（机械设计及理论专业论文）普通柴油机燃用乳化型生物柴油的实验研究.pdf

摘要 能源问题是影响一个国家政治、经济和可持续发展的重要因素。2 0 世纪7 0 年代， 中东战争引发了全球性能源危机，人们深刻认识到石油、煤、天然气等化石能源的有限 性。近几年迅速崛起的汽车业，成了谋杀原油的头号杀手。据统计，2 0 0 3 年我国原油消 费量2 5 2 亿吨，全年原油进口量9 1 1 2 6 3 万吨，其中，车用燃油消耗达到7 0 0 0 万吨， 约占2 0 0 3 年石油消费量的3 0 左右，而今后汽车消耗原油量的比例将升至5 0 ，中国 的轿车普及率还只是美国的一个零头，可以看到随着汽车数量的增加，耗油量将大幅度 增加。 随着汽车保有量的不断增加，汽车排放对生态环境、人类健康和经济发展所造成的 严重影响，已经受到各国政府和人民的普遍关注。据美国的研究报导，大气中的污染物 约5 0 来自汽车排放，2 0 世纪以来汽车尾气排放的大量二氧化碳、二氧化硫和氯氟烃 等污染物破坏了生态环境，由于二氧化碳、二氧化硫排放造成的“温室效应”导致气候 变暖、酸雨巨增。汽车尾气中含有的污染物已经严重地污染了城市的空气。 本文的主要研究内容就是在这种背景下提出的，以乳化型生物柴油为发动机代用燃 料，会很好解决能源和污染这两大难题。本文全面、系统地查阅和收集了国内外有关发 动机代用燃料及其在发动机上应用技术的文献资料，并进行了细致的分析和探讨。在借 鉴其它发动机代用燃料应用于发动机的基础上，借助各种实验仪器和设备，完成了乳化 型生物柴油的物理特性实验研究，掌握了不同比例乳化型生物柴油的物理特性。获得最 佳的乳化型生物柴油油品试样后，将其应用于经过简单改装后的普通柴油机，做柴油机 的负荷特性试验、排放特性试验、烟度特性实验以及在空载怠速下发动机特性实验，并 且与柴油机燃用普通柴油的试验结果进行对比，分析两种试验结果的不同并分析原因。 本文在完成以上试验与分析外，将会对试验中存在的问题和不足进行总结，明确今 后的改进方向，为以后同类的设计与试验提供科学的依据和参考，为今后乳化型生物柴 油的应用推广奠定坚实的基础。 关键词发动机代用燃料；乳化型生物柴油；特性研究；台架试验 a b s t r a c t t h ep r o b l e mo fe n e r g yi st h em a i nf a c t o rw h i c hc a l la f f e c tp o l i t i c s ，e c o n o m ya n d s u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n to fac o u n t r y i n1 9 7 0 s ，t h ew a ro fm i d d l e - e a s tb r o u g h tu sg l o b a l e n e r g yc r i s i s , w h i c hm a d ep e o p l er e a l i z et h a tp e t r o l e u m ，c o a la n dn a t u r a lg a sa r el i m i t e d i n r e c e n t y e a r s ，t h eb o o mo fa u t o m o b i l ei n d u s t r yc o n s u m e dm u c hp e t r o l e u m ，a c c o r d i n gt o s t a t i s t i c s ，t h et o t a lc o n s u m p t i o no fp e t r o l e u mi so 2 5 2b i l l i o nt o n si n2 0 0 3 ，i m p o r t e dp e t r o l e u m 9 1 1 2 6 3 m i l l i o nt o n s ，o fw h i c hu s e df o ra u t o m o b i l ei s7 0m i l l i o nt o n s ，a b o u t3 0 o ft h et o t a l p e t r o l e u mc o n s u m p t i o n , t h i sp e r c e n t a g ew i l lb e5 0 i nt h ef u t u r e , t h e r ea r el e s sc a r si nc h m a t h a ni na m e r i c a , t h ec o n s u m p t