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大连理工大学硕士学位论文 摘要 生物柴油是优质的石化柴油替代品，典型的“绿色能源”，是以油料植物、动物油 脂以及餐饮废油等为原料制成的液态燃料。它具有含硫量极低、芳香烃含量少、含氧量 高、十六烷值高和废气逸出少等优点。推广生物柴油的应用，对环境保护和国民经济的 发展具有重大现实意义。 本文主要对含2 0 生物柴油的混合燃料的燃烧过程进行模拟计算，并将计算结果与 柴油的燃烧过程进行比较，分析其燃烧性能及对排放的影响。 论文首先介绍了生物柴油的概况，并详细说明了生物柴油的物理化学性质以及这些 性质对生物柴油在柴油机中使用的影响。 接着以k i v a 程序为工具，对生物柴油混合燃料的燃烧过程和柴油的燃烧过程进行 模拟计算，并对比分析二者的计算结果。 通过对比分析，得到以下结论：生物柴油混合燃料的燃烧效果和纯柴油相似，缸内 温度和压力情况相似，在功率等动力输出方面没有不利影响；混合燃料的物理化学性质 与柴油相似，因此不需对柴油机进行改造，可以直接在柴油机中使用。生物柴油的粘性 比纯柴油大，导致混合燃料的喷油雾化较差，贯穿度比较短，油气混合需要时间较长。 生物柴油是含氧燃料，含氧量大约为1 0 ，在燃烧过程中燃料中的氧参与反应，提高了 燃烧过程中氧的含堑，改善了燃烧性能，使燃烧更加充分，降低了c o 、c 0 2 等污染物 的排放。柴油机燃用生物柴油混合燃料时，n o 排放略有增加，原因是多方面的，有生 物柴油燃烧迅速，产生高温富氧的环境，使n o 的排放增加，也和生物柴油本身的性质 有关。但n o 增加的幅度不大，通过技术措施进行控制，不会影响在柴油机上的应用。 我国是石油的消费大国，每年都要进口大量的石油。如果在石化柴油中添加5 1 0 的 生物柴油，将可以节省大量的石油，且可以充分发展我国的生物柴油的产业。分析表明， 将一定比例的生物柴油添加到石化柴油中，完全可以达到性能要求，可以在实际应用中 大力推广。 关键词：柴油机；生物柴油；数值模拟计算； 生物柴油混合燃料柴油机燃烧过程数值分析 n u m e r i c a la n a l y s i so fc o m b u s t i o np r o c e s si nd i e s e le n g i n ew i t h b i o d i e s e lm i x t u r e a b s t r a c t b i o d i e s e li sat y p i c a l “g r e e ne n e r g y ”，p e r f e c tf o rs u b s t i t u t i n gp e t r o l e u md i e s e l i tc a nb e m a d ef r o mm a n y p l a n to i i s 、a n i m a lg r e a s ea n d w a s t ee d i b l eo i l s t h ec h a r a c t e r i s t i c s o fb i o d i e s e li sl o wc o n t e n to fs u l f u ra n da r o m ah y d r o c a r b o n ，h i g hc o n t e n to f o x y g e n ，h i g hc e t a n ev a l u ea n df l a s hp o i n t ，l e s sh a z a r d o u se x h a u s tg a s i th a s g r e a tm e a n i n g st ot h ee n v i r o n m e n tp r o t e c t i o na n dt h ed e v e l o p m e n to fo a rn a t i o n a l e c o n o m yw i t hl a r g es c a l ea p p l i c a t i o n t h i sp a p e rh a si n v e s t i g a t e dt h ec o m b u s t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fb 2 0u s i n gt h e n u m e r i c a is i m u l a t j o l l ，a n dt h e nd i s c u s s e dt h ep e r f o r m a n c ea n dt h ec h a r a c t e r i s t i c s o fe x h a u s t a tt h eb e g i n n i n g , i ti n t r o d u c e dt h eg e n e r a ls i t u a t i o no fb i o d i e ! ；e l , a n dt h e nd i s s e r t a t e dt h e c h a