超聲波乳化重油的淺析研究

孔珊珊，寧召寬

(1.山東省思威安全生產技術中心，山東 濟南 250014；2.中國石油化工股份有限公司濟南分公司，山東 濟南 250101)

由于石油儲量日益下降，石油產品不斷漲價，為了應對這些能源問題，重油的利用成了新希望。重油的資源量巨大，和天然氣相比，安全并且易于儲存；和煤相比，熱值高，燃燒潔凈；和輕油相比，經濟便宜[1]，因此重油越來越受到人們的重視。但是重油粘度高的特點對重油開采、運輸、使用帶來了挑戰，乳化技術可解決其中的一些難題，從而使重油能更充分燃燒。

1 重油乳化的方式

乳化過程是通過乳化劑使互不相溶的兩種液體組成分散體系，其中一相是液滴，另一相為分散介質[2]。常見的乳狀液有水包油型和油包水型。

乳化方式主要分為靜態乳化和動態乳化，常見的重油乳化方式如下[3]：(1)機械攪拌乳化，(2)電超聲波乳化，(3)多層濾網乳化，(4)簧片哨超聲乳化。新型的乳化技術如無水乳化技術也不斷發展[4]。

本研究主要采用超聲波乳化，超聲波在介質中傳播時可產生空化作用，超聲空化作用產生的高溫、高壓可減小自由基的體積、提高自由基生成速度、加劇自由基的運動[5]，可使乳化液中水的液滴更小，分布更集中。與傳統乳化方法相比，超聲波空化作用為重油乳化提供了良好的環境；另外，超聲波作用可降低重油粘度，降低重油和水的界面張力，使重油和水能充分混合，有利于水的微細化[6]。

目前1000s重油的霧化溫度大都在100℃以上，常壓下的水會變為氣態，乳化油出現破乳現象，因此高溫加熱乳化的方式會導致乳化油破乳。而超聲波乳化可避免這類問題，將溫度加熱到70℃左右，依靠超聲波作用將重油均勻乳化，可在乳化重油進入燃燒器之前保持乳化狀態而不出現破乳問題，使燃燒效率提高。

2 實驗過程

實驗裝置：超聲波儀器，旋渦泵，電子顯微鏡，恩式粘度計。

試劑：50℃時粘度為1200s的重油(本文后面提到的粘度均為恩式粘度，20℃水的粘度為51s)，水，柴油。

本文采用的是超聲波和泵聯合乳化方式，超聲波儀器有兩個功率，分為強功率和弱功率，根據文獻可得，在一定的范圍內功率越大對乳化有利，因此選用較大功率實驗。實驗中采用重油，水和柴油混合添加，其中柴油的作用既有助于燃燒，也能降低柴油的粘度，所加柴油和重油的質量比保持1∶8，按照這個比例加入所要添加的水，摻水率分別為0(CS0)，8%(CS8)，10%(CS10)和12%(CS12)，CS表示摻水率。將配好的8 L混合液倒入10 L的超聲波乳化室內，超聲波和泵攪拌同時作用，并利用加熱裝置進行加熱，使得乳化溫度不同，乳化時間為2 h，聲波作用結束后，取油樣進行粘度和液滴分布的測定。

3 實驗結果及分析

3.1 重油乳化對粘度的實驗分析

實驗中采用的重油在50℃的粘度為1200s，CS0、CS8、CS10和CS12在不同溫度下的粘度如圖1所示。

圖1 重油粘度與溫度的關系

由圖1可以看出：1) 重油的粘度隨著溫度的升高而降低，并且各種乳化重油的粘度隨著溫度的升高也降低，說明乳化效果良好需較高溫度；2) 在同一溫度下，燃料油的粘度大小關系為CS12最低，CS10次之，CS0最高，說明經過超聲乳化后摻水率越高的重油粘度越低；3)實驗條件相同，CS0和CS12經過超聲波乳化后的粘度明顯降低，這就說明超聲波乳化起到了效果，有利于降低粘度，改善霧化效果。4)當在80℃時，不同摻水率的粘度趨于重合，變化趨勢相同，說明在一定溫度，超聲波乳化后，不同摻水率對重油粘度影響效果不明顯，溫度起到主要作用。在90℃時可以看出，隨著摻水率的增大，而粘度并沒有反生多大的變化，說明溫度高時溫度對粘度的影響比摻水率對粘度的影響更加重要。由此看出在高溫度下可以取得易于乳化的重油。