i o no fp e t r o l e u mw i l li n c r e a s er a p i d l yi nt h ef u t u r ew i t ht h e i n c r e a s i n gm o u n t o fc a r s t h es e r i o u sp r o b l e mt h a te x h a u s t e dg a sf r o mc 掷e f f e c t e dn a t u r ee n v i r o n m e n t , h u m a n h e a l t ha n de c o n o m i cd e v e l o p m e n th a sb e e np a i da t t e n t i o nt ob ya l lt h ep e o p l ea n dg o v e r n m e n t s a o v e rt h ew o r l dw i t ht h ei n c r e a s i n ga m o u n t so fe a r s a c c o r d i n gt oa m e r i c a nr e s e a r c ha n d k c p o i 5 0 o ft h ep o l l u t a n t si nt h ea i rc o m e sh o me x h a u s t e dg a sf r o mc a t s ，s i n c e1 9 0 0 s ，al o t o fc a r b o nd i o x i d e ，s u l f i d ed i o x i d ep o l l u t e dt h ee n v i r o n m e n t , c a r b o nd i o x i d ea n ds u l f i d ed i o x i d e c a u s e dt h e g r e e nh o u s e ，w h i c hl e dt o g l o b a lw a r m i n g a n d a c i dr a i n ，t h ep o l l u t a n t si nt h e e x h a u s t e dg a sf r o mc a r sp o l l u t e dt h ea i ro fo u rc i t i e ss e r i o u s l y t h i sm a i nr e s e a r c h i n gc o n t e n to ft h i sp a p e ri sp r o p o s e di n t h i sb a c k g r o u n d , u s i n gb i o - o i l a ss u b s t i t u t ef u e lf o rc a 砖c a ns o l v et h e s et w op r o b l e m s t h i sp a p e rc o l l e c t e dm u c hd o m e s t i c a n da b r o a di n f o r m a t i o ng e n e r a l l ya n ds y s t e m a t i c a l l yo nh o wt ou s es u b s t i t u t ef u e lo nt h e e n g i n e ，f i n a l l ya n a l y z e dt h ei n f o r m a t i o nc a r e f u l l y t h i sp a p e ru n d e rt h eg r o u n do fr e f e r r i n g h o wt ou s ei n s t i t u t ef u e lo no t h e rk i n d so fe n g i n e ，u n d e rt h es u p p o r to fm ys u p e r v i s o r , b y u s i n ga l lk i n d so fe x p e r i m e n t a ld e v i c e s w ef i n i s h e dp h y s i c a la n dc h e m i c a lc h a r a c t e r i s t i c so f e m u l s i f i c a t i o nb i o - d i e s e la n dk n e wt h ep h y s i