r a c t e ro fb i o d i e s e la n dd i s c u s s e dt h ei n f l u e n c eo fc h a r a c t e rt ot h ep e r f o r m a n c ea n d e x h a u s t t h e n , t h ep r o g r a mo fk i v a i sa p p l i e dt os i m u l a t et h ec o m b u s t i o np r o c e s so fb i o d i e s e l , a n dt h e nc o m p a r e dt h es i m u l a t i o nr e s u l tt ot h ed i e s e lo i l s t h em a i nc o n c l u s i o no ft h ep a p e ri st h a tt h ec h a r a c t e ro fb l e n d 由ni ss i m i l a rt od i e s e l a n dc a l lb eu s e di nd i e s e le n g i n e n cg l u t i n o s i t yo fb i o d i c s e li sb i g g e rt h a nd i e s e l a n dm a k e t h ea t o m i z a t i o nn o tw e l l b i o d i e s e ic o n t a i n sa b o u t1 0 o x y g e n , a n do x y g e no fb l e n d o n p a r t i c i p a t ei nt h ep r o c e s so fc o m b u s t i o n ，a n dr e f o r mt h ec o m b u s t i o n , a n dr e d u c et h ee x h a u s t 0 fc 0 、c 0 2 t h ce x h a u s to fn 0i si n e a s e d ，a n di ti ss e v e r a lr e a s o n s b e c a u s ei ti sc o n t a i n o x y g e na n dc a np r o d u c eh i g ht e m p e r a t u r ee n v i r o n m e n tm a k et h en oh i g h a n o t h e rr e a s o ni s t h ec h a r a c t e ri t s e l f b u tt h ei n f l u e n c ei sl i t t l e ，a n dc a nr e d u c et h ee x h a u s to fn o t h r o u g hs o m e m e t h o d s o u rc o u n t r y0 0 璐啪eal o to fo i le v e r yy e a r , i ft h ed i e s e lc 缸b ea p p e n d e ds o m e b i o d i e s e l ，a b o u t5 一l o ，t h e nc a r ls a v eal o to fo i l , a n da l s oc a nd e v e l o pt h eb i o d i e s e l i n d u s t r y ，t h ea n a l y s i ss h o w st h a tt h i sw a yi sf e a s i b l e k e yw o r d s ：d i e s e le n g i l l e ；b i o d i e s e l ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ； 一i i 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其它人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其它单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名：丞至盈作者签名：基至缝 、 导师签名：至l 旦鬟至 导师签名： 墨e 垡j 锄知1 年7 月f 日 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 柴油机代用燃料和排放控制的意义 汽车的诞生给人类社会带来了巨交，到了2 1 世纪汽车已经走进了千家万户。随着 汽车保有量的急剧增加，汽车排放污染也愈加严重。以美国为例，目前的汽车保有量已 达到2 亿辆左右，汽车排放到大气中的污染物约占大气相应污染物总量的百分比如下： c o 占9 9 ，h c 占9 5 ，n o x 占4 7 【l 】。