新型環保醇基汽油抗水性能研究及其對燃料性能的影響

魏承濤（西北工業學校，陜西 興平 713100）

1 引言

1.1 課題的意義

當前，國內國際能源日趨緊張，開發生物質新能源、充分利用可再生能源，以保護環境，減排二氧化碳及石油燃料燃燒所產生的其他污染氣體，改變國民經濟完全依賴石油能源的狀況，是大勢所趨[1]。

新型環保醇基汽油是將一定比例的甲醇（30%～40%） 和乙醇（10%） 調入基礎汽油（92# 汽油或催化裂化汽油，或這前兩者加入一定比例的直餾汽油或石腦油），再加入一定比例的具有抗水性、油溶性、抗爆穩定性、抗氧化安定性、抗溶脹及腐蝕抑制劑等綜合性能的復合劑調合而成的高品位生物質汽油。由于甲醇可從秸稈氣化、木屑干餾等制取，而乙醇更可從糧食、甘蔗、甜高粱等發酵制取，故新型環保醇基汽油是一種可再生的生物質高品位汽油。而且可大量地減排二氧化碳、一氧化碳、碳氫化物，大大地減少汽油燃燒對大氣的污染。故開發新型環保醇基汽油具有革新能源結構，改變燃油百余年來完全依賴石油這種狀況的能源戰略意義。并且甲乙醇汽油成本將比石油汽油的低約30%，故具有很大的經濟效益，對國民經濟的發展、能源戰略和環境保護都具有戰略意義，是一項利國利民的好項目。

甲乙醇與汽油的溶解度受溫度的影響很大。溫度越高，互溶性越好，溫度越低，互溶性越差，越易分層。由于甲醇乙醇是極性很強的物質，與水完全互溶，相對于無鉛汽油，甲醇乙醇汽油的吸水性顯著增強。而水分的存在會使甲醇乙醇與汽油的臨界互溶溫度提高，分層更為容易，即使穩定的體系，當混入水分時也會重新分層。因此，應嚴格控制醇基汽油中的水分含量。對此我主要考察醇基汽油的抗水性能的研究，同時研究醇基汽油的配方調油技術，及其不同甲醇、乙醇對抗水性、透光率密度的影響，以及醇基汽油綜合配方燃料性能的考察研究，經過初步的醇基汽油理化特性與指標試驗驗證，能夠指導醇基汽油的工業生產，促進醇基汽油燃料汽車產業健康、有序的發展。

1.2 國內外研究現狀

當前，乙醇汽油在吉林、黑龍江、河南、安徽等省正大力推廣應用。乙醇汽油是由10%無水乙醇和92%車用汽油調合而成。乙醇汽油推廣應用中的主要問題是有漆膜生膠積碳、局部腐蝕、遇水（約0.5%～1%）分層及抗溶脹等問題，這些問題主要是缺少相應的功能添加劑，問題不難解決。

甲醇汽油起步較晚，但當前已有山西5 個城市于2004 年開始推廣應用。甲醇汽油推廣應用中的主要問題除了與乙醇汽油推廣應用中存在主要問題類同外。還有，甲醇汽油的油溶性和抗水性不如乙醇汽油的問題。這些問題只要有相應的功能添加劑就可解決。克服了乙醇汽油和甲醇汽油在使用中出現的問題，在抗水性、油溶性、抗爆穩定性、抗氧化安定性、抗溶脹及腐蝕抑制等綜合性能方面有了很大的改進，又拓寬了可再生車用燃油來源、大大地降低成本的顯著效果[2]。

2 實驗部分

2.1 主要的實驗儀器裝置

調速多用振蕩器，HY-4 型，上海浦東物理光學儀器廠；

分光光度計，T-72 型；

微電腦自動量熱計，WZR-1A 型，長沙奔特儀器設備有限公司；

電子天平梅特勒，AL104 型；

水浴（能維持在50 ℃）；

密度儀（量程0.700 0～0.800 0）；

溫度計（0～400 ℃）；

50 毫升具塞量筒；

分液漏斗，250 mL；試管；漏斗；量筒，25、50 和100 mL；錐形燒瓶，100 mL 和250 mL；量筒，25、50和100 mL；錐形燒瓶，100 mL 和250 mL；