c a la n dc h e m i c a lc h a r a c t e r i s t i c so fd i f f e r e n t p e r c e n t a g eo fe m u l s i f i c a t i o nb i o - d i e s e l a f t e rg e t t i n gt h eb e s ts a m p l eo fe m u l s i f i c a t i o nd i e s e l , w eu s e di to nt h ed i e s e le n g i n ew h i c hw a sc h a n g e dat i t t l e ，t h e nw ed i ds o m ee x p e r i m e n t s a b o u tl o a dc h a r a c t e r i s t i c st e s t ，d i s c h a r g e sc h a r a c t e r i s t i c st e s t ，s m o k ec h a r a c t e r i s t i c st e s ta n d u n l o a di d l i n gc h a r a c t e r i s t i c st e s to ft h ee n g i n e ，f i n a l l yw ec o m p a r e dt h er e s u l to ft h e e x p e r i m e n tt ot h ee x p e r i m e n tw h i c ho n l yd i e s e lw a s u s e do ne n g i n e ，a n da n a l y z e dd i f f e r e n c e s o ft h e s et w or e s u l t sa n df o u n dt h er e a s o n s e x c e p tf o rf i n i s h i n ge x p e r i m e n t sa n da n a l y s e sa b o v e ，w ew i l ls u m m a r i z et h ep r o b l e m s a n dd i s a d v a n t a g eo ft h i se x p e r i m e n t ，a n dk n o wt h en e x ti m p r o v e m e n td i r e c t i o nc l e a r l y , p r o v i d e s c i e n t i f i cr e f e r e n c e sf o rt h el a t t e rs i m i l a rd e s i g na n de x p e r i m e n t ，l a yt h es o l i df o u n d a t i o nf o r t h en e x ta p p l i c a t i o np r o m o t i o n k e y w o r d se n g i n es u b s t i t u t ef u e l ；e m u l s i f i c a t i o nb i o - d i e s e l ；c h a r a c t e r i s t i c sr e s e a r c h ： e n g i n ee x p e r i m e n t 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得壅j 垦盎些盘堂或其他教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡 献均己在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学雠文储躲愉签字吼彤月所 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盔韭签些盘鲎有关保留、使用学位论文的规 定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查 阅和借阅。