能源的短缺和大气污染使得人们不得不考虑 汽车的节能和排放问题。 柴油机的显著优点就是油耗低。除此之外，柴油机还有扭矩大，可靠性高，使用寿 命长等优点。目前，欧美国家1 0 0 重型车、9 0 轻型车采用柴油机【1 】欧洲柴油轿车已 占轿车产量的3 2 ，法国、西班牙等国家更高达5 0 以上，于是柴油机成为人们关注的 焦点。 汽车排放污染的后果是相当严重的。汽车作为一个流动的污染源，在人口高度密集 的城市和交通发达的工矿地区，到处排放大量废气，严重威胁着职工和居民的身体健康， 造成大气污染，破坏生态环境。 举例而言l ”，汽车排放物中的n o x 化合物和h c 化合物，在太阳紫外线的作用下， 会产生“光化学烟雾”，既危害人畜健康也污染环境。1 9 5 5 年，洛杉矶就曾发生过震惊 世界的“光化学烟雾”事件。在这次事件中，该市6 5 岁以上的老人死亡约4 0 0 人，成 千上万的人出现了红眼、流泪、胸闷和呼吸困难等症状；大面积的农作物和经济作物受 到严重损失，引起美国朝野的一片恐慌。同样，日本东京在1 9 7 0 年7 月1 8 日也发生一 起“光化学烟雾”事件，受害人数高达6 0 0 0 人，类似的事件还有很多。 2 0 0 3 年，我国汽车保有量已经达到2 4 0 0 万量。近1 9 余年来，我国家用汽车保有量 增长速度较快，特别是在一些大城市和沿海开放地区，其保有量随经济的发展而迅速增 长。自1 9 8 3 年起，我国陆续制定了一整套控制汽车排放的标准体系，但真正严格执行 的城市并不多，很多车辆没有采取排污控制措施就直接上路，以致使我国现有车辆，尤 其是在用车的排放性能大多不佳。由于缺乏严格的排放控制措施，有些生产厂家的新车 排放没有达到排放指标，使我国大气环境受到了严重的污染。以北京为例，北京市的机 动车数量约占全国的1 0 ，是全国各大城市之最。据相关资料调查显示，真正威胁首都 空气质量的是机动车排放的污染，约占大气污染物总量的4 0 左右。所以说机动车的污 染是空气污染的一个重要的污染源。北京市从1 9 9 8 年7 月开始采取综合措施治理大气 污染。目前已进入第3 阶段，虽然取得明显的效果，但总体状况仍不乐观。其中汽车尾 生物柴油混合燃料柴油机燃烧过程数值分析 气排放形成的光化学污染较难解决，且处理成本较高，其中又以氮氧化物和细微颗粒物 的处理难度较大p 。j 。 任何措施都需要相应法规的支持。在欧洲，2 0 世纪7 0 年代已经开始注意到机动车 的排放问题，并制定了系列法规，备受世人关注的是2 0 世纪9 0 年代陆续出台的欧i 、 i i 、m 、排放法规。现在整个欧洲执行的是欧标准。当前美国实行的标准相当于欧 标准，美国加州实行的标准略高于这一标准。我国现行g b l 7 9 6 1 2 0 0 1 排放法规，法 规中对气态污染物排放限值规定如表1 1 所示。 表1 1 我国车用柴油机排气污染物排放限值法规1 1 1 ( 单位：e , ( k w h ) ) t a b1 1t h el i m i to f c o n t a m i n a t i o no f d i e s e li nc h i n a ( u n i t ：g ，( 1 汛h ) ) 为了满足日益严格的汽车排放法规的要求，在柴油机上对各种可能的有助于降低污 染物排放的措施进行了大量的深入细致的研究。综合起来，改善柴油机排放措施有燃料 改质、柴油机机内净化、羽 气后处理以及代用燃料等几个方面【“。目前已被研究能作为 柴油机洁净燃料的主要有醇类( 甲醇和乙醇) 、液化石油气、压缩天然气、醚类和生物 柴油等。而其中，以生物柴油的来源广泛、污染物排放低、物理化学性能与柴油相似而 受到广泛的关注。 生物柴油是指植物油( 例如菜籽油、豆油、棉籽油、棕榈油、野生植物油、桉泊、 花生油或它们油脚料等) 在催化剂的作用下，甘油三酯( 植物油) 与醇类发生化学反应 生成的酯类燃料，由于它的性能与柴油相似，因此称其为生物柴油。生物柴油包含着氧 原子，是一种含氧原料。生物柴油是一种清洁燃料，又称为绿色液体燃料。生物柴油是 目前最有前途的代用燃料之一。 与传统的“石化”柴油相比，生物柴油易于生物降解，燃烧后的有害排放减少，有 利于环境保护。另外，生物柴油是利用可再生资源，尤其是近年人们广泛利用动、植物 加工副产物，或者各种不可食用的废弃物、植物油( 例如餐饮行业回收的废油) ，为能 源多样化与能源安全开辟一条新途径。生物柴油的闪点明显高于“石化”柴油，是一种 安全燃料。生物柴油在国外已经处于商业化阶段。在欧盟和美国，政府对生物柴油的开 发和使用采取鼓励的政策，使生物柴油的研究和应用得到了快速发展。 大连理工大学硕士学位论文 1 2 生物柴油概述 将天然油脂直接用作柴油机燃料时，存在冷启动困难、过滤器易堵塞、燃烧室积碳 严重、活塞环易粘结、未饱和脂肪在贮存期间聚合使粘度提高等问题1 5 1 ，造成这些问题 的主要原因是天然油脂的粘度远高于柴油( 1 0 倍以上) 。所以，通过物理或化学的方法， 改变天然油脂的性质，是解决上述问题的途径。各国研究人员从上个世纪就开始了此方 面的研究，其中将天然油脂转化为脂肪酸单酯的方法获得了成功。 