（农业生物环境与能源工程专业论文）柴油机节能燃料的开发研究.pdf

摘要 甲醇是一种有前途的、经济的、环保型的生物质燃料。使用柴油甲醇水三元乳化燃料， 可以不改变发动机的结构，宜接利用社会上，特别是农村现有的大量的柴油机，减少设备投资 费用；而且可以使用r 业甲醇，降低使用成本，同时降低了人气污染，有利于社会推广。 本文开发并合成，一种高效乳化剂，该乳化剂特别适台于柴油甲醇一水三元乳化液的乳 化，乳化剂用革少，仅为02 ，但形成的乳液能稳定很长的时间。 对用超卢乳化法和机械搅拌法制备乳化液的1 二艺作了深入的研究，细致地探讨_ ：r 影响乳化 液质量的因素，摸索出各乳化工艺参数的影响规律，并且对两种乳化方法作出了比较，得出了 它们各自的适用范围。对于制备d 8 0 1 2 0 柴油一甲醇一水三元乳化液( 甲醇中含水1 5 ) ，当f h r l 乳化剂含量为o 2 时，用超声乳化法，乳化液可稳定2 8 天；用机械搅拌法，乳化液可稳定 4 8 大左右。 在涡流室式柴油机上进行了燃用柴油甲醇一水三元乳化液的试验研究，得出了各种柴油甲 醇一水三元乳化燃料的使用效果，并探讨了供油角、甲醇中的含水量对发动机性能的影响。如果 对供油提前角进行适当的调摧，柴油机燃用含有1 0 一2 0 甲醇的乳化液时，其性能得到改善， 折合燃油消耗率降低5 8 ，发动机的排气温度和烟度均下降。 关键词：甲醇、柴油、乳化燃料、燃烧 a b s t r a c t m e t h a n o li sp r 0 1 n i s i n ga n de n 。m i c a la n dc l e a n i n gb i 。m a s s 。f u e l w i t ht h eu t i l l z a t i o n0 fo i l _ m e t 醯n o l 。w 嚣 e e 。m p 。s 汝蠡王e | s ，o o n s 拉u e t i o n so fd i 鹳。le n g i n e sw h l c ha f ee x ；s 蛀聪g 熟。班e 。u n t 事， e s 口e c i 采 v nl h ec 鲫n t 玛瞄d 。，n e e dn o t 协b em 。d 灞e ds o 出a tt h 。i n v o 或m e n to fe q u i p m e me a nb o r e d u c e d ，a n dc o a r s em e t h a n 。1c o n t a i n i n gi m p u r i l i e sc a nb eu t i h z e dt oc u id o w n t 量1 0c o s 弧 i n t h j sp a p e r ，ae 币c i e n te m u j s j f y j n gi sd e v e i o p e d ，w h j c hp a n i c u l a r l ys u i t a b l 。f b rp r o d u c t i o no f d i e s e lo i l m e i h a n o i w a c e rc o m p o s i t em e i s t h eq u a n t j t yo ft h ee m u l s i f y i n ga g e n tn e e d e di sf a j r l y s m 翻l e r io n l yo ，2 ，b u te m u l s i o n sp d u c e dc a nb ek e 球s t a b l eal o n gt m e 髓et e c h 张o l o g y 。fe 越u l s i 每喀幽。n 趣艇w 鑫y 。f 毽l 溉鳓鞋i ew 鑫v e 强dm e 。h 黼i e 毪ls t 靖i sw i 如l y i n v e 盘i 窖甜e d f a c t o r sh a v i 】唱，n 叠u 8 n c eo ns t 曲疆i t yo fe m u s i o n sp r o d u c e d nt w 。w a y s 拓e a f e m l l y e x p l o r e d ，a n dt h el a wo f p a r a r n e l e r so f e m u l s i n c a t o nt e c h n o l o g yw h i c ha f 兜c tt h 。s t a b i l i t yo f e m u l s i o n s i so b t a i n e d t h et w ow a y sa r ec o m p a f e d ，t l e i rs c o p eo fa p p l i c a t j o ni sc l e a r d 8 0 h 2 0d i e s e lo i i m e l h a n o l 。、v a t e rc o m p o s i t ef u e l s ( w i t h0 2 。