本人授权壅韭盎些盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有 关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论 文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：舀磊季孤 签字嗍2 - 汐羼月殇 | 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名! 量；窖 期：垆觚 电话： 邮编： 1 绪论 1 1 课题研究背景及其意义 能源是人类社会进步最为重要的基础，是社会经济发展的基本动力之一。我国目前 面临着石油能源严重不足、生物质能源巨大浪费和汽车排放污染严重三大严峻形势，因 此，研究与开发内燃发动机代用燃料及其应用技术具有广阔的前景。乳化型生物柴油技 术若推广应用，将可以使每年数亿吨的废弃生物质经济、方便地转化成具有良好市场前 景的乳化型生物柴油商品，即可“变废为宝”，实现巨大的直接经济效益，又可有效地 消除废弃生物质带来的环境问题，可在相当程度上弥补国家石油能源不足、提高国家石 油保障能力，并且能够大大降低汽车排放物的污染，具有重大经济意义、社会现实意义 和环保生态意义l ”。 1 1 1 我国严峻的石油资源形势 我国人均石油资源十分贫乏，仅为世界平均水平的1 1 0 左右闭。然而，随着国家经 济建设的迅速发展，我国石油需求增长非常快，现已成为世界第二大石油消费国【3 1 。 2 0 0 5 年我国石油进口已接近1 4 亿吨，预计到2 0 1 5 年石油缺口将达到2 0 亿多吨，如图 1 - 1 所示m 。 图1 - 1 中国白油缺口 目前，我国的石油储备只有1 8 天，而安全的经济建设最低要求为1 5 2 个月。据 统计，2 0 0 3 年我国原油消费量2 5 2 亿吨，全年原油进口量9 1 1 2 6 3 万吨，其中，车用燃 油消耗达到7 0 0 0 万吨，约占2 0 0 3 年石油消费量的3 0 左右，而今后汽车消耗原油量的 比例将升至5 0 1 6 j ，中国的轿车普及率还只是美国的一个零头，可以看到随着汽车数量 的增加耗油量将大幅度增加。由此可见，能否立刻采取有效措施确保国家石油安全，已 成为我国当前经济建设亟待解决的重大问题，寻求可替代石油的乳化型生物柴油制取及 东北林业大学硕士学位论文 其在车辆上的应用技术，已成为当务之急。 1 1 2 我国浪费惊人的农林生物质资源 我国拥有丰富的生物质能资源，理论生物质能资源约为5 0 亿吨。目前可供利用开 发的资源主要为生物质废弃物，包括农作物秸秆、薪柴、禽畜粪便、工业有机废弃物和 城市固体有机垃圾等1 7 j 。 我国每年都有相当于数亿吨标准煤的各种农业秸杆、壳皮、林业树皮、锯末、枝丫 等废弃生物质由于没有先进、高效和能进入市场的利用技术而被白白废弃，这是一个被 浪费的巨大的资源。这些得不到及时处理的废弃物，既造成环境污染和恶化，又增加火 灾隐患，若对其焚烧处理，不但加剧大气污染，甚至影响航空、交通安全。 1 1 3 造成严重影响的车辆污染物排放 随着世界范围内车辆保有量的不断增加，车辆排放对生态环境、人类健康和经济发 展所造成的严重影响，已经受到世界各国政府和人民的普遍关注。根据美国的研究报 导，大气中的污染物约5 0 来自汽车排放。最新研究表明汽车的排放物质大1 4 0 种之 多，如碳氢化合物( h c ) 、一氧化碳( c o ) 、二氧化碳( c o ：) 、氮氧化合物( n o ，) 、 醚、甲醚( h c h o ) 等，其中有些是易挥发的有机物。这些易挥发的有机物与氮氧化合 物发生光化学反应形成地面臭氧层，对人体和动植物造成危害。柴油机排放微粒中的多 环芳香烃( p a l - i s ) ，许多时致癌物质，直接威胁人的生命，所以车辆排放问题也就成为 人们不能回避的问题。这个问题解决的好，可以获得巨大的经济效益和社会效益，如果 解决的不好，则要付出昂贵的代价i s ! 。 ：1 1 4 世界上车辆日益严格的排放标准 ： 随着汽车保有量的不断增加，车辆污染问题日益严重，世界各国也逐渐制定了越来 越严格的车辆排放标准。6 0 年代，在美国、欧洲、日本，欧洲相继确立了汽车排放法 规，具体指标见表1 - 1 ，最著名的是美国加州大气保护局( c a r b ) 制定的车辆排放法 规，经过严格实施这一法规，已经逐步取得了净化空气的显著成绩。近些年，随着人们 对生态环境和健康水平的要求日益提高，需要制定更严格的排放标准和法规，车辆制造 业和燃料部门也正在研究进一步的达标技术。 表1 - 1 欧洲轻型车排放限值( g k m ) m ：非直喷式柴油机n ：直喷式柴油机 1 绪论 表1 - 2 中国车用压燃式发动机排气污染物排放限值 g ( k w h ) 1 一直以来，我国在解决汽车排放方面也做了一些研究工作，但研究的深度和广度还 远远不能适应经济和社会迅速发展的需求，同时，我国车辆的增长速度和大气污染程度 是惊人的，据统计，我国汽车单车排放量为发达国家的数十倍，有些排放物甚至可达百 倍。