隨著摻水率的增加，乳化重油的粘度隨摻水率的增加而降低，這可能是由于一方面摻水率升高而使重油能夠進行充分的乳化，因為在重油周圍的水分含量增多，能夠更易于乳化重油。另一方面可能是由于超聲波儀器對重油所起的乳化作用，摻水率高一些有助于對重油進行乳化，能得到較好的乳化重油，使重油乳化更均勻，更充分，水滴更細，水包油的效果較好。還有一方面可能是對重油的乳化時間有一些差別，而導致乳化效果不同。

3.2 乳化重油液滴分布

保持溫度在80℃時，從超聲波儀器中取出少許的乳化重油，放在載玻片上，然后按照正確的方法蓋上蓋玻片，放在載物臺上用顯微鏡進行觀察，得到CS8、CS10和CS12的乳化顯微圖片見圖2。

圖2 乳化重油顯微照片

從圖2中可以看出，隨著乳化重油中的摻水率從8%～12%變化，乳化重油中水微粒密度增加，并且水微粒分布變得均勻，但水微粒并沒有隨著摻水率增加而半徑增大。可能由于顯微鏡的問題，或者油膜厚度大而不能使水微粒清晰的顯示出來，但可明顯的看到水微粒分布較均勻，并且圖中沒有大量的油膜或油滴使圖片灰暗。從10% 到12%的圖片可以看出，大部分12%的水微粒是細小均勻的，但是仍有較大顆粒存在，可能是超聲波對重油的乳化不均勻，乳化時間不足夠，或者摻水重油在乳化過程中損失較多的水，又或者是在用顯微鏡觀察時觀察不細致等原因造成的。

3.3 NO排放

圖3中D0表示柴油，此圖為柴油機在18kW的功率下，尾氣中NO的體積分數隨燃燒時間變化曲線。從圖中可以看出，摻水乳化重油經柴油機燃燒后排放的NO與柴油相比有較大幅度的降低，同一乳化重油燃燒排放NO隨時間變化不大，說明重油乳化效果較好。同時，隨著摻水率的比例提高，NO排放體積分數降低，主要是因為柴油機燃燒時乳化重油中的水吸收熱量，使柴油機內平均溫度降低，加速燃燒進程，從而降低NO生成，并且摻水率越高，吸收熱量越多，NO降低的越多。

圖3 NO排放體積分數變化曲線

3.4 SO2排放

圖4為尾氣中SO2的體積分數隨燃燒時間變化曲線。由圖可見，由于柴油燃燒時SO2排放基本沒有，乳化重油使其排放增大。隨著摻水率的升高，SO2排放量逐漸減小，并且其減小幅度不大，同一摻水率下，SO2排放量的變化也不大。說明乳化重油含水量對SO2的排放影響不大。這是由于SO2的形成受燃燒狀況的影響不大，重油中的含S組分可在氧氣適中，溫度較低條件下形成SO2，乳化重油中的水只起到稀釋煙氣的作用。

圖4 SO2排放體積分數變化曲線

4 結論

(1)當摻水率在8%～12%時重油的超聲波乳化具有良好的效果，水微粒半徑細小，分布較均勻，并且粘度隨著溫度的升高而減小，隨著摻水率的升高粘度下降。乳化后的重油能滿足柴油機或者其他機械的燃燒使用。綜合來看在摻水率為12%時的重油乳化效果較好。

(2)相對柴油而言，乳化重油經柴油機燃燒后，可降低NO排放量，同時，隨著重油中摻水率的增大而NO排放量大幅度降低。

(3)乳化重油燃燒可使SO2排放增加，雖然隨著摻水率升高SO2排放量減小，但摻水率多少對于SO2排放量影響不大。