ft h ee m u l s i f y i n ga g e n t 洫e m u l s j 舟e df u e la n d1 5 o f 、v 番e f 弧m e 幽a 鞋0 1 ) e a nb ek e p t 啦a b l e 赫r2 s 畦掣sb yu s i 醒e 瓣u l s i 每一c a t i o n 讯谯ew a yo fu 琏r 墨s o n c w “e ，蕊d4 8d a y s 谤璐 毽e 戳u s i 移* 哪 o 拄趣幽ew 掣联m 。c h 躺i e 曩s t e s t s 批i v ob e e nc a 嘶e do nas w i r l c h 锄b e fd i e s e ie n g i n ef u e i e dw i t hd i e s e o i l m e t h a l l o j w a t e r c o m p o s i t em e l s t h ee f 免c t so fu s i n gd i f 诧r e n td j e s e lo i i m e t h a n o l w a t e rc o m p o s i t en l e l s a r es h o w n a n 刚e so fj n j e c t i o na n dp r o p o r t i o no fw a t e ri nm e t h a n 0 1w h i c hh a v ei n n u e n c eo nt h ee f 诧c to fu s j n g d f e s e lo i l m e t h a n o l w a t e rc o m p o s i t of u o l sa r ei h v e s t i g 融e d w h e nm ed i e s e le n 西n ef u e l e dw i t h e m 毽i s 臻稚矗l 嚣l sc o n t a i n i n g 翔e 氇黼o l 蠹o ml o 秘p 材o e 芤tw i 氇氇e 确謇e s l 醇鲑。硅a 鸯u s 宅e 垂，啦e p 。r f 。r m a n c e so fi c a nb ei m p r o v e d ，t h e m l a e 蕴c i e n c yi sf a i s e df 南m5 童o8p e r 。e n t ，t e m p e 撼辩辖o f e x h a u 毗a n ds m o k ea r ed e s c e n d e d k e yw o r d s ：m e t h a n o l ，肼e s e 】，e m u l s i 门e df u e l ，c o m b u s t i o n 第一章绪论 1 1 能源概述 人类在地球上生存，能源的供给起着决定性的作用。我们所说的基本能源就是来自不同来源 的地球环境内的人类可以利用的能源。这些能源由f 面四类组成： 1 ) 引力能( 来自地球一月球一太阳系的引力变化) ； 2 ) 核能( 天然的或人工裂变、聚变) ： 3 ) 地热能( 来自地球内部) ； 4 ) 太阳辐射能。 表1 1 【1 1 列举了进入地球环境的各种能源及其在总量中占的比例。 表1 1 进入地球环境的能源及其比例 输入形式数量( 1 0 1 2 瓦)占总量的百分比 引力潮汐流 3 o0 0 0 2 核反应 执 0 0 5 矿物燃料热能、化学制品 58 00 0 5 地热熔岩热喷泉、热岩 3 500 2 0 太阳辐射热能 8 1 0 0 06 6 6 9 2 风、洋流、海浪3 7 00 3 0 5 水文学循环 4 0 0 0 03 2 9 3 4 光合作用 4 00 0 3 3 如今，人们正在考虑更一泛地开发所有表1 1 中所列的能源供人类使用。 石油从古至今都主要是以燃料的方式被人类所利用。然而，石油大量用于能源的历史并不长。 石油作为世界主要能源是从2 0 世纪6 0 年代开始的。中东战争之后，国际能源市场价格猛涨，石 油度供不应求，引起了世界性的能源危机。近年来，由于石油消耗量的剧增，石油产量的增长 速度落后于石油需求量的增长。同时，石油的储采比( 储量与产量之比) 在下降，1 9 6 0 年为3 9 4 ， 1 9 7 0 年为3 7 ，1 9 8 2 年为3 4 。所以，世界已探明的石油储量可供开采的年限不会太长了。同时由 于近几年石油产量和储采比都在下降，廉价石油的时代已经结束，石油的价格终将会逐年上涨。 从长远的观点来看，石油在能源中的主导地位将会被其它能源所取代。 但是，由于石油地质勘探技术和采油新工艺的发展，可被利用的常规石油和非常规石油资源 的数量都将会增加。只要人们重视并积极开发包括非常规石油在内的石油资源，到2 l 世纪初， 石油仍将是世界的主要能源。 然而石油资源在地球内的蕴藏量毕竟是有限的，开采一吨少一吨，石油不可能永远占据世界 能源产量和消费量的首位，终将会被其它能源所取代。所以，为延缓石油枯竭时间，保护环境， 我们应该积极寻找代用燃料”1 。 1 2 国内外对生物质燃料的研究 121 生物质能的研究 生物体盥接或间接吸收太阳能并不断进行转化，成为维持生命活动的能源，就是生物质能。 生物质储存着丰富的能量，部分生物质的能量如表1 - 2 所示。 