随着近几年经济的迅速发展以及人们对生态环境和健康水平要求的日益提高，我国 也制定了较为严格的排放标准，具体指标见表1 2 ，预计2 0 1 0 年左右达到与世界水平基 本接轨的目标。目前，我国已经成为w t o 成员国，作为支柱产业之一的汽车工业现在 正面临严竣的国际竞争局面，为了满足更严格的排放法规要求，必须采取可能的各种措 旌来降低柴油机的污染物排放，这样才能在激烈的国际竞争中占有一席之地i ”。 1 2 发动机代用燃料的研究和应用现状 随着中国经济的迅猛发展，对石油燃料的依赖正逐步加深，石油燃料供需矛盾日益 突出，内燃机节能已经成为内燃机未来发展的首要问题。据统计，大气中的污染有一半 以上来自发动机废气排放，为了满足2 1 世纪世界各国逐渐提高的排放标准法规，寻求 既能降低污染排放而又不影响发动机使用性能的代用清洁燃料已成为一项重要课题。代 用燃料是指有别于传统的汽油、柴油等矿物燃料的所有发动机燃料，包括气体燃料、合 成烃燃料及其它非石油基燃料，广义的代用燃料还包括低劣的石油燃料、混合燃料、乳 化燃料等。目前，能做代用燃料的主要有生物柴油燃料、植物油燃料、醇类燃料，压缩 天然气( c n g ) 、液化石油气( l p g ) 、二甲醚( d e ) 等。 1 2 1 植物油和生物柴油燃科 植物油燃料属于生物质能之一，是可再生的，其来源广泛，也是一种很有前途的代 用燃料。早在2 0 世纪初柴油机的发明人r 狄赛尔就已经在柴油机中以花生油为燃料做 过试验。二战期间，中国、印度、日本等国家都将桐油、松根油及可食用的植物油等进 行改质后在内燃机中使用。巴西、奥地利、新西兰、日本、印度和美国都在不同程度上 开展了把植物油、乙醇、野生植物油及可直接生产碳氢化合物液体燃料的能源植物作为 内燃机的燃料进行研究，均取得了可喜的成果。 植物油燃料密度、粘度和表面张力大，热值高，有利于喷油系统喷射，其与醇类燃 料物化特性相辅相承，可互为添加剂和促溶剂，可生产用于内燃机的燃料类植物大部分 生长在南方，正好弥补了南方石油和煤炭资源的不足。植物油燃料在柴油机上应用已获 东北林业大学硕士学位论文 得成功且污染小，资源也很广泛，但要大量推广应用还存在一定问题。植物油燃料虽属 可再生资源，但其单位面积的含能量低，成本高，受地域限制，所以它的应用只能是补 偿性的。 各国生物柴油发展速度很快，1 9 9 6 年世界生物柴油的总生产能力为1 2 6 3 万吨， 2 0 0 1 年世界生物柴油总产量达到2 1 0 万吨，2 0 0 3 年世界生物柴油总产量突破3 0 0 万 吨。目前，生物柴油产业主要集中在欧洲和美国等发达国家。为了保证生物柴油的质 量，自1 9 9 1 年奥地利国家标准局颁布了世界上第一个生物柴油标准以来，许多国家根 据自己实际情况相继制定了各自的生物柴油标准。 我国开展生物柴油的研究开发工作较早。据调查，1 9 8 1 年已用菜籽油、棉籽油、乌 桕油、木油、茶籽油等植物油生产生物柴油的试验研究。2 0 世纪年代，由上海内燃 机研究所和贵州山地农机所联合承担课题，对生物柴油的研究、开发做了大量基础试验 探索。近年来，中国科技大学、石油化工科学研究院、西北农林科技大学辽河化工厂、 东北林业大学、华东理工大学、辽宁省能源所等单位分别进行了实验室研究和小型工业 化生产研究。中国科技大学利用菜籽油的油脚作原料，进行了1 0 0 0 吨年的生物柴油 中试。海南正和生物能源有限公司于2 0 0 1 年在河北邯郸建成以回收废油、野生油料为 原料、年产1 万吨生物柴油的试验厂，其技术和产品已于2 0 0 2 年1 0 月通过了国家经 贸委新产品技术鉴定。经石油化工科学研究院检测，产品质量优于国家轻柴油质量标 准，并达到美国2 3 4 5 生物柴油标准，生产过程清洁、安全。海南正和公司的成功，标 志着我国生物柴油产业的诞生。四川古杉油脂化学公司采用高科技提炼加工方法，利用 植物油和泔水油为原料生产的生物柴油，2 0 0 2 年已完成中试，形成了1 万吨年的生产 规模。2 0 0 4 年，福建卓越新能源发展公司建成了l 以万吨年的生产装置，主要以餐饮 废油为原料，除生产生物柴油外，还生产一些高附加值的产品。目前，生物柴油产业得 到了国务院领导和国家发改委、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。