磨光材料（150 號和180 號的砂紙）；

試驗彈，磨片夾鉗，氧氣鋼瓶，萬用表，腐蝕標準色板；

石油產品餾程測定器，銅片。

2.2 主要的實驗試劑及藥品

92#車用汽油，市售，中石油陜西銷售；

無水甲醇，分析純，天津市紅巖化學試劑廠；

無水乙醇，分析純，天津市紅巖化學試劑廠；

AR 分析甲醇，分析純，廣東汕頭市西隴化工廠；

氫氧化鈉，分析純，成都市科龍化工試劑廠；

三水合乙酸鉛，AR 分析純，廣東汕頭市西隴化工試劑廠；

升華硫，天津市河東區紅巖試劑廠；

苯，分析純，天津市永大化學試劑開發中心；

酚酞、甲基橙，指示劑；

復合劑；

洗滌溶液（1∶1 的醇苯溶液）。

2.3 實驗原理

甲醇、乙醇和汽油是極性和非極性很強完全不相溶液液進行混合溶解。它們混合后在復合劑的作用下形成微乳液，分散相微粒大約呈50～100 nm 的微小顆粒。從而形成不混濁、不分層、清澈透明的微乳液。復合劑的作用在于，能夠把醇基汽油中的醇分子和汽油分子結合在一起，形成一層極性和非極性分子膜，該膜的一端呈極性，與醇分子相聯，而另一端呈非極性，與汽油分子相連，從而形成穩定地微乳液體系，使醇基汽油不易發生相分離。利用分子基團的作用原理，分子基團越大，它的非極性增強。實驗證明，甲醇屬分子氫鍵締合，乙醇鍵較長，為極化分子，與汽油混合相溶，能夠形成微乳液。

2.4 實驗步驟

2.4.1 醇基汽油的調合

工藝流程圖如圖1 所示。

圖1 醇基汽油調合工藝原理流程

2.4.2 醇基汽油透光率的測定

用T-72 型分光光度計，1 cm 光槽，用4∶1 的甲乙醇做標準溶液，波長在200～600 nm 范圍進行探索，找出能區分這類樣品透光率的波長。

2.4.3 醇基汽油相對密度的測定

用量程范圍在0.700 0～0.800 0 的密度儀進行測量。

2.4.4 醇基汽油抗水性的測定

取樣品各200 mL，分別置于兩只300 mL 三角瓶中，向1#樣品加入2 mL 蒸餾水，劇烈搖蕩30 min，2#樣品不加水，將兩樣品置于15～20 ℃的室溫中，靜置72 h 后，無相分離，目測觀察樣品應相同，并無混濁/分層現象；或為了當時就能觀測可先如下方法測試：用洗耳球對著油面吹風，置其球嘴離油面約20 mm處用手用力捏球，吹100 余下，而無混濁現象，但后一方法只作為快速測試觀測方法。前一方法暫定標準名為XB-WP/T103—2006。

2.4.5 醇基汽油餾程的測定

方法概要：100 mL 試樣在規定的儀器及試驗條件下，按產品性質的要求進行蒸餾，系統的觀察溫度讀數和冷凝液體積，然后從這些數據算出測定結果。

2.4.6 醇基汽油抗腐蝕性能的測定

本試驗采用銅片腐蝕試驗法GB 5096—85。

方法概要：把一塊已磨好的銅片浸在一定量的試樣中，并按產品標準要求加熱到指定的溫度，保持一定的時間。待試驗周期結束后，取出銅片，經洗滌后與腐蝕標準色板進行比較，確定腐蝕級別。

