生物柴油混合燃料預混合均一性實驗研究

任亦然 韓雪峰

生物柴油混合燃料預混合均一性實驗研究

任亦然 韓雪峰

通過對生物柴油與0#柴油混合燃料B20（生物柴油體積含量為20%）的密度測試來進行生物柴油混合燃料預混合均一性實驗研究。通過多種方法混合且在標定溫度下進行試驗，結果表明，生物柴油混合燃料B20的密度最接近于0#柴油的密度標準范圍，混合均一性良好。

生物柴油；0#柴油；混合燃料；均一性

一、引言

隨著經濟的全球化，人類對石化資源的開發利用量日益增加，造成全球能源的儲量越來越少，誘發全球性能源危機，石油供需矛盾日漸突出，迫切需要世界各國加快石油替代燃料的開發步伐。[1]作為可再生資源的生物柴油，由于其獨特的優勢，正受到世界各國的關注。[2]世界汽車和船舶數額巨大的保有量是導致目前石化能源緊張的根本原因，也給能源需求和環境保護帶來巨大挑戰。車用和船用柴油發動機清潔燃料的使用對節約石油資源和保護環境意義重大，具有良好的發展前景。

生物柴油是以植物油、動物油脂或餐廚廢油等為原料，經酯化等反應后生成的脂肪酸單烷基酯。生物柴油具有低硫、十六烷值高、無芳烴、潤滑性好、閃點高等特點，是典型的可再生燃料，并可顯著降低柴油機尾氣中的炭煙和微粒；但與普通柴油相比，存在黏度高、霧化性能和低溫流動性能差等缺點。研究表明，生物柴油與0#柴油混合可以較好地彌補各自的不足，形成一種適應我國國情、具有良好發展前景的替代燃料。目前，我國對生物柴油與0#柴油混合燃料的混合方法與混合均一性研究不足。本試驗系統地研究了生物柴油混合燃料B20預混方式與均一性的關系，為生物柴油混合燃料B20在柴油機上的推廣使用提供理論支持。

二、實驗條件及方法

（一）實驗燃料的選用

本實驗所用原料包括在中國石油購買的0#柴油和重慶環衛集團旗下公司以餐廚廢油為原料生產的餐廚生物柴油。燃料各組分的理化性質見表1。

（二）實驗儀器與方法

1.實驗儀器

HY-4KS調速多用振蕩器（常州國華電器有限公司）、SK250LH超聲波發生器（250瓦，50赫茲，上海科導超聲儀器有限公司）、SY-Ⅱ型石油密度計（0.5～1.0克/立方厘米，精度0.01，南京昕航科學儀器有限公司）、250毫升定容三角瓶、250毫升量筒、玻璃棒等。

2.實驗方法

本次實驗的油品是來自重慶環衛集團的餐廚生物柴油和采購于中國石油重慶南坪工貿站的0#柴油，將兩種燃油按照仿真試驗獲得的最優比例（生物柴油與0#柴油的體積比為20：80，即B20，下同）進行預混，其方法如下：

（1）直接預混

將餐廚生物柴油與0#柴油用精度為±1毫升的250毫升量筒，按1：4的體積比量取50毫升和200毫升直接倒入250毫升的定容容器混合（混合時不分先后，下同），無須任何外力作用，不做任何其他處理。

（2）攪拌預混

將餐廚生物柴油與0#柴油用精度為±1毫升的250毫升量筒，按1：4的體積比量取50毫升和200毫升直接倒入250毫升的定容容器混合，之后用玻璃棒攪拌，攪拌時間2分鐘。

（3）振蕩預混

將餐廚生物柴油與0#柴油用精度為±1毫升的250毫升量筒，按1：4的體積比量取50毫升和200毫升直接倒入250毫升的定容容器混合，用HY-4KS調速多用振蕩器振蕩預混2分鐘。

（4）超聲預混

將餐廚生物柴油與0#柴油用精度為±1毫升的250毫升量筒，按1：4的體積比量取50毫升和200毫升直接倒入250毫升的定容容器混合，用SK250LH超聲波發生器超聲預混2分鐘。

3.密度的測定

密度與燃油的大多數理化特性緊密相關，是一項重要的特性參數。混合燃料的密度不但關系到油品在交接、運輸及儲藏過程中的計量問題，還會影響燃料的霧化和蒸發等性能。燃料中的碳原子數目越多，燃料的密度也就越大，意味著輸出功率越大，而炭煙排放量也可能會相應增多。

本次試驗的油品是餐廚生物柴油和0#柴油，按照仿真試驗和柴油機臺架試驗獲得的最優比例，即B20進行預混，根據相關文獻，生物柴油與0#柴油按照某種事先確定的比例混合后，測定其混合是否均勻，可以用混合液密度差與結晶點的測定比較獲取結果。[3]本文僅就密度差測定分析混合液的均一性。

（1）測定方法

按照原油和液體石油產品密度實驗室測定方法，執行國家標準GB/T1884—2000。

①在試驗溫度下，把試樣轉移到溫度穩定、清潔的密度計量筒中，避免試樣飛濺和生成空氣泡，并要減少輕組分揮發。

②用清潔濾紙除去試樣表面形成的所有氣泡。

③把裝有試樣的量筒垂直放在沒有空氣流動的地方，整個試驗期間環境溫度變化不大于1攝氏度，否則，應使用恒溫浴。

④用溫度計或攪拌棒作垂直旋轉運動攪拌試樣，使其密度和溫度達到均勻，記錄溫度接近到0.1攝氏度，取出溫度計或攪拌棒。

⑤用合適的密度計放入液體中，測定其密度并記錄。

表1 各燃料樣品的理化性質

（2）操作步驟

① 取250毫升0#柴油于250毫升量筒中，用SY-Ⅱ型石油密度計，于15攝氏度下測得密度為0.831 5克/立方厘米；取250毫升生物柴油于250毫升量筒中，于15攝氏度下測得密度為0.881 5克/立方厘米。