但是，与国外相比，我国在发展生物柴油方面还有相当大的差距，长期徘徊 在初级研阶段，未能形成生物柴油的产业化，政府尚未针对生物柴油提出一套扶植、优 惠和鼓励的政策办法，更没有制定生物柴油统一的标准和实施产业化发展的战略1 9 1 。 1 2 - 2 醇类燃料 1 2 2 1 国外醇类燃料的历史、现状及发展趋势 巴西是石油资源贫乏国家之一，早在2 0 年代巴西就开始在汽车中应用乙醇汽油混 合燃料。1 9 7 5 年，巴西制定并开始实施了乙醇汽油全国计划，第一批汽车使用的混合燃 料是2 2 乙醇和7 8 汽油，与此同时，巴西汽车工业也对使用乙醇汽油混合燃料的第 一代汽车进行了一系列的改进，如：由于乙醇热值低，为保证发动机正常运转，巴西燃 用乙醇的汽车压缩比已普遍提高到1 2 以上；对发动机油箱、化油器等供油系统进行防腐 处理。由于乙醇的汽化潜热高，为提高发动机进气温度，利用排气预热空气系统及在发 动机化油器下安装电加热器，保证了乙醇或混合燃料的正常汽化。 1 绪论 1 9 3 0 年，乙醇汽油混合燃料在美国内布拉斯加州地区首次面市，1 9 7 8 年，含1 0 乙醇的混合汽油在内布拉斯加州大规模使用，1 9 7 9 年，美国建立了联邦政府的“乙醇发 展计划( 使用e 1 0 ，减免联邦税) ”，开始大力推广使用含1 0 乙醇的混合燃料，联邦计 划的实施使美国的乙醇工业得到迅速发展，乙醇产量从1 9 7 9 年的3 7 9 0 万l 迅速增加到 1 9 9 0 年的3 3 亿l 。 甲醇汽油开发及应用在国外开始于2 0 世纪7 0 年代的第二次石油危机，德国、美 国、日本等国先后投入人力、物力进行甲醇燃料及甲醇汽车配套技术的研究开发。美国 对甲醇燃料和甲醇汽车都进行开发和应用，重点开发燃烧m 8 5 ，m 1 0 0 专用甲醇燃料汽 车。在7 0 - 8 0 年代期间，美国加州、德国等地均组织了甲醇汽车示范车队( 包括德国大 众汽车公司在中国建立的m1 0 0 甲醇汽车示范车队) ，并取得良好的效果【n 1 1 】。 1 2 2 2 国内醇类燃料的研究及应用 在1 9 9 0 年以前，国内开展乙醇燃料研究及应用工作的并不多，据不完全了解，“八 五”期间，在交通部能源管理办公室的主持下，交通部属有关科研机构对乙醇作为车用 燃料进行了一系列的研究，其中，1 9 8 5 年，云南省科委和云南交通科学研究所进行了 6 0 乙醇汽油的发动机台架及行车试验；1 9 8 6 1 9 9 0 年，福建省交通科学技术研究所开 展了e 2 0 ( 含2 0 工业乙醇的混合汽油) 的应用研究。交通部公路科学研究所先后进行的 e 2 0 , e 4 0 e 6 0 及1 0 0 乙醇汽油应用研究等。2 0 0 3 年6 月，车用乙醇汽油的使用试点工 作在河南、黑龙江两省五市圆满结束，在车用乙醇汽油使用试点期间，约有2 0 余万辆 汽车和5 万余辆摩托车使用了近2 0 万t 车用乙醇汽油。 我国从2 0 世纪7 0 年代开始，较系统地研究甲醇燃料。低比例的甲醇燃料在四川省 等地加油站出售，国家科委在“六五”期间，组织m 巧甲醇掺烧汽油的研究、示范， 曾在山西省进行过4 7 5 辆m 1 5 汽车和4 个加油站的商品化运行试验。1 9 9 8 年3 月大同 汽车制造厂试制第二批1 5 台定比例m 8 5 甲醇清洁燃料汽车，这1 5 台甲醇汽车在太原 至榆次公路上运行，各项指标良好，大同汽车制造厂又于2 0 0 1 年6 月试制成功m1 0 0 全甲醇清洁燃料燃烧装置，在普通燃油发动机上安装该装置后，可1 0 0 燃烧甲醇而不 掺入汽油，该装置已在夏利、捷达、6 4 9 0 越野车和6 6 0 0 中巴车上试验成功。山西省已 经具备甲醇产业化的条件，今后5 年山西省将增加至甲醇汽车5 0 0 0 辆。北京腾飞时代 公司也称研制成功m 1 9 环保复合燃料，宜称该燃料在不改变发动机结构下，解决了甲 醇对橡胶的溶胀问题、加入甲醇后发动机动力下降问题、遇水分层问题、冷启动困难问 题。 醇类燃料作为内燃机的代用燃料的开发及应用在全世界范围内有了很大进展，车用 醇类发动机技术已经成熟。大量的研究实验证明，柴油机使用醇类可以获得良好的动力 性，并且具有良好的排放特性。因而，醇类燃料在一定程度上是一种很有前途的代用燃 料【l o 1 2 l 。 东北林业大学硕士学位论文 1 2 3 压缩天然气( c n g ) 天然气是一种自然资源，其主要成分为甲烷( c h 。) ，含量为7 0 9 5 。作为车用 天然气，一般要求c h 。在9 0 以上。天然气中的有害成分为h ：s ，它经燃烧后形成的 硫化物会转化为酸性物质，对发动机零件有腐蚀作用，另外，h ，s 的自燃温度较低，所 以它的存在还会降低天然气的抗爆震能力，应予以限制。