2.4.7 醇基汽油凈熱值的測定

方法概要：將試樣裝在氧彈內的小皿中，用易燃而不透氣的膠片或把試樣封閉在聚乙烯管制成的管中，使試樣在壓縮氧氣中燃燒，以測定其燃燒時所發生的熱值（彈熱值），作為凈熱值的測定基礎[3]。

3 實驗結果分析和討論

3.1 不同甲醇加入量對抗水性、透光率及相對密度的影響的測定結果

以ME50（40%甲醇+10%乙醇+50%汽油（90#）+外加5%復合劑）為準，10%乙醇不變，改變甲醇的量10%、15%、20%、25%、30%、35%、40%，外加5%的復合劑不變。其測定結果如表1 所示。

表1 不同甲醇加入量對抗水性、透光率及相對密度的影響的測定結果

試驗結果表明，隨著甲醇量的不斷增加，由于甲醇的密度較汽油大，其相對密度也隨之變大，其透光率基本上保持不變，醇基汽油的抗水性隨著甲醇量的增加在不斷的增強（圖2）。甲醇與汽油形成醇包油型微乳液，分散介質甲醇量的增加，使其微粒變小，微乳液更加穩定。當加入水時，相當于加入了破乳劑，刺破了微粒，使其不穩定而分層。所以甲醇量增多了，可容忍更多水量，使抗水性增強。

圖2 甲醇加入量對醇基汽油的抗水性的影響

3.2 不同乙醇加入量對抗水性、透光率及相對密度的影響的測定結果

以ME50（40%甲醇+10%乙醇+50%汽油（90#）+外加5%復合劑）為準，40%甲醇不變，改變乙醇的量2%、4%、6%、8%、10%、12%、14%，外加5% 劑不變。其測定結果如表2 所示。

表2 不同乙醇加入量對抗水性、透光率及相對密度的影響的測定結果

試驗結果表明，隨著乙醇量的不斷增加，由于乙醇的密度較汽油大，其相對密度也隨之變大，其透光率基本上保持不變，醇基汽油的抗水性隨著乙醇量的增加在不斷的增強（圖3）。乙醇與汽油形成醇包油型微乳液，分散介質乙醇量的增加，使其微粒變小，微乳液更加穩定。當加入水時，相當于加入了破乳劑，刺破了微粒，使其不穩定而分層。所以乙醇量增多了，可容忍更多水量，使抗水性增強。

圖3 乙醇加入量對醇基汽油的抗水性的影響

3.3 醇基汽油綜合配方的抗水性能的測定結果

以ME50 為基準，進行對ME30（M25E5）、ME40（M35E5）、ME50（M40E10）、ME60（M50E10）、ME70（M60E10）、ME80（M70E10）的抗水性能試驗，其測定結果如表3 所示。

表3 綜合配方抗水性能的測定結果

試驗結果表明：綜合配方的透光率不斷增大，其抗水性在不斷的增強。醇基汽油的抗水性隨著甲乙醇量的增加在不斷的增強（圖4）。甲乙醇與汽油形成醇包油型微乳液，分散介質醇基含量的增加，使其微粒變小，微乳液更加穩定不分層。當加入水時，相當于加入了破乳劑，刺破了微粒，使其不穩定而分層。所以醇基量增多了，可容忍更多水量，抗水性增強了。