1 9 8 3 年，奎克( q u i k ) 首次将亚麻籽油的脂肪酸甲酯用于内燃机，并将可再生的油 脂原料经过酯交换反应所得到的脂肪酸单酯定义为生物柴油。因为它是一种由天然的油 或脂与醇经过化学方法加工而成的，无毒、可生物降解、可再生，能与柴油以任意比例 混合或直接在柴油机上使用，并能减少温室气体排放、降低空气污染的燃料，故又被称 作“液体太阳能燃料”和“绿色燃料”。 1 2 1 生物柴油的基本特性 生物柴油的原料油来源很广，包括大豆、油菜籽等油料作物的油，油棕、黄连木等 油料林木的油，工程微藻等油料水生植物的油，以及动物油脂、榨油厂油脚、餐饮废油 等。因其原料油的不同，其理化特性存在一定的差异，但这种差异并不太大。表1 2 给 出了生物柴油和柴油理化特性的对比。 表1 - 2 生物柴油和柴油理化特性的对比旧 t a b 1 - 2 m e a np r o p e r t i e s o f b i o d i e s e l c o m p a r e d w i t h p e t r o l e u md i e s e l 特性生物柴油柴油 冷凝点夏季产品( ) 1 0o 冬季产品( ) - 2 0- 2 0 2 0 的密度( g m 1 ) 0 8 8 0 8 3 4 0 c 动力粘度( r a m 2 s ) 4 62 4 闪点( ) 1 0 0 6 0 十六烷值 4 9 4 5 低热值( m j k g ) 3 8 8 4 0 24 2 5 “0 硫含量( w ，) o 0 l 0 2 氧含量( w ，) 1 00 l k g 燃油需要最小空气耗量( k g ) 1 2 51 4 5 水危害等级 12 三星期后的生物分解率( ) 9 87 0 生物柴油混合燃料柴油机燃烧过程数值分析 由表l - 2 的数据可以看出，生物柴油在许多方面较普通柴油更有优势，而其它指标 与普通柴油相当，具体如下： 无添加剂冷凝点大2 0 c ，故具有较好的内燃机低温起动性能； 闪点高，故不属于危险品，在运输、储存、使用方面的优点显而易见： 十六烷值高，故燃烧性好于柴油； 粘度稍高，故具有较好的润滑性能，是喷油泵、内燃机缸体和连杆的磨损率降低； 硫含量低，故二氧化硫和硫化物的排放低： 不含芳香族化合物，故能降低废气毒性，特别是致癌性； 自含氧1 0 ，故易于充分燃烧，可降低颗粒排放与一氧化碳的排放； 生物分解性高，故有利于保护水体和土壤。 因此，使用生物柴油会带来良好的环境效益和社会经济效益。 1 2 2 生物柴油的环境效益 生物柴油的使用可以降低c 0 2 排放、降低内燃机空气污染物的排放、减少对水体和 土壤的污染、增加国土绿化面积等方面，发挥其良好的环境效益。 ( 1 ) 生物柴油降低c 0 2 排放 政府间气候变化专门委员会( i p c c ) 预测，2 l 世纪全球平均气温升高的范围在1 4 5 8 c 之间，实际上升多少将主要取决于2 l 世纪人类消耗石化燃料产生的c 0 2 的量。 为此世界各环保组织共同呼吁，必须采取措旖，旨在减少c 0 2 的排放以保证全球气温与 工业革命前相比上升幅度不超过2 c 。我国目前在能源消费和c o z 排放方面居世界第二 位，仅次于美国。所以减少石化燃料的消耗以降低c o ：的排放，是世界更是中国的当务 之急。 生物柴油的使用能减少c o ：的排放，是基于生命循环分析法【7 l 对柴油和生物柴油进 行对比分析后得出的结论。生命循环分析法是通过分析燃料从生产到消耗全过程中的能 量流与排放，从而评价某种燃料的使用对能源和环境的影响的方法。 柴油的生命循环是从石油的开采和提炼开始，经过初油的生产和运输，再到初油的 精练和柴油的运输，最后到其被消耗为止。而生物柴油的生命循环是从油料作物的农业 生产、加工开始，经过植物油的运输，到生物柴油的生产和运输，最后到其被消耗为止。 生命循环分析法中相关概念的定义如下： 初始能：循环中从环境获取的能量总和，包括进料能( 能直接转化为燃油产品的原 料如石油、植物油等所包含的那部分能量) 和过程能。 石化能：循环中所有来自石化燃料的能量( 能源分为石化能和非石化能) 。 燃油产品能：最终燃油产品中包含的能量。 循环效率：燃油产品能和初始能的比值，即：燃油产品能初始能。 大连理工大学硕士学位论文 石化能效比：单位石化能产生的燃油产品能，即：燃油产品能石化能。 经过合理和必要的假设后，我们可以得到表1 - 3 的结果( 生物柴油以大豆油为原料) 。 表1 - 3 柴油与生物柴油生命循环比较川 t a b 1 - 3t b t a ll i f ec y c l eo f b i o d i e s e lc o m p a r e dw i t hp e t r o l e u md e s e l 初始能( m i )石化能( m ，)循环效率石化能效比 i 柴油( i m j ) 1 2 0 0 71 1 9 9 50 8 3 2 80 8 3 3 7 i 生物柴油( i m j ) 1 2 4 1 40 3 1 10 8 0 5 53 2 1 5 从表1 3 的数据可以看出，循环中生物柴油和柴油的循环效率相当，但生物柴油的 石化能效比大约是柴油的4 倍。