c n g 在柴油机上应用的最初 型式为缸外预混合进气，发动机只需增加一套c n g 供气系统即可改装成双燃料运行方 式，大量试验表明：双燃料发动机完全可以保持原机的动力性，而且排放烟度很低，一 般仅为原机的1 1 0 , 但同时存在一些明显问题：嫩烧速度低，着火滞后，有些工况点燃烧 拖到排气行程；燃料经济性差，热效率低，特别在小负荷更为明显：排放中总碳氢 o h c ) 偏高，一般为原机的5 巧倍。而采用当今先进的电子控制技术，c n g 直接引入柴 油机进气歧管，由少量柴油引燃c n g 空气混合气，不降低原机压缩比，结果表明这种 双燃料发动机的动力性达到或超过原机水平。北京理工大学对电控c n g 柴油双燃料发 动机工作过程的研究结果表明：燃烧过程的各项指标有不同幅度提高，燃烧速度加快：在 高替代率下，燃烧过程的循环变动有所降低，提高了燃烧的稳定性；发动机小负荷的有 效热效率提高了；摊放性能得以优化，特别是总碳氢( t h c ) 排放有了大幅度降低。c n g 作为代石油燃料，从某种意义上来说，具有良好的发展前景i 删。 1 2 4 液化石油气( l p g ) l p g 和c n g 的理化性质有许多相似之处，如辛烷值高，适合用于点燃式发动机：属 于气体燃料，故混合气质量良好，燃烧完全，再加上含碳比例较小，因而具有优良的净 化性能。初步的试验研究表明：在汽油机上燃用l p g 时，动力性较燃用汽油时有所下 降，但在稀混合气区，燃用u g 的功率却比燃用汽油高9 9 i ：在整个负荷范围内，燃用 l p g 的燃料经济性均优于汽油。l p g 在柴油机上进行的双燃料试验结果表明：与原柴油 机相比，随着l p g 替代率的增大，双燃料可以有效降低碳烟和n o ：的排放，但h c 和 c o 的排放有所增加。欲想更好地发挥l p g 降低有害排放物的作用，必须同时改变发动 机的一些参数，如压缩比、供油提前角、燃烧室形状等，以寻求最佳匹配i 引。 长期以来，我国对天然气和液化石油气的研究与应用进行的广泛而深入，全国都设 立了天然气和液化石油气应用技术推广站，天然气和液化石油气已在发动机上进行应用 并且正在推广。全国天燃气和液化石油气汽车的保有量从1 9 9 9 年初的1 0 8 1 3 辆增加到 目前的8 万多辆，加气站从1 9 9 9 年初的6 7 座增加到2 3 0 座。尽管燃用l p g 的车辆已有 一定的数量，但从总体上看比例依然很小，这在侧面说明了我国l p g 在发动机研究上 的落后现实。相对国内来说，国外对l p g 和天然气的使用已相当成熟，美国、德国、日 本等发达国家首先完成了l p g 燃料的单缸机和多缸机的台架实验，并进行了道路实 验。专用l p g 燃料汽车装置和l p g 汽车加气站的设计、制造、质量检验，早巳形成规 范。天然气的应用也以得到了大力的推广。 1 绪论 1 2 5 二甲醚( d m e ) 燃料 d m e 作为柴油机的代用燃料在近几年受到研究者的关注，与其性质特点直接相关。 d m e 的分子式为c h 3 - 0 c h ，是一种最简单的醚结构。它的分子中没有c c 键，减少 了微粒的形成，分子中氧的重量百分比为3 4 8 ，有利于实现无烟燃烧，同时可使用高 比例的e g r ，从而有利于降低n o ，排放。d m e 的十六烷值为5 0 一6 0 ，高于柴油和其它代 用燃料的十六烷值，具有非常好的自点燃特性，同时d m e 的沸点低，能快速形成良好的 混合气，从而缩短了着火延迟，使柴油机具有较好的冷起动性，适合压缩点燃式发动 机。现在h a l d o rt o p s o e 开发出一种大规模d 忱生产工艺，使d m e 可直接由合成气体一 步得到，且成本相当低，为d m e 作为柴油机代用燃料打下基础，但也存在一些需要解决 的问题，如低沸点( 一2 0 ) 使其易汽化，需要加压存储；d m e 对金属没有腐蚀性，但对 一些橡胶弹性元件来说，若长期暴露于d m e 中，会使其性能恶化。d l l e 粘度低，( 为柴油 的0 0 5 - 0 1 倍) ，供油系统部件易磨损，主要难点是解决润滑和密封问题。研究表明：发 动机燃用d m e 时，n o 排放得到大幅度改善，仅为燃用柴油时的5 0 同时可实现无烟燃 烧，c o 和h c 排放有一定程度的降低，甲醛排放有所升高l s a 4 1 。 当前，由于世界对能源的需求日益增加，以及对环境的日益重视，人们对发动机的 要求越来越高。煤气燃料和醇类燃料因其本身的特点和丰富的储量，因此无论是从平衡 能源消费结构，节约能源，还是从环境方面考虑，都不愧为一种非常有用的清洁代用燃 料。