圖4 綜合配方抗水性能的影響

3.4 醇基汽油綜合配方燃料性能考察的測定結果

3.4.1 餾程的測定結果

以ME50 為基準，進行對ME30（M25E5）、ME40（M35E5）、ME50（M40E10） 的餾程性能試驗，其測定結果如下所述。

（1） ME30 餾程的測定結果。ME30（M25E5）的餾程結果如表4 所示。

表4 ME30 餾程測定結果（P=727.5 mmHg）

根據圖5 可知，餾出液體積=96.8 mL，殘留物體積=0.9 mL，蒸餾損失=2.3 mL。

圖5 ME30 餾程圖

（2） ME40 餾程的測定結果。ME40（M35E5）餾程的測定結果如表5 所示。

表5 ME40 餾程測定結果（P=728.5 mmHg）

根據圖6 可知，餾出液體積=97.2 mL，殘留物體積=0.8 mL，蒸餾損失=2.0 mL。

圖6 ME40 餾程圖

（3） ME50 餾程的測定結果。ME50 （M40E10） 餾程的測定結果如表6 所示。

表6 ME50 餾程的測定結果（P=726.3 mmHg）

根據圖7 可知，餾出液體積=97.1 mL，殘留物體積=0.9 mL，蒸餾損失=2.0 mL。

圖7 ME50 餾程圖

小結：試驗結果表明，在醇基含量低于50%時從初餾點到80% 餾出體積時溫度變化不大，但到90%餾出體積時溫度變化很大。由于甲乙醇的沸點較低，已經餾出很多，只剩下汽油，所以溫度突然變化很大。同時從以上試驗可以看出10% 餾出溫度均在50 ℃左右，溫度較低，說明其醇基汽油所含低沸點餾分越多，蒸發性強，能使汽油機在低溫下易于啟動。50%餾出溫度都在65 ℃左右，比較低，在溫度下能很好的蒸發，從而能縮短汽油機的升溫時間，同時，還可以使發動機加速靈敏、運轉柔和。90%餾出溫度在135 ℃左右，溫度不高，說明其醇基汽油中含有重質餾分不多，可保證汽油在使用條件下可以完全蒸發和完全燃燒，可減少汽缸內的積炭，耗油率降低，HC 排放濃度減小，避免未蒸發的汽油沖刷發動機氣缸壁油膜，流入曲軸箱后稀釋發動機潤滑油，減少了發動機潤滑油的變質，使其正常潤滑[4]。在醇基含量大于50%時90%餾出溫度在70 ℃左右，明顯低于其他90%餾出溫度，說明汽油含量減少，溫度上升的慢，屬于正常現象。

3.4.2 抗腐蝕性能測定結果

以ME50 為基準，進行對ME30（M25E5）、ME40（M35E5）、ME50（M40E10） 的抗腐蝕性能試驗，即銅片試驗，其測定結果如表7 所示。

表7 抗腐蝕性能測定結果

試驗結果表明：在50 ℃，3 h 恒溫水浴下銅片腐蝕均達到國家一級標準。

3.4.3 凈熱值性能的測定結果

以ME50 為基準，進行對ME30（M25E5）、ME40（M35E5）、ME50（M40E10）的水溶性酸堿，其測定結果如表8 所示。

表8 凈熱值性能測定結果

試驗結果表明：隨著醇基含量的增加，其凈熱值在不斷減小，由于醇類熱值比較低，所產生的燃燒熱較汽油燃燒值低。但由于醇類分子中含有氧，完全燃燒所需的空氣質量比汽油少得多，燃燒產生的尾氣帶走的熱量少，這就使發動機總熱效率得到提高。同時醇類汽油的有效質量燃油消耗率高，可以完全燃燒。所以在實際行車中凈熱值是較高的。（ ）

4 結語

（1） 本文主要研究與論述了醇基汽油的調油配方技術，及其不同甲醇、乙醇對抗水性、透光率密度的影響，以及進行了醇基汽油綜合配方燃料性能的考察研究。

（2）找出了甲醇、乙醇等諸因素變化時，對產品性能的影響規律，即該兩個因素在配方中的比例不斷增加，則其醇基汽油的密度不斷的增大，其透光率基本保持不變，它的抗水性增強。

（3）在醇基汽油綜合配方的研究試驗中，醇基汽油能使汽油機在低溫下易啟動（10%餾出溫度較低）。加速靈敏，縮短汽油機的升溫時間，并很快能提起速度（50%餾出溫度較低），同時燃燒效果也好，積炭少，對潤滑油腐蝕少（90%餾出溫度干點均較低）；在抗腐蝕方面符合國家車用燃油的標準，腐蝕性小；其產生的熱值不太理想，但燃燒效率比普通的汽油要高。