而且生物柴油循环中大豆油转化是消耗石化能最多的地 方，这主要是由于大豆油转化需要用乙醇等作为原料，而我们假设乙醇的生产是要消耗 天然气等石化能的，所以若能使用可再生资源来生产乙醇，则可进一步提高石化效能比。 总之，生物柴油的使用大大降低了石化能这种有限能源的消耗。 综上，生物柴油降低c 0 2 的排放应该这样来理解：燃烧生物柴油产生的c 0 2 与其原 料生长过程中吸收的c 0 2 基本平衡，所以不会增加大气中的c o a 的含量，而燃烧石化燃 料所释放的c 0 2 需要几百万年才能在转变为石化能，故使用生物柴油能大大减少石化燃 料的消耗，相当于降低了c 0 2 的排放。美国能源部研究得出的结论是：使用b 2 0 ( 生物 柴油体积百分比为2 0 的生物柴油与普通柴油的混合柴油) 和b 1 0 0 ( 纯生物柴油) 较 之于使用柴油，从燃料生命循环的角度考虑，能分别降低c 0 2 排放的1 5 6 和7 8 4 1 7 。 ( 2 ) 生物柴油降低空气污染物的排放 空气污染物的排放包括内燃机排气管的排放和生产燃料时的排放。由于生物柴油生 产过程产生的污染物较为集中，便于处理，且污染区域可以不在城市，故在此不做考虑。 生物柴油由于本身含氧1 0 左右，十六烷值较高，且不含芳香烃和硫，所以它能够 降低c o 、h c 、微粒、s o x 和芳香烃等污染物的排放，尤其是微粒中p m l 0 ( 小于1 0 微米的颗粒) 的排放，它是导致人类呼吸系统疾病根源的污染物【8 j 之一。 1 9 9 5 年，法国生物柴油产业化初期，由法国官方实验室、运输公司，油料作物联合 会和o n i d o l 实验室做了一次长达三年的跟踪调研，共有1 2 个城市的1 3 3 辆客车、1 3 6 辆载货汽车参加了此次调研，表1 - 4 和表1 5 是调研得出的综合数据1 9 】。 从表1 4 中可以看出，只有n o x 在1 3 工况测试中略有上升，其余污染物均有不同 程度的下降。从表1 - 5 中可以看到，n 2 0 作为一种具有极强温室效应的气体是有所下降 的，而气态的芳香烃和芳香烃多聚物除苯外均大大的降低。 生物柴油混合燃料柴油机燃烧过程数值分析 表1 - 4 主要污染物的排放 t a b 1 - 4c l a s s i c a lp o l l u t a n te m i s s i o n s 1 3 工况法a o a 城市工况法 ( k w h )咖 污染物 柴油纯生物柴油柴油纯生物柴油 c o2 51 95 95 3 h c0 6o 52 21 9 n o x 1 7 91 9 6 2 1 82 0 4 微粒 0 8o 51 21 1 表1 - 5 客车城市工况下非强制限定污染物的排放 t a b 1 5u n r e g u l a t e dp o l l u t a n te m s s i o n so nb u su r b a n - c y c l e 污染物 生物柴油含量 m g ，循环或芦媚环 0 3 0 5 0 n 2 0 ( m g ) 7 86 8 7 1 醛酮类甲醛 6 6 96 7 37 3 1 ( r a g ) 乙醛 1 8 3 1 5 3 2 0 2 丙烯醛 1 0 48 5 1 5 9 丙醛 4 94 97 2 丁烯醛 1 6 2 1 2 8 芳香烃 苯1 2 11 2 81 4 2 ( r a g ) 甲苯 4 21 3 n e g 乙苯 1 3 6 2 n e g 二甲苯3 81 7 3 n e g 气态多萘3 3 1 6 5 42 5 3 3 9 8 3 8 4 聚芳香甲基萘 1 0 2 8 03 8 4 13 2 9 烃苊 1 4 3 9 3 4 9 2 4 2 ( 旭)芴 1 8 6 44 6 3 3 6 9 甲基芴 2 3 8 02 9 75 8 4 蒽和菲 4 3 0 19 0 4 8 7 3 荧葸 7 8 31 7 21 2 8 芘 8 1 61 2 1 8 0 固态多 荧蒽 1 4 41 0 51 2 4 聚芳香芘 1 3 91 0 5 1 6 2 烃 苯并荧蒽 4 23 25 9 ( z g )苯并蒽 1 91 52 9 6 一 大连理工大学硕士学位论文 = 卒垂杀 6 94 27 4 苯并荧蒽 3 1 21 5 42 6 7 苯并芘 2 3 12 0 42 9 7 二苯并葸 3 0 8 91 9 ( 3 ) 生物柴油减少对水体和土壤的污染 生物柴油从两方面减少对水体和土壤的污染。 首先，生物柴油的原料包括：餐饮业废油，如煎炸后裂变的废煎炸油，餐饮后废弃 物中的回收油；精炼动、植物油下脚料，如碱炼后皂脚，水化后水化油脚；其它行业回 收油，如制革时皮革脱脂油，木本植物油副产品如橡胶籽油，造纸行业木浆制作过程妥 尔油，经过适当处理后生活垃圾的无危害回收油。而这些废油若不进行处理，直接排向 江河则会造成水体过度肥化，引发“赤潮”等现象。所以生物柴油的生产能处理大量的 生活和工业废油，是对水体和土壤的保护。 其次，生物柴油与石化燃料相比，更容易生物降解。生物柴油和普通柴油三星期后 的生物分解率为9 8 和7 0 。