袭1 2 千克有机物质的投热量 4 露辩种类发热僮( k 硼建) |薪桨 i 6 ”6 l s 8 2 8 秸秆 1 4 6 4 4 1 6 7 3 6 淀粉1 7 4 8 9 蛋白质1 6 7 3 6 猪粪 1 6 7 3 6 城市垃圾7 1 1 3 1 0 4 6 0 生锈鹱辘源静主要茯点是：a ) 继萎丰塞；b ) 可葛生；e ) 污染少。主婺姣点是：一般植物 熬懂诋，誉弱童缓 车为燃耨，簧缝遭翻工照瑷或进行戆澈转换才能拳l 瑙。粥魏，只要因遣裁宣避 采取措施，利用人类现有的科学技术，选择台理的技术方案，采用先进的生产工艺，发展新的能 量转换方法，注意提高生物系缆的能景利用率和经济性，就能够使生物质资源得到有效利用f 4 】。 目前生物质利用的主要技术谢；厌氧发酵技术、热解气化与液化技术、生物质成型及炭化技 术。 ) 淡氯发酵技术，即我们俗称静“沼气工程”。 我謦潮气释蕊已经鼹分数爨蔡孛，秀痘锺舞工盈基曩瘸予发毫，气耗率在0 + 6 0 、7 氆( k w h ) 。 国外一姥国家在缓检测和系统菇动役控制方面承早较高。近年来一些发达黼家在以秸秆为原 料的厌氧发酵工艺及设备方面以缝有了较大的突破，并建立了规模化装置，产气率达o 2 2 o m 3 ( m 3 d ) 吼 2 ) 热解气化、液化技术 国外以补充能源和改善环境为露的，大规模开发利用了生物质能气化技术。随着国际上对生 物蜃髭爨弼技术的提裹，生物壤气纯技术研究工终在受多灏基象牙震，瑞典、荚黉、意大剥、德 国等在这个领域孛占领先遣位。夔凝煤气工艺学会( g ) 正在夏藏夷建一个勰繇气话系统；热 拿大己投放市场若干种型号的生物质气化炉产品，班销束、木片、纸浆、鬃壳及其它农作物加1 i f 脚料为原料，制取可燃气，驱勘内燃机发电，可降低s o 的发电成本。荷兰、德国、意大利、 瑞士也在开展生物质气化炉研究和利用工程，产品己达到商业推广阶段。1 9 9 3 年统计，全世界生 物质气化热发电厂己由3 4 3 座，其中1 1 0 座是发电厂”j 。 3 ) 生物康成型及炭化技术 我嚣耋耍彗i 享露等本霞素鞍簿瓣羹耪凄蔻蒙游，莞袋蓬焉炭手乏，生产麓蒺京】0 0 敬踊，影式 驭挤压为主，主要瘸子生活。晷辩先避勰莺家已经开膜了潮、液、气都索敬的籀滠裂解及设备， 主要用于锅炉和发电，应用价值商例。 综合以上，用生物质资源生产燃料，是可行的、经济的、无污染的。 1 2 2 生物质燃料的应用 i ，浯气燃辩 沼气不是一种单纯的气体，而是一种混台气体。其中主要成分是甲烷( c 珂。) ，占总气体钵 积的5 0 7 0 ，其次是二氧化碳( c ( ) 2 ) ，占3 0 4 0 。除此之外，还含有少鬣的氮、氨、氧、氨、 一氧化碳和硫纯氢等气体。甲烷、氮秘一氧化碳是可以燃烧盼气体， 刚f 】主要鼹 4 瘸这一部分气 2 体的燃烧来获得能量。 沼气技酵是一个微生物学的过群。作物秸秆、人畜粪便以及各种有机物在厌氧条件下，通过 微生物的佧用，即所谓沼气发酵，最后转化为沼气。这个过程很复杂。 沼气懋一聘资源丰蛮丽价蔗的自源。它不仅可作为生活能源，丽且还可猷俸为生产能源。这 不经可以节省太薹= 螽法，露黠瞧开发了一转瑟戆费力麓滚。健瘸气薄熬辩鹣煤气撬、渡纯石涵气 祝和燃弼天然气豹发动机，浚燃沼气时不用述抒改装。但是汽油视燃箱沼气时，在汽油机纯漓器 前加一个滔气一空气混合器即可；农用柴油机燃用沼气时要做较大的改造f 4 j 。 沼气燃料的另一缺点在于产：气量受气候环境的影响较大，在北方只有4 5 个月的应用期。对 于一个沼气池，它的产气量不能随需求的改变而改变。 2 乙醇燃糕 乙醇 g 日；d 彦) 是一种无怨、透鞠、赘有酪a 芳香静滚# ，沸点7 8 ，毙蚕0 ，7 9 ，燃 烧低热值为2 6 9 0 0 k j k g 。 酒糟是各种酒的主要成分。蜒几百年来，随着人类文明的进展，酒精已不再单纯是饮料的成 分，而成为医药、化学等t 业的熬露原料，酒精需要量迅速增加。这就使得原柬从水果、粮食作 物制取酒精的方法，满足不了需戮。于是，从3 0 年代开始，就发展起用石油化工基本原料之一 的乙爝含找灏蘸靛工艺。i 拿毯笼以亲，这个j ：艺得到了迅速貔发展。 毽麓，7 0 年代疆磊，渣况发生了蓊的遂转。石涵怒辘静密琵，遥使天嚣j 不得不把滔赣熬生 产，重新作番思考，即不但生产的蘑点要从石油回到农林作物，而且还得考虑用酒精来代替燃 油作燃料，以作为一项新的能源。 植物光台作用所生成的碳水化合物，最主要的形式有三种，即蔗糖、淀糟、纤维素。这三种 东西都可以转变为乙醇。 匕黪生产鲍主要方法是发黪法。在厌气条件_ f - ，酵母分解已糖产生乙醇黪过疆称为嚣精发酵。 它是不舍鬣有撬秘转诧豹一静蓬嚣形式”。 酒精发酵的总方程式为： c 6 h 1 2 0 8 2 c h o c o o h + 4 h 2 c 娃# 0 c 0 0 h 曼整崎扼鞋j c h o 七2 c 0 | 2 c 鞭3 c 醒o + 4 疆争2 e 辩3 c h 2 ( ) 曩 q 1 2 哦寸2 c e ( w 2 0 j ，+ 2 c d 2 我国酒精生产以发酵法为主，大多数工厂是采用薯千为原料，而“东、广龋、福建、四川、 台湾等省雾楚以甘蔗糖蜜发酵生产酒耩，华乾、东北地迸则鞋甜菜糖蜜发酵生产灏精较多。