fù)配乳化劑的效果。

1.2 乳化劑顆粒大小分析

查閱資料得知，在生物柴油乳化液穩(wěn)定性影響因素中，油包水粒徑大小可以排在前幾位。如果乳液的粒徑小且均勻分布，那乳液的穩(wěn)定時(shí)間越長。本次試驗(yàn)利用一臺(tái)顯微鏡來觀察記錄乳化劑顆粒直徑大小并做數(shù)據(jù)分析。

試驗(yàn)設(shè)備：三目生物顯微鏡XSP-BM8A型，放大倍數(shù)為40X-1000X。

相關(guān)科學(xué)試驗(yàn)表明，乳化液中不能超過10%的含水量：比例過高會(huì)在諸多方面都造成消極影響，比如燃料的十六烷值、熱值及著火燃燒特性；但比例過少，也起不到乳化效果。綜合以上因素，本試驗(yàn)選取3種試劑進(jìn)行對比研究：第一種為100%含量的生物柴油，第二種為含水量2.5%的乳化液（生物柴油40ml，甲醇3ml，乙醇15ml，水1.5ml），第三種為含水量5%的乳化液（生物柴油40ml，甲醇3ml，乙醇15ml，水3ml）。在顯微鏡下觀察這3種乳化液粒徑大小，記錄相關(guān)數(shù)據(jù)。

由顯微鏡觀察看到，第一種試劑純生物柴油呈顆粒狀分布，粒徑大小不一，只有一部分融合在一起。含水量2.5%乳化液和含水量5%乳化液在顯微鏡下都呈細(xì)胞狀分布，整體都為均勻分布，為油包水結(jié)構(gòu)。其中 5%含水乳化液與2.5%含水乳化液相比，顆粒直徑略短，且都小于10μm，分布均勻，綜合來說乳化效果較好。

通過以上研究，本試驗(yàn)選取含水量2.5%乳化液（簡稱乳2.5）和5%的乳化液（簡稱乳5）試劑和生物柴油（簡稱B100）進(jìn)行下一階段發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)。

2、 NOx排放分析

試驗(yàn)工況設(shè)定：本次試驗(yàn)對以上3種燃料分別進(jìn)行1200r/min，1400r/min，1600r/min，1800r/min和2000r/min轉(zhuǎn)速下的負(fù)荷特性實(shí)驗(yàn)和30N·m，50 N·m，70 N·m，90 N·m和極限負(fù)荷下的速度特性試驗(yàn)。由于篇幅所限，僅取70 N·m負(fù)荷下的燃燒排放數(shù)據(jù)作曲線分析。

試驗(yàn)條件設(shè)定：保證柴油機(jī)進(jìn)行速度特性試驗(yàn)研究時(shí)負(fù)荷一直處于70 N·m ，其它柴油機(jī)性能參數(shù)始終不變。在整個(gè)試驗(yàn)過程中，同一臺(tái)柴油機(jī)機(jī)依次燃用生物柴油、乳2.5和乳5，設(shè)定轉(zhuǎn)速和負(fù)荷均為前文提及的10個(gè)測量點(diǎn)，利用專業(yè)設(shè)備AVL-4000排放分析儀進(jìn)行檢測分析排放的尾氣，記錄相關(guān)排放數(shù)據(jù)。整理數(shù)據(jù)并繪制以下排放曲線圖。

從圖中我們可以看出隨轉(zhuǎn)速的提高，乳2.5和乳5的NOx的排放在不斷的降低。乳化油可燃混合氣的焰前反應(yīng)時(shí)間延長，使燃料和空氣的混合更均勻。由于水的加入，降低了混合氣的濃度。微爆效應(yīng)提高了混合氣的均勻度，減少了局部富氧現(xiàn)象，縮短了燃燒持續(xù)期和高溫持續(xù)時(shí)間，從而減少了 NOx的生成和排放量。

3、結(jié)論

經(jīng)過生物柴油乳化試驗(yàn)、顆粒大小分析以及排放試驗(yàn)，對比分析得到以下結(jié)論：

（1）在乳化試驗(yàn)中，加入甲醇和乙醇后，乳化液穩(wěn)定時(shí)間最長，通過顯微鏡的觀察，相比于乳2.5，乳5的顆粒分布更加均勻，顆粒直徑較小。

（2）在排放試驗(yàn)中，隨轉(zhuǎn)速的提高，相比于B100，乳2.5和乳5的NOx排放在不斷的降低。。

（3）綜合考慮乳化效果、顆粒大小以及尾氣排放，乳5為比較優(yōu)良的實(shí)際應(yīng)用比例。

參考文獻(xiàn)：

[1]湯湘華，李雪峰，羅艷托，等.國內(nèi)車用替代燃料的發(fā)展現(xiàn)狀及展望[J].石油規(guī)劃設(shè)計(jì)，2012，03：15-18：40-42.

[2]李攀，王賢華，李允超.生物柴油研究現(xiàn)狀及其進(jìn)展[J].能源與節(jié)能，2012，10：31-32.

[3]樓狄明，石健，趙杰，等.共軌柴油機(jī)燃用不同配比生物柴油的性能與排放特性[J].內(nèi)燃機(jī)工程，2009，30（6）：21-25.

[4]黃勇成，韓旭東，王麗.生物柴油-生物油乳化油的燃燒排放特性[J].工熱物理學(xué)報(bào)，2011，32（8）：1418-1420.

作者簡介：

吳則旭（1988—），男，碩士，助教，主要研究方向，汽車代用燃料。