所以，如果发生泄露事故，生物柴油对水体、土壤的污染 比石化燃料小得多。故生物柴油运用于农业、林业、船舶机械上的柴油机，对环境更为 有利。 ( 4 ) 生物柴油原料作物的绿化效益 发展生物柴油产业必将促进油料作物，油料林木和油料水生植物的栽种，特别是利 用我国国土中不适合粮食作物种植的荒山荒坡、沙化土地和滩涂，这样将大大增加国土 绿化面积，减少水土流失，调节环境气候，保持生态平衡。 1 2 3 生物柴油的社会经济效益 发展我国的生物柴油产业有着巨大的社会经济效益：缓解能源压力，增强国家石油 安全；调整农业结构，刺激油料林业发展；转化餐饮废油，保障人民身体健康；增加农 民收入，开辟乡镇企业财源：促进西部开发，增加更多就业机会。 ( 1 ) 缓解能源压力，增强国家石油安全 人类目前依赖生存和发展的能源基础是石化能源( 石油、天然气和煤等) ，然而它 终有枯竭的一天。根据1 9 9 3 年3 月 科学美国人杂志报道，2 0 0 5 年世界石油产量将 到达顶峰，以后开始下降，到2 0 3 0 年石油产量将降到1 9 7 0 年的水平，故全球面临能源 危机。而我国作为最大的发展中国家，1 9 9 3 年成为石油净进口国，1 9 9 5 年2 0 0 3 年的 7 年中，石油需求以每年7 的速度递增，需求增长占全世界同期石油消费增加总量的 3 0 ，去年我国石油及石油制品的进口达亿吨以上，占我国石油总消耗量的1 3 。根据 生物柴油混合燃料柴油机燃烧过程数值分析 美国油气杂志提供的数据，我国2 0 0 0 年石油剩余探明储量为3 2 7 亿吨，产量为1 6 亿吨，消耗量为2 0 6 亿吨，年，按此数据我国石油仅可稳产2 1 年，而且产需存在5 0 0 0 万吨年的缺口。如此数据表明我国面临巨大的能源压力，同时这也危及我国的战略安全。 正是由于面l f 螽能源危机，生物柴油作为一种来源稳定的可再生清洁能源，在世界各 国迅猛发展起来。欧盟各国、美国、日本、加拿大，澳大利亚、巴西、印度等国都在积 极发展生物柴油产业。而能源消费量巨大的我国更应大力发展这一新兴产业。 我国的“十五”计划发展纲要提出发展各种石油替代品，并将发展生物液体燃料确 定为国家产业发展方向，而且生物柴油产业在我国刚刚诞生，就得到了国务院领导和国 家计委、国家经贸委、科技部等政府部门的支持，并已列入有关国家计划。近年来，我 国海南正和生物能源公司、四川古杉油脂化工公司和福建卓越新能源发展公司等三家民 营企业相继开发出拥有自主知识产权的生产技术，并建成年产超过一万吨的生产厂。 有关专家指出，我国目前可以利用的餐饮废油、榨油厂油脚、库存过期大豆和林木 油果等价格合理的原料，可以支持3 0 0 万吨年左右的产业规模，若在将来能建立更多稳 定的原料来源，产业规模将会不断扩大。相信生物柴油必将成为我国能源的一个有益补 充，缓解我国能源压力，增强我国石油安全。 ( 2 ) 调整农业结构，刺激油料林业发展 我国粮食生产能力过剩，而将粮食转化成生物能源的效率和效益较低，故出现有 些地方种田不赚钱，地荒芜现象。所以完全可以通过调整农业结构，将这些地方发展 成为生物柴油的原料基地。 另外，发展生物柴油必将带动油料林业的发展。中国地域辽阔，油料林木资源丰富。 但现有的资源没有得到充分开发利用。我国南方几千年来一直种油桐、油茶，产量很高， 但由于原有的市场大幅萎缩，现在衰落了，北方的黄连木也是这样。国家目前大力推进 退耕还林，建立长江天然屏障，实施天然林保护工程，江苏省目前也在积极开展十一五 沿海滩涂开发工程，所以完全可以结合这些工程种植物油料林木，既为生物柴油产业发 展提供原料，又保护生态环境，有利于可持续发展。 总之，发展油料植物生产生物柴油，可以走出一条农林产品向工业品转化的富农强 农之路，为解决“三农问题”发挥其积极作用。 ( 3 ) 转化餐饮废油，保障人民身体健康 我国每年消耗植物油1 2 0 0 万吨，直接产生下脚酸化油2 5 0 万吨，大中城市餐饮业 产生地沟油达5 0 0 万吨。许多不法商人从下水道和泔水中提取垃圾油并当作食用油销售， 这种垃圾油极不卫生，过氧化值、酸价、水分严重超标，属非食用油，一旦食用，将会 破坏白血球和消化道黏膜，引起食物中毒，甚至致癌。北京、天津、乌鲁木齐、呼和浩 一8 一 大连理工大学硕士学位论文 特、沈阳、南宁等城市都先后发生过垃圾油进入餐桌的事件。据保守估计，北京目前垃 圾油量已超过5 万吨年，如果流入市场进入餐桌将对人民的身体健康造成严重危害。 签于此，我国不少大中城市已积极开展工作，研究利用垃圾油生产生物柴油的技术。 据悉，北京市科委可持续发展科技促进中心与石油大学合作，已经立项开始了利用垃圾 油制取生物柴油的研究工作。中科院武汉油料所于2 0 0 3 年3 月也启动了废弃食用油脂 资源化利用技术的研究工作，并力争在短期内实现生物柴油的产业化。另据福建省经贸 委报导，福建省已开发出利用垃圾油生产生物柴油的技术，现已生产生物柴油5 0 0 0 多 吨，福州、厦门两城市的地沟油已经得到有效利用。 ( 4 ) 增加农民收入，开辟乡镇企业财源 生物柴油产业的发展将必然刺激油料作物和油料林木的种植，这无疑会给农民增 加收入同时，提高副产品的利用率也会给农民带来可观的收入，如榨油时产生的油渣， 棉花种植产生的棉籽，制糖业产生的蔗渣，稻谷加工产生的米糠，修剪茶树被剪掉的茶 籽，等等。据统计我国仅每年秋天修剪掉的茶籽就达4 5 0 多万吨，茶籽含油量3 2 3 7 ， 故每年茶籽油就有1 5 0 万吨的产量。而这些原料以往只能产生很小的经济效益。 同时由于植物原料能量密度低，收集和运输成本高，生产厂规模不可能很大，回收 分散的餐饮废油问题也很多，因此，乡镇民营企业机制灵活，很适合从事这项产业，他 们可以在原料产地从农民手中收集原料，就地建立可大可小的榨油厂，再将原料油送往 生物柴油加工厂，这样可以降低运输原料的成本。所以生物柴油产业将为乡镇企业开辟 广阔的财源。 ( 5 ) 促进西部开发，增加更多就业机会 我国目前有近1 0 亿亩待造林面积，很大部分集中在西部地区，如果其中5 用来种 植油料林木，平均每亩出油1 0 0 公斤，2 0 1 0 年我国生物柴油产业规模可望达到1 0 0 0 万 吨，按目前柴油价格2 5 0 0 元吨3 4 0 0 元吨，将形成3 0 0 多亿元的产业，而这些大量 分布在西部地区的生物柴油工厂，必将促进西部地区经济的发展，也带给西部地区更多 的就业机会。 1 3 本文研究内容 生物柴油是一种含氧燃料，可以以任意比例与柴油掺烧，并且不需要对发动机的供 油系统和燃烧系统进行改造，将会产生较大的经济效益和社会效益。本文主要进行以下 几个方面的工作： 介绍了生物柴油物理化学性质及这些性质对应用的影响。 利用k i v a 程序对生物柴油混合燃料的燃烧过程进行数值模拟计算，得到生物柴油混 合燃料在柴油机燃烧室中的分布微观数据，以及组分的分布场等数据。 生物柴油混合燃料柴油机燃烧过程数值分析 将计算结果进行处理，用二维图形的形式进行输出，给人以直观的感受，以方便对 计算结果分析讨论。 通过对计算结果的讨论，分析生物柴油混合燃料在柴油机燃烧室内的燃烧过程及组 分的生成情况，讨论了生物柴油的性质对污染物生成的影响。 一l o 大连理工大学硕士学位论文 2 生物柴油性质 2 1 生物柴油的物理化学性质 生物柴油的物理化学性质对它在柴油机上的应用有着重要的影响。生物柴油的密 度、粘度、表面张力、硫含量、十六烷值、热值、馏程、比热、相平衡等物理化学性质 会影响燃料的喷射，雾化，传热。着火和燃烧等过程，并对发动机的冷起动性、功率和 排放产生重要的影响同时，生物柴油的腐蚀性变化可能导致传统发动机油箱、油路等 供油系统零件的腐蚀及渗漏。表2 1 是一些油及其单酯的燃料特性参数。 表2 1 油及酯的燃料特性州 t a b2 。1f u e lc h a r a c t e r i s t i co fs o m eo i la n de s t e r 碘值 十六烷值粘度 云点 凝点闪点 c n ( m 2 s )( 。c )( 。c )( 。c ) 棉籽油9 0 - 1 1 94 1 83 3 5 ( 3 8 。c )1 71 5 02 3 4 亚麻籽油1 6 8 - 2 0 4 3 4 6 2 7 2 ( 3 8 。c ) 1 7 - 1 5 0z 4 l 棕榈油3 5 - 6 14 2 0 油 花生油8 0 - 1 0 64 1 83 9 6 ( 3 8 。c )1 2 86 72 7 1 菜籽油9 4 - 1 2 03 7 63 7 0 ( 3 8 9c )一3 93 1 72 4 6 或 红花油1 2 6 - 1 5 24 1 33 1 3 ( 3 8 。c )1 8 36 72 6 0 芝麻油 1 0 4 1 2 04 0 23 5 5 ( 3 8 。c )- 3 99 4 2 6 0 脂 大豆油 1 1 7 - 1 4 33 7 9 3 2 6 ( 3 8 。c )一3 9- 1 2 22 5 4 葵花籽油 1 1 0 - 1 4 33 7 13 7 1 ( 3 8 。c )7 2- 1 5 0 2 7 4 2 # 柴油 4 7 2 7 ( 3 8 。c )- 1 5 0- 3 3 05 2 棉籽油5 1 26 8 ( 2 1 。c )- 41 1 0 田 菜籽油 5 4 46 7 ( 4 0 c )- - 2- - 98 4 酯 红花油4 9 8- 61 8 0 大豆油 4 6 2 4 0 8 ( 4 0 。c ) 2 - 11 7 l 葵花籽油4 6 64 2 2 ( 4 0 。c )o- 4 乙酯大豆油 4 8 2 4 4 1 ( 4 0 。c ) 1 - 41 7 4 异丙醣大豆油5 2 6- 9- 1 2 n 一丁酯大豆油 5 1 75 2 4 ( 4 0 。c )3- 7 1 8 5 一1 1 生物柴油混合燃料柴油机燃烧过程数值分析 2 1 1 十六烷值 燃油的自燃性用十六烷值来表示。十六烷值高的柴油，其自燃温度低，滞燃期短， 容易冷起动且具有低怠速噪音，但过高的十六烷值的柴油在燃烧过程中容易裂解，造成 排气过程中的碳烟增加，因此，常限制柴油的十六烷值在6 5 以下。 生物柴油的十六烷值高于2 号柴油，这意味着如果使用纯生物柴油或者使用生物柴 油与柴油的混合燃料，十六烷值增加，这样会使燃料更易于自燃，降低h c 和c o 排放。 