我国 合藏溪糖篱丈蔑模生产是戬己璐为攮辩，蓑餍直接法会鼗潘精。我餮糖蜜淫耱笈簿早己实琨了连 续化，淀粉质原料连续发酵法生产m 酒精的j 。艺也酲趋完落。 国外髑精j 二业的生产方法，靓括发酵法和化学合成法。由于各国资源不问，酒精工业的生产 也各有特点。目前国外酒精发酵生产的淀粉出酒率虽商可达5 6 3 左右。 目前世界上用来生产酒精的主要的农林原料再生赞源有甘蔗、甜菜、甜随粱、术薯、甜土 豆，以及甘麓、玉米等，它们熟灏糖产量利于表卜。 表卜3 几种主要农林原料的酒精产量 原料酒精产量( 升吨)原料产量( 吨公顷)酒精产量( 升公顷年) 甘蔗 7 05 0 o 3 5 0 0 甜高粱 8 63 5 o3 0 1 0 木薯 1 8 01 202 1 6 0 甜土豆 1 2 51 5 0 1 8 7 5 玉米 3 7 0 6 02 2 2 0 术材 1 6 02 0 o 3 2 0 0 糖蜜 2 8 0 一 一 乙醇作为内燃机的燃料早在3 0 年代就已开始研究和使用。1 9 3 1 年巴西就将5 的乙醇与9 5 的汽油混合用于汽油机上。第一次世界大战后有一段时期，法国用5 0 的乙醇与5 0 汽油混合规 定作为政府车辆的燃料。4 0 年代我国在国民党统治区有不少的全烧酒精的发动机。第二次世界大 战后，由于中东石油的大量开采，汽油、柴油价格便宜，使用方便，便完全取代了包括乙醇在内 的内燃机的一切代用燃料。1 9 7 3 年中东战争带来石油危机后，石油价格上涨，世界性能源短缺， 使世界各国纷纷寻找代用燃料，因而内燃机燃用酒精被再次提出”。1 9 7 9 年美国通过减免联邦税 的手段推广使用汽油中加1 0 的乙醇，收到了很好的效果。至今，这种被称为g a s o h 0 1 的醇汽油 ( e l o ) 已普遍在全美国使用，特别是在其中西部的2 8 个州，已经建立起广泛的醇汽油的供应网 点。巴西是全世界最早f 决心在汽油中掺入乙醇的国家。巴西规定，在汽油中掺入2 0 的乙醇， 这比美国的e 1 0 汽油中乙醇增加了一倍。 我国许多大专院校、研究单位及各使用部门也都在试验研究及实际使用乙醇燃料。 用粮食和甜高粱秆发酵生产乙醇的技术有一定的潜力，特别是后者有较光明的前景，但是， 在目前条件下是很难推广应用粮食制酒精作为动力燃料的。例如，如果美国的所有汽车用油中都 加入1 0 的乙醇，则按其当前的消耗水平来推算，生产这些乙醇需要消耗美国当年粮食产量的1 3 以上。据报道，美国每年大约生产世界玉米产量的5 0 、豆类和大麦的3 0 以及小麦的2 0 。所 以，象美国这样的国家都难以应用粮食制乙醇来作为动力燃料，更何况我们这样的相对缺粮国， 就更不可能采用i lj 。 我国木材水解厂采用的是传统工艺，生产一吨酒精需要消耗8 4 立方米的木屑和术片，耗电 6 0 0 千瓦日_ j ，蒸汽4 0 吨，水5 0 0 吨，生产耗能大，成本高，不经济n 由于目前乙醇的产量少而 价格高，实际生产中真正作为代用燃料在内燃机中使用的还不多。 3 甲醇燃料 甲醇( c ，( ) h ) 也叫木醇或木精，最早从木捌的干馏产品中发现。它是一种无色透明的有 刺激性气味的液体，比重o 8 ，沸点6 46 ，自燃温度4 6 7 ，辛烷值1 0 6 ，燃烧低热值2 0 1 0 0 k j k g ， 比乙醇约少2 2 ，仅为汽油的一半左右。 州生物质合成甲醇的生产t 艺为：将生物质在气化炉中气化，将所制取的木煤气经净化装置 4 除去木焦油等有机物后，以o7 m p a 的压力压缩，用碳酸钾和单乙醇胺除去二氧化碳。然后用冷 却装置将甲烷和其它碳氢化合物及氮除掉。所剩一氧化碳和氢的组成比例不适台于合成甲醇，还 需要用28 m p a 的压力压缩，是一氧化碳和水蒸气反应生成氢，得到一氧化碳和氢之比为l ：2 的 混合气。除去反应中产生的氧化碳后，将一氧化碳和氢混合气导入合成反应器，在1 7 5 m p a 的 压力和3 3 0 下，通过一定的催化剂合成为甲醇，得率可达9 5 。化学反应式为”： c o + 2 h ，= c h 。o h 甲醇作为一种新的代用燃料，i = f = 界各国都在进行深入研究。甲醇用作民用燃料的最大优点是 干净，燃烧时不再产生硫和氮的氧化物等有害气体，可以减少臭氧排放量；它在柴油机中使用时， 排气中的氮氧化合物较低，微粒也极少”。 1 9 7 5 年瑞典首先提出甲醇可以成为汽车代用燃料，并随即成立国家级的瑞典甲醇开发公司 ( s m a b ) 积极从事车用发动机燃用甲醇的研究工作。第二年，由瑞典发起并主持召开了第一届 醇类燃料利1 e 】技术的国际会议。当时的联邦德固、美国、巴西等1 4 个国家积极参加了会议。从 此，研究、开发醇类燃料在内燃机上的燃用成了国际性的科研项目，每隔l 2 年就召开一次醇 类利用技术国际会议，而且为此成立了国际委员会的常设机构。 1 9 7 9 年，日本政府发表了国家新的能源政策，逐年减少对进口石油的依赖程度，同时成立了 日本国内相应的醇类利用技术委员会，统一领导全日本的醇类燃料的研究、开发工作“”。美国 联邦政府能源部在j 9 7 8 年委托b a 电e r 公司对日处理6 0 0 0 0 t 煤的超大型台成甲醇工厂做设计论 证和价格估算，次年该公司完成了这“工作。 