表2 生物柴油混合燃料B20不同混合方法的密度測定結果

從預混結果可知，直接混合與攪拌混合后測得的密度相差不大，且上、中、下三層的密度之差小于0.000 6克/立方厘米，說明混合均勻；振蕩混合與超聲混合后測得的密度較接近，且上、中、下三層的密度之差小于0.000 6克/立方厘米，說明混合均勻。

總體來看，雖然生物柴油與0#柴油是兩種不同的物質，有一定的密度差，但經過試驗發現兩種物質的混合物均一性較好。4種預混方法的結果略有差異，即超聲混合的均一性＞振蕩混合的均一性＞攪拌混合的均一性＞直接混合的均一性，超聲混合的均一性更接近于生物柴油與0#柴油按1：4混合后的密度理論值0.841 5克/立方厘米。

根據國家車用柴油標準規定，密度在820～860千克/立方米范圍內為達標產品。[5]從試驗結果來看，生物柴油的密度大于0#柴油的密度，B20振蕩混合后的密度為0.841 5克/立方厘米，接近于0#柴油。

（3）結論

生物柴油與0#柴油互溶性好，任何助溶添加劑都是沒有必要的。重型汽車或船用發動機使用生物柴油與0#柴油混合比例不大于20：80時，其霧化性能與蒸發能力均能得到滿足。若將B20運用于船舶柴油機，兩種油液的預混只需采取直接混合的方式即可滿足均一性要求，不需添加額外的設備，只需注意預混時的先后順序即可。

三、討論

1.生物柴油獨具的特性使其與0#柴油互溶

實驗證明，該混合燃料在實驗期間內沒有分層，表明生物柴油混合燃料B20均勻性、穩定性均能達到理想的效果。

2.B20可供實際應用參考的幾種混合方式

（1）燃油系統前預混

將兩種燃料按1：4體積比加入汽車發動機油箱或船舶日用油柜，汽車行駛在路上或船舶航行在水域，由于道路不平或彎道等路況導致車輛的顛簸，水域中的風浪加之船舶本身的振動等因素均會使生物柴油混合燃料均勻混合，但該操作應盡量在生物柴油的凝點以上進行。

（2）燃油系統中預混

將需要預混的兩種燃油按照既定的比例分別以較高的流速或壓力注入到總管，按照體積比核算出進入總管的單位流量應該為1：4，方可達到最好的混合效果。

（3）真空泵吸預混

利用真空泵的原理，將0#柴油作為動力源，將生物柴油作為真空抽吸對象，使其在管路中預混前行，管內燃料會由于湍流/紊流運動達到均勻預混的目的。這種預混需要額外的設備和相應的計量儀器，價格昂貴。

3.混合時密度的影響

生物柴油的密度比柴油大，在預混時必須強調先后順序和燃油進入的部位。

（1）車載燃料預混

先行注入預混容器的燃油應為密度較小的油液——0#柴油，生物柴油次之。

（2）船舶燃料預混

船舶燃油系統要比車輛復雜，基本都有儲存柜、沉淀柜和日用油柜，這樣船舶燃料的預混在三個場所均可完成，推薦預混場所選擇儲存柜，主要原因在于混合燃料在此經過船舶的搖晃和機械的振動，基本達到均勻混合的目的，再經過駁油泵將燃油泵入沉淀柜，再泵入日用柜。船舶的顛簸和振動、6個自由度的搖蕩以及管路中的紊流等讓燃油混合更加均勻。

（3）預混不良的后果

生物柴油對某些材料有溶解作用，會導致管路、噴油系統和油箱等設備出現漏泄，甚至失壓，從而導致異常停車，危害極大；高濃度生物柴油會引起油柜、油管等處的沉渣溶解，堵塞系統濾器甚至噴油器，溫度越高，這種情況發生的可能性越大。[4]

因此，生物柴油作為一種重要的環境友好和可再生能源，國家要制定生物柴油標準和一系列優惠措施，規范行業標準和保證生物柴油的市場份額，大力提倡使用生物柴油，為全球能源的合理利用提供經驗。

[1]周后波,張慶英,曹順.生物柴油制備技術研究進展及展望[J].廣東化工,2015(7):91-93.

[2]吳謀成.生物柴油[M].北京:化學工業出版社,2008.

[3]魏秋蘭.柴油-生物柴油混合燃料互溶性與溶脹性研究[J].公路與汽車,2008(5):11-13.

[4]丁泠然.生物柴油的特性及其與石化柴油的調合和儲運[J].石油庫與加油站,2016(5):19-25.

[5]耿莉敏,董元虎,邊耀璋,等.生物柴油與輕柴油混合燃料的理化特性[J].長安大學學報(自然科學版),2008(3):88-91.

10.16176/j.cnki.21-1284.2017.11.007

任亦然（1974—），男，重慶交通大學，實驗師，輪機長。

韓雪峰（1961—），男，重慶交通大學，副教授。