生物柴油的十六烷值取决于植物油和脂肪原料的种类。月旨肪酸由附在羟基上的碳原 子长链组成。脂肪和油类包含不同长度的碳链，典型范围从c 1 0 c 1 8 “”。一些碳链包含 0 ，1 ，2 个碳原子间双键，十六烷值随着碳链长度的增加、双键数量的减少而增加，而 且随着羟基团的不同位置而变化。当双键和羟基向链中心移动，十六烷值减少。当生物 柴油中的脂肪酸中碳原子数增加，十六烷值从4 7 9 增加到7 5 6 。当脂肪酸的碳原子数 超过1 2 ，十六烷值超过6 0 。对于大豆甲基酯，据研究表明“”，十六烷值范围从4 5 8 到 5 6 9 ，平均值为5 1 3 。生物柴油与柴油混合燃料的十六烷值近似相当于两种燃油十六烷 值的加权平均值。 2 1 2 氧化稳定性 氧化稳定性( 抗氧化性) 是柴油和生物柴油生产的一个主要问题。美国发动机制造 协会( e m a ) 1 9 9 5 年的报道“”说生物柴油相对于2 号柴油更容易氧化。过氧化值是度量 燃油氧化稳定性的其中一个参数。燃油的抗氧化稳定性与酯的碳链饱和程度相关。一般 来说，饱和碳链的过氧化值比较低。油酸甲酯( c 1 8 ：1 ) 只有一个双键，过氧化值较低， 相对于那些含有多不饱和双键的酯抗氧化性要好。生物柴油在使用贮存过程中不可避免 地会与空气中的氧接触，在一定条件下，油品和氧彼此会起反应生成一些新的氧化产物， 生物柴油氧化产物会影响燃油存储寿命并且会形成存储罐、燃油系统、滤清器沉积物。 2 1 3 闪点 闪点是可燃液体的挥发性气体遇明火一闪即灭的最高温度。2 号柴油的闪点在5 4 7 1 。c 之间。生物柴油闪点高于9 3 。c 。考虑到运输、存储和使用时的安全问题，生物 柴油比柴油安全。 e m a “”明确表示生物柴油氧化不稳定性可能导致燃油储存后闪点降低。双键数量和 位置被认为是影响生物柴油不稳定性的关键。大豆油包含自然抗氧化剂，已证实大量抗 氧化剂可以明显降低储存时的氧化。这方面的研究还在继续。 大连理工大学硕士学位论文 2 1 4 密度 密度是燃油最重要的参数之一，燃油的大部分物理化学性质与密度之间都存在某种 内在关系，燃油密度越大，燃油里的碳原子数目越多，意味着输出功率越大，同时产生 碳烟的可能性也增加。2 号柴油密度为8 5 0 k g m s 。据研究表明，对于来自不同原料的生 物柴油，其密度在8 6 0k g m 到9 0 0k g m 3 之间。生物柴油的密度比柴油要高一些，因此 将生物柴油和柴油混合后，混合燃料的密度也要高一些。 2 1 5 热值 由于生物柴油中含有大约10 9 6 的氧元素，因此它的热值要比2 号柴油低6 3 8 5 ， 如果使用生物柴油不影响柴油机的热效率，其燃油经济性应该低大约1 0 。然而，燃烧 效率和燃油经济性，生物柴油只比柴油低2 9 6 3 ，其原因是由于氧元素的存在，对生物 柴油的燃烧起到一定的促进作用。表2 2 是几种生物柴油燃料的组成及热值。 a i s i g i g u r “3 1 等人对生物柴油和柴油进行了对照性试验研究，发现在不同发动机转速 下，生物柴油的热效率比柴油的热效率高5 8 ，两种燃料的发动机功率没有差异。 表2 2 几种燃料的组成及热值 t a b2 2c o m p o n e n ta n dh e a tv a l u eo fs o m ef u e l a + j 燃料类型化学分子式质量分数( 高热值低热值计算热值 cho ( k i k g )( k i k g )( k j k g ) 石化柴油 8 6 o1 3 o1 o4 5 3 4 34 2 5 0 0 4 2 5 8 8 大豆油c 船h 【以如 7 7 21 1 _ 71 1 o3 9 6 2 33 7 2 1 83 7 1 8 6 豆油甲酯c s 3 i i 川瓯7 6 41 2 11 1 53 9 7 6 03 7 2 7 33 7 2 4 3 棉籽油c 5 羽i 0 6 7 6 91 1 91 1 23 9 6 4 83 7 2 1 03 7 2 3 0 棉籽油甲酯 c m hj 0 l 吼7 6 7 1 2 01 1 4 4 0 5 8 03 8 1 2 83 7 1 9 8 2 1 6 低温流动性 凝点，是蜡状晶体结构形成的最高温度。蜡状结晶会导致燃油滤清器阻塞。倾点， 是燃油呈凝胶状的温度，在这个温度燃油不能被泵吸出。倾点总是低于凝点。凝点和倾 点是界定燃油低温流动性的指标。 n b b “”对生物柴油的低温流动性进行了研究。大豆甲基酯的凝点，比2 号柴油高3 0 。c ，倾点高1 0 4c 。生物柴油结构特性对凝点的影响在于未饱和程度、碳链长度、分支 程度。饱和脂肪酸链( 牛脂、氢化大豆油、棕榈油) 的凝点和倾点相对较高。牛脂甲基 酯凝点为- 1 0 。c ，倾点为- 1 6 。c 。菜籽油乙基酯凝点- 1 5 。c ，倾点一1 8 。c 。将生物柴油 生物柴油混合燃料柴油机燃烧过程数值分析 以一定的比例与石化柴油混合后，生物柴油被石化柴油稀释，有效改善其低温流动性能， 解决其在寒冷地区冬季使用问题。 2 。1 。7 粘性和表面张力 生物柴油含有c 1 6 一c 1 8 长