前德意志联邦共和国研究和技术部在1 9 7 9 年就制定了“用于公路交通运输的醇类燃料”的 研究规划，提出了用m 1 5 汽油( 即在汽油中掺入1 5 的甲醇，另8 5 是汽油) ，作为基本不改动的 现有汽油机汽车的部分代用燃料。与此同时，大众汽车公司等加紧研制了使用纯甲醇的汽车，并 取得很大成功。从1 9 7 9 年秋天起，由国家组织6 家汽车厂生产的1 0 0 0 多辆燃醇汽车( m 1 5 汽油) 投入试运行，而且在全国一系列大中城市建立m 1 5 汽油加油站，形成全国供应醇汽油的网络。 我国从8 0 年代初期开始，在国家科委和中国科学院的领导和组织下，工程热物理研究所、 华中理t 大学、吉林_ 厂业大学、天津大学、山东工业大学和大连理工大学等相继对醇类在内燃机 中部分代用和全部代用，进行了深入的研究，取得了很大的成果”。1 ”。应该说，从学术研究水 平看，我国与国外同类研究水平相比，并不逊色多少。差距在于还只停留在学术研究阶段，没有 达到实际应用水平。 甲醇米源丰富，可从煤、木材、天然气和石油伴生气中制得，而煤和木材的资源比石油要广 泛得多。甲醇还可以从许多化工和制药工业的副产品中获得，尽管这种甲醇含有杂质，但作为内 燃机燃料，并不要求使用纯甲醇，它正好物尽其用，并且降低使用成本。摄重要的是，甲醇燃料 可以做到再生，可以从速生树木、木材边料、树枝、木屑、植物秸杆，甚至城市可燃垃圾等物质 中提炼和台成。 把热解气化产生的气体合成为液体燃料甲醇。用这种方法生产一吨甲醇约消耗木材或农业废 弃物2 3 吨，能量转换效率约2 5 ，甲醇成本为1 7 1 9 美分升“1 。所以，甲醇燃料是一种经济 的燃料。 综合以e 分析，可知，甲醇燃剿是一种有前途的、清洁的环保型f 用燃料。特别是在农用设 备上使1 e | j ，有广阔的前景。 ，3圈痰处禁洼一甲醇一水嚣纯燃籍豹磷瓷现状 2 0 世魁7 0 年代以来，瑞典、 j 本、美国、巴西、加拿大、德国、印度等围先后开始了醇类 燃料的研究。我国自8 0 年代以来也相继对醇类燃料在内燃机中部分代用或全部代用石油系燃料 进行了深入研究。其中乳化燃料技术的研究已经取得相当成果，l 化燃料的应用也得到了发展。 对于紫，礁搬，善逮磅究匏是柴演一举薛、柴漓一乙醇帮禁濑一东三静| i 伲燃辩。 所请紫漓一串醇乳托技术是攒絷涵霸甲薄( 蕊一定鬣静巍纯裁) 逶过巍佬装援使其形戒巍纯 油，通过喷油器喷入汽缸。乳化油分为稳定乳化油和不稳定乳化油。不稳定乳化油是指采用随机 乳化方式，即把一个小型乳化器连接在原有的燃汕管道上，实现边乳化边燃烧。柴油机一般多使 用稳定乳化浊，其优点是：乳化油在机外采用乳化设备配制( 可以在加油站进行) ，发动机结构 不嚣要作缓大瓣变动，可以直接零i 臻亳圭会上璎有酶大量的浆油撬来燃瘸柴油一泽簿9 0 他赉，减少 投资费蠲。燃瘸孚l 位= 盎其有擞瀑效应，可虢改善喷雾、燃浇，疆高熬浇速率，藏少涵耗静舞 藏羁 染1 8 2 1 口 采用乳化法在柴油机上掺烧甲醇的关键问题是如何获得满足实用要求的乳状液，其制备方法 要简单，稳定时间要长。 灵簿筑城装覆雨不羼嚣忧藏辩隧襁襞诧法在柴溜枕土掺烧擎醇，尽蔚已经酸德了一些可喜的 研究戚莱“。1 。瞧燕采矮这秘方法鞠鍪鼢巍袄滚稳定嚣幸翔缀短，仅为数移，分矮运痊疆抉，有 时从乳化器出来的乳状渡来到达喷油嘴就已经出现破乳观象，反而亏油。特别是尚发动机处于小 负荷或息遮运转时，从乳化器出来的乳状液到达喷油嘴所需的时间更氏，破乳现撩更严重，很难 满足实用耍求。 对于稳定巍亿油，刹取时在其中藤入徐格昂贵匏孚i 优刹，它髓在连续穗 紫溜) 积分鼓檩( 甲 醇或隶) 瓣器藩上形藏赛瑟蒺，获j 褥使巍纯 鑫达弱稳定。这转襞纯涵稳定露润蠲对较长，短鬟镶 存不会分屠，但成本较高。因此，能丽研制价廉高效的乳化荆一直是柴油机燃用乳化燃料的关键。 由于配制乳化液可以在加油站进行，它不需要对发动机进行改造或增加辅助装鬣，可以赢接利用 社会上现有| ；i 奇大量的柴油机米燃尉紫油一甲醇乳化燃料，减少投资费用，有利于在社会上推广使 蝎。因此，阂蠹外学者对配制乳化燃料的乳化裁嚣浮l 化技术进行了广泛的研究。 禁酒一举酥瑰纯燃辩对手簿的禽东率要求疆严，只麓餐趣缝学醇，导致嚣诧熬精躲藏本较褰。 另外，由于审醇的吸湿作用，将健g k 化油很快分屡，稳定梭燕，在空气潮湿酶辩方应用会带来缀 大麻烦，一般是靠加入大量的乳化剂米解决。自9 0 年代以来，藤田尚毅、桅镩修一、盛世承” 和傅茂林“4 ”镣国内外学者对柴油甲醇一水三元乳化燃料谶行了研究，并取得了卓宵成效的成果。 柴油一甲醇一水三元乳化燃料的优点怒：( 1 ) 乳化燃料中的水溶于甲醇后，在0 以下不会冻结； ( 2 ) 解决了i = ；f 醇的吸湿问题，可以谈崩耀甲醇：( 3 ) 乳化剂的用最少，约为o + 2 一o 5 ：( 4 ) 成本低于柴油甲醇乳化燃料，而节能效果高_ 丁柴油一水乳化燃料。因此，对柴油甲醇一水三元乳 化燃料的研究具有重要意义。 1 4 课题的研究内容 l 、分析柴油甲醇一水三兀乳化燃料的节油、降污原理。 2 、研制一种适合于柴油、甲醇和水三元乳化的高分子乳化荆，用该乳化剂配制乳液时，乳化剂 用量要少，以降低使用成本；乳液稳定时问长，以延长乳液存放时间。 3 、研究乳化液的制取_ t 艺。 研究用机械搅拌法制取乳液小样，检验乳化剂的性能，并研究乳化剂含量，柴油、甲醇及水 的比例对乳液品质和稳定时间的影响，得到最佳的乳化剂含量和最佳的柴油、甲醇及水的比倒。 在连续乳化装置上探讨批量制取乳液的1 二艺，为以后的实际应用，特别是为在加油站的应用提供 依据。 4 、考察柴油机燃用柴油甲酵一水三元乳化燃料的适应性。 在试验台架上考察柴油机燃用柴油一甲醇一水三元乳化燃料的油耗率、烟度和排气温度等性能 指标；考察供油提前角对发动机性能的影响，得到各种乳液的撮佳的供油提前角。 倾士学位论文第二章柴油- 甲醇水三，c 乳化燃料的节能与降污机理 第二章柴油一甲醇一水三元乳化燃料的节能与降污机理 2 1 柴油一甲醇一水三元乳化燃料的节能性 柴油一甲醇一水三元乳化燃料的燃烧更完全和完善，从而提高了燃烧效率和热效率，降低了油 耗量。下面加以详细分析： 1 、提高了混合气的均匀化程度和空气利用率： 由丁甲醇( 水) 的导热率比柴油高，而沸点比柴油低，这使油包水型乳化液中的内相甲醇( 水) 受热快，达到沸点和蒸发早，从而由甲醇蒸汽和水蒸汽造成的压力突破油包水的膜壳，形成微爆 效应。微爆效应使乳化油获得了第次雾化、扩散、均化，使燃料的雾滴更细，分布更均匀，空 气利用率提高，从而使燃烧更完全、完善，减少了排气带走的热量，从而降低了油耗率。 2 、促使更多的c 和c d 转化为c 0 2 柴油一甲醇一水三元乳化燃料中含水，水在燃烧中能分别与c 和c 0 直接反应生成c 0 2 ；同时 甲醇是含氧燃料，在燃烧过程中有自供氧效应。这些都减少了c 0 的生成量和排放量，促进了完 全燃烧，节省了燃料。 3 、降低了燃烧的峰值温度和局部高温 甲醇( 水) 的低热值比柴油低，汽化潜热又远大于柴油，所以乳化液燃烧后峰值温度下降。 同时，由于微爆效应，局部高温区和碳粒高温等均受到抑制，减少了碳颗粒的形成和排出，这就 提高了碳热值的利用率，减少了碳的高温辐射传热，降低了油耗率。 4 、增加了等容燃烧，减少后燃，降低排气温度 甲醇的火焰传播速度快，汽缸内压力上升快，接近等容燃烧i 由于微爆效应，使燃烧的等容 度进一步增加，可以在距离上止点相对比较近时刻完成燃烧，减小了后燃部分的比例，排气温度 r 降。这一切都使热效率提高，油耗率f 降。 5 、吸收了余热和废热，增加了乳化液的焓值 甲醇和水要吸热蒸发，从燃烧室周围的零件吸收热量，增加了乳化液自身的焓值和做功本领， 提高了热效率，降低了油耗。 6 、减少了摩擦功和自耗功 柴油一甲醇一水三元乳化燃料燃烧后，与燃烧过程有关的零件温度降低，膨胀度减少，从而使 摩擦功、自耗功减少，热效率提高，油耗率下降。 7 、适当加大供油提前角，可以减少油耗。 由于甲醇( 水) 比柴油的粘度大、热值低、流阻大、潜热高，所以应当适当提高乳化液的供 油提前角，从而使燃烧过程更完全和完善，热效率提高，油耗率下降。 8 、含水率与节能性的关系 对一定的发动机和一定的工况，燃用柴油一甲醇一水二元乳化燃料，存在一个撮佳的含水率。 在这个最佳的含水率时，可以获得最好的节油效果。 22 柴油一甲醇一水三元乳化燃料的降污性 1 、j o ，排放的降低 硕士学位论史 第二章柴油一甲醇水三元乳化燃料的节能与降污机理 d ，是燃烧过程中氮的各种氧化物的总称。d 。生成的三要素为：高温、富氧以及氮与氧 在高温下滞留的时问长。因此，要降低d ，的生成，只要控制其一至三个要素即可。 柴油甲醇一水王元乳化燃料燃烧后，甲醇和水要吸热使自身气化、微爆效应、二次雾化过程 以及能减少燃烧辐射热等都使汽缸内温度_ f 降并均匀，从而抑制了| v 0 ，的生成和排出。 柴油甲醇一水二元乳化燃料燃烧后，过热蒸汽充满了燃烧室，列空气进行了稀释，从而避免 了局部富氧，所以也抑制了d 。的生成和排出。 甲醇是含氧燃料，在燃烧过程中有白供氧效应。这就使燃烧较为均匀，使局部富氧的几率减 少，燃烧趋于完善，所以也抑制了( ) 。的生成和摊出。 2 、c 0 排放的降低 柴油一甲醇一水三元乳化燃料中含水，水在燃烧中能直接与c 和c 0 反应生成c d ，同时，甲 醇也是含氧燃料，在燃烧过程中有自供氧效应。这些都减少了c d 的生成量和排放量。但是另一 方面，由于甲醇、水的介入，是汽缸内温度下降，混合气变稀，又抑制了c d 转变为c 0 ，。所以 应注意掺烧比例。 3 、月c 排量的变化 排气中的月c 生成的主要原冈有：混合气过浓域过稀、温度过低以及反应时间过短等。柴油 机在高速、大负荷_ _ 】二作时，虽然汽缸内温度过低的情况少，但混合气过浓的情况较多，同时，由 于转速高，每循环用于燃烧的时间缩短。这些都促使用排量增加。在低速、低负荷工作时。喷 油较少，过量空气多，温度过冷、混合气过稀等情况较多，这又使爿c 排量增加。 甲醇是含氧燃料，在燃烧过程中有自供氧效应。其燃烧较为均匀，局部富氧和局部缺氧的几 率减少，燃烧趋于完善，使日c 的生成量和排放量较低。 4 、划度的降低 烟度是碳烟和颗粒及其它排气烟色的总称。它们都是阻光物，又都含有或附有许多有毒成分。 碳烟和颗粒的生成基本条件为：高温、高压、缺氧裂解并脱氢、反应时间短等。 柴油一甲醇一水互元乳化燃料燃烧后，乳化燃料的“微爆”效应改善了混合气的形成和燃烧过 程，燃烧的完全度和完善度提高；缸内温度降低，局部高温和炽热点被消除；甲醇是含氧燃料， 增加了缸内空燃比，使得在燃烧过程中所形成的碳烟粒子与氧有更多的碰撞机会，从而使柴油机 排出的微粒显著减少；甲醇含碳量比柴油少，减少了碳粒的生成。所有这些，都能降低烟度“。 9 硕士学位论文第三章f h r 1 乳化剂的研制 第三章f h r 一1 乳化剂的研制 柴油机使用乳化燃料的关键问题之一是能否研制出高效价廉的乳化剂，以求获得乳化剂的用量少、 稳定时间长( 能满足使用要求) 的乳化液。目前，柴油一甲醇乳化液和柴油一甲醇一水三元乳化液所使用的 乳化剂基本上是传统的乳化剂。将这些传统的乳化剂通过适当的复配( 形成复合乳化剂) ，可制得长期稳 定的甲醇柴油乳化液。但是乳化剂的用量太大，以至于没有实际意义。为了提高柴油一甲醇一水三元乳化 燃料的品质，减少乳化剂的用量，降低乳化油的成本，有利于推广位用，真正达到节省柴油和俐氐污染 的目的，尚需要研制适合于柴油一甲醇一水三元乳化燃料的乳化剂。 3 1f h r 一1 孚l 化齐0 的韦0 取 现有的乳化剂的分子量都比谢氐，其乳化效果火多不理想。高分子乳化剂，由于其分子量较大，能 够在柴油甲醇界面上发生吸附而形成较为牢固的界面膜，因此具有较好的乳化效果。n h 乳化剂是一 种高分子乳化剂，它是由自制的高分子共聚物c p 与传统的乳化剂s p a l l 8 5 按1 ：l 的比例复配而成。 3 1 1 共聚物g p 的配方和反应装置 根据资料 2 2 、 2 7 ，共聚物c p 的配方如下： 聚乙二醇1 5 4 0 ：5 5 9 1 2 一羟基硬脂酸：1 3 0 9 钛酸丁脂：0 5 9 二甲苯：3 5 9 主要原料为聚乙二醇和1 2 _ 羟基硬脂酸，钛酸丁脂用作催化剂，二甲苯用于与在脂化反应过程中生 成的水共沸。 合成共聚物c p 的装置如图3 1 所示，它由以下装置组成： ( 1 ) 反应器：采用2 5 0 毫升的烧瓶： ( 2 ) 加热器：3 0 0 瓦圆锅型加热电炉； ( 3 ) 调速电动机：2 5 瓦： ( 4 ) 搅拌器：搅拌直径为3 5 毫米； ( 5 ) 冷凝器：用于将与水共沸的二甲苯蒸汽冷却，再回到反应器中； ( 6 ) 温控器：5 0 0 w 、2 2 0 v 的电压调压器，用于调节加热器的工作电压，从而控制反应物的温度 ( 7 ) 温度计：用于观察反应物的温度。 312 共聚物c p 的合成工艺过程 共聚物c p 的反应过程基本上为：在氦气的保护下进行脂化反应，尉丑温度控制在2 2 0 5 ，搅拌 器在低速下旋转。当反应进行到冷凝器上看不到有水珠凝结时，停i e 冷凝器的冷却，然后继续反应2 0 分钟，目p 认为合成完毕。这样得到的共聚物c p 冷却后呈胶体状态，颜色呈棕红色。 1 0 硕士学位论文 第三章f h r 一1 乳化剂的研制 图3 1 共聚物c p 的合成装置 卜加热器2 搅拌器3 反应器4 一调速电动机5 一冷凝器6 温控器 f i 孚lc h 锄i c a lr 嘲c 廿0 ne q u i p m 钮tf o r h i g hp o b 硼e rc p _ h 翱虹2 b c a l 盯3 懈衄4 一t - m m g e i e c 帅f n 0 1 0 r5 c o n d c l l s a 妇6 - 岫邱e 蹦i j r e c o n d l l e r f h r l 乳化剂的合成过程：将得到的共聚物c p 加热至液态，然后与s p a n 8 5 按l ：1 掺混，搅拌均匀， 即得至0f h r 一1 乳化齐9 。 3 2 用f h r 一1 乳化剂配制的乳化液 3 2 1 乳化液的配制 柴油一甲醇乳化液和柴油一甲醇一水三元乳化液的制备步骤如f ( 用机械搅拌法制各) ： 1 ) 将混合均匀的f h r l 乳化齐肋口热到7 0 ，使呈液态： 2 ) 取少量( 是乳化剂的5 倍体积即可) 柴油加热到7 0 ，然后将乳化剂溶于这少量柴油中，搅 拌均匀后倒入大量的柴油中； 3 ) 将一定量的水掺入甲醇中，搅拌均匀； 4 ) 在低速搅拌下，将含水甲醇慢慢加入柴油中，再高速搅拌2 分钟，即得到所制备的乳化液。 在上述步骤中，取少量的柴油和将f h r l 乳化剂都加热到7 0 是必须而不可少的。f 积一1 乳化剂在 6 0 时比较粘稠，不利于溶于柴油：在7 0 变得很稀，有利于溶于柴油。在配制过程中发现：如果不将 柴油加热，m i l 乳化剂遇到冷柴油会被冷却而不溶于柴油。 3 2 2 配制的乳化液类型检验 乳化液的类型用稀释法来检验。 稀释法：乳化液能为其外相液体所稀释。所以凡是和乳化液混合的那种液体，其性质与乳化液外相 液体相同，就能被稀释。用f h r 一1 乳化剂配制的柴油一甲醇乳化液和柴油一甲醇一水三元乳化液均能被柴油 顾士学位论文第三章f i i r l 乳化剂的研制 稀释，而和甲醇不相溶，所以用f 躲一l 乳化剂配制的乳化液为油包水型( w o 型) 。 3 23 乳化液的物化性质 我们用思氏粘度计测量了o 号柴油、甲醇、各种柴油一甲醇乳化液( d 表示柴油，m 表示甲醇，字母 后面的数字表示其体积百分比) 和柴油一甲醇f _ 水三元乳化液( d 表示柴油，h 表示甲醇和水的混合物，字 母后面的数字表示其体积茸分比) 的恩氏粘度，并计算出每种燃料的低热值列于表3 1 。 表3 1 甲醇柴油乳化液的物化| 生质 t a b l e 3 1t h em a i nc l l a r a c t e r i 鲥凸o f d 洒e lf l l e m e t l l a n o ie m u k 渝e df u d 甲醇柴油d 9 0 m 1 0嘴m 也od 7 0 m 3 0d 9 0 h 1 0鹏o h 2 0d 7 0 h 3 0 粘度( o e )o9 11 3 0 1 3 41 3 614 7l3 914 3l 5 5 低热值( k j k g ) 1 9 8 9 64 3 4 1 24 1 0 印3 8 7 0 93 6 3 5 74 0 7 6 23 8 1 1 23 5 4 6 2 注：柴油甲醇水复台乳化液中含水1 5 ，各种乳化液中均含0 3 的f h r l 乳化剂 从表3 1 可以看出，各种乳化液的粘度都高于柴油及甲醇的粘度，而且随甲醇含量的增大，乳化液 的粘度增大。用含水甲醇配制的乳化液的粘度比用纯甲醇配制的乳化液的粘度要犬。这可能是由于：( 1 ) 水分子和甲醇分子之问以氢键互相缔合使内相( 分散相) 的粘度增加，致使乳化液的粘度增加；( 2 ) 甲 醇分子和水分子互相缔合后，亲水眭加强，有利于形成更稳定的界面膜，乳化液的稳定性也增加，这也 使乳化液的粘度增大。 3 3f h r 一1 乳化剂的乳化效率与结构分析 3 3 1f h 即1 乳化剂的乳化效率 在烧杯内用机械搅拌的方法配制了乳化剂含量不同、甲醇含量不同的两元和三元乳化液。每个试样 乳化液的量均为2 0 0 l i l l ，搅拌转速为1 4 0 0 3 0r m i n ，搅拌时间为1 5 分钟。含水甲醇的含水量为1 5 。 各个乳化液的稳定时间列于表3 2 。 表3 _ 2 各乳化液的稳定时间 1 妯l e 3 - 2t h es t a b l e 妇i e0 f s o m ee m 溅i n e df u 出 乳化剂含量 d 9 0 m 1 0d 8 删2 0d 7 0 m 3 0呻删1 0d 8 0 h 加d 7 0 h 3 0 o2 3 8 5 0 天3 5 4 8 天卜1 5 天 o3 2 53 3 天25 0 天 1 7 - 2 7 天1 0 0 天未分层1 0 0 天未分层1 7 3 0 天 05 7 9 天6 7 天h 5 天 从表3 _ 2 看出，用f 职一1 乳化剂乳化无水甲醇柴油，当乳化剂的含量为o3 时，d 9 0 m 1 0 和明0 m 2 0 能稳定( 以分离率3 为标准) 6 0 8 0 小时，如果乳化荆的含量为0 5 时，d 9 0 m 1 0 和鹏0 m 2 0 能稳定 1 5 0 小时以上，说明该乳化剂具有较好的性能。更为突出的是，用f 职一1 乳化剂来制备柴油一甲醇一水三 元乳化液，其效率非常高。以甲醇中含有1 5 的水为例，当乳化剂的含量为o 2 时，d 9 0 1 1 0 和d 8 叫2 0 三元乳化液能稳定3 5 4 8 天，d 7 0 h 3 0 三元乳化液能稳定8 1 5 天；当乳化剂的含量为o 3 时，d 9 0 h 1 0 和d 8 0 h 2 0 三元乳化液在试管中放了1 0 0 天还未分层，颜色也未有变化。文献 3 8 介绍：“甲醇柴油乳化 液( c k a 乳化剂的用量为0 2 o 3 ，含水l o ) 的稳定期，实验室测定为3 0 4 0 分钟”，所以f 瑕一1 硕士学位论文 第三章f h r - 1 乳化剂的训制 乳化剂是一种高效乳化剂，它特别适合于用来制备柴油一甲醇一水三元乳化液。 3 3 2f h 肛1 乳化剂的结构分析 r 瓜一1 乳化剂是由共聚物c p 和传统乳化剂s p 8 5 复配而成的。共聚物c p 是种高分子乳化剂，具 有( a 咖0 ) 一b 的结构形式，其中a 来自油溶性的复杂的一元羧酸一聚( 1 羟基硬脂酸) ，b 来自水济性 的聚乙二醇。a 的分子量至少为5 0 0 以上，b 的分子量为1 3 0 0 1 7 0 0 ，所以共聚物c p 是一种具有分子量 为数千的高分子乳化剂。聚乙二醇的分子量很宽般为6 0 0 4 0 0 0 ，我们选聚乙二醇1 5 4 0 有两个原 因，是使合成的共聚物c p 具有合当的亲水亲油平衡比别，二是合成的共聚物口如果含有! p 量聚乙二 醇( 分子量在1 5 0 0 左右) ，则乳化甲醇的效果更好”。所以用聚乙二醇1 5 4 0 合成共聚物c p ，既能使共 聚物c p 有恰当的亲水亲油平衡比例，又能使合成的共聚物c p 中有少量聚乙二醇1 5 4 0 。 高分子乳化剂，由于其分子量太大的原因，其降低甲醇柴油界面张力的能力并不突出，主要是其在 界面上发生吸附形成较为牢固的界面膜。c p 中含的“杂质”( 如聚乙二醇1 5 4 0 、二甲苯、钛酸丁脂等) ， 一方面会使c p 降低界面张力的能力大大增加；另一方面会使c p 发生更激