由于代用燃料的理化性质与石油燃料的性质有很大的不同，一般不能利用现有的供 油设备直接燃用，还有待于寻求合理的燃烧方式，所以有些燃料还不能大面积的推广应 用，寻求新的、价格低廉的与石油产品性能近似的代用燃料是目前我们的重要任务之一 1 1 2 l 。 1 3 研发乳化型生物柴油的目的和意义 本文拟研究的乳化型生物柴油，是一种以一定比例的生物燃油( b i o - o i l ) 与一定比 例的柴油相混合，并通过加入特制的乳化剂，在一定的乳化工艺条件下乳化合成的一种 全新的乳化型液体燃料。预计，这种燃料可在普通柴油发动机和燃气涡轮发动机上直接 作为燃料使用。根据文献检索，目前，这一研究在国内尚未见到报道，也很少见到国外 的报道。 用一定比例的生物燃油与柴油混合，并通过特制的乳化剂乳化合成制取乳化型生物 柴油研究一旦取得成功，将对确保我国石油安全、节约宝贵的石油资源、减少因燃用石 化燃料产生的巨量c 0 2 排放具有重大的现实意义，具有重大的市场开发及推广应用前 景。同时，对促进我国数亿吨农业秸秆和林业废弃物的经济、高效的开发利用及建设社 会主义新农村、新林区，将产生重大的推动作用。因此，研发乳化型生物柴油新能源产 品，不但具有重要的学术理论意义，并且具有重大的经济意义。 1 4 本论文研究的主要内容及目标 1 4 1 研究的主要内容 本论文的主要研究内容包括： ( 1 ) 全面调研国内外有关乳化型生物柴油研究的相关文献资料，对本课题的背景和 意义进行详细的了解和掌握，以期制定一套比较理想的实验研究方案； ( 2 ) 利用实验仪器及设备将生物燃油与柴油按照不同比例进行混合乳化，得到试样 若干，研究分析乳化型生物柴油的基本物性； ( 3 ) 分别以柴油及合成的不同比例的乳化型生物柴油为燃料，以两缸、四冲程普通 柴油机为试验载体，在相同的条件下进行负荷特性、排放特性、烟度特性试验和空载怠 速特性试验等，并存储、记录数据； ( 4 ) 对所获得的实验数据进行处理、对比和系统的分析，并结合所学专业知识和燃 料与动力行业知识，研究该种燃料的适应性及其可能的影响因素、可能存在的问题及其 原因，并采用适当的图表对结果予以表达； ( 5 ) 整理试验结果和分析结论，发表有关论文，撰写学位论文，完成全部研究内 容，申请答辩； 1 4 2 研究的目标 本论文的目标就是通过发动机台架试验及其数据分析，找出各种比例的乳化型生物 柴油在普通发动机上使用的可能性和适应性，为乳化型生物柴油的开发和深入研究提供 方向性指导和支持，为乳化型生物柴油新能源产品在不远将来的推广应用，提供科学依 据。 2 乳化型生物柴油的制取方法及其物性研究 2 乳化型生物柴油的制取方法及其物性研究 2 1 乳化型生物柴油的主要优势 目前存在的几种发动机代用燃料虽有一定的优点，可在一定程度上缓解我国能源短 缺的问题，但不论从确保能源安全还是解决排放污染问题，但由于其产量受资源有限性 的限制，都只能在有限的数量范围内解决一小部分问题。例如，生物柴油曾一度被认为 是最有希望的替代燃料，近几年在中国也搞的轰轰烈烈，然而，到目前世界范围内生物 柴油总产量每年也就不过才1 0 0 0 多万吨，即使都用来供应中国，与中国年年石油缺口 1 4 亿吨相比，也不过是杯水车薪! 显然，对缓解能源短缺起不到多大作用。另外，生 物柴油的生产要消耗大量的植物油资源，而我国食用油需求量是每年2 2 0 0 多万吨，其 中7 0 需要进口，试想我们还能有多少植物油资源能用来生产生物柴油呢! 生产醇类燃料的主要原料是粮食，也有小部分以秸秆为原料，其生产存在着与人争 粮、争地的矛盾，况且，每生产一吨乙醇还要消耗5 0 - 1 0 0 立方米水资源，并同时产生 1 弘1 6 吨酒精糟。 液化石油气、压缩天然气、二甲醚等代用燃料的生产都依赖于石化资源，并且每多 使用1 吨，都将会向大气多排放一定数量的温室气体。因此，不利于解决排放和温室效 应问题。 鉴于中国的实际：能源短缺、石化燃料排放严重、传统生物燃料与人争地、争粮的 矛盾日益突出。因此，研究和探索利用废弃生物质( 如农业秸秆、谷物壳皮林业废弃 物等) 为原料来生产一种既能有效地节约石油资源、在实质上显著地减少石化燃料排 放，又不与人争粮、争地、可大规模生产( 至少数千万吨) 和大面积推广应用的、全新 的液体燃料，势在必行，就解决中国面临的实际问题而言，是一种科学、明智的选择。 2 1 1 丰富的原料来源 用于混合乳化的生物燃油主要生产原料是生物质，包括各种农业秸杆、壳皮、林业 树皮、锯末、枝丫等废弃生物质，全世界每年的生物质产量约为1 7 0 0 亿吨，现在已被利 用的只有1 3 亿吨，不足总量的1 。然而这1 却向人类提供了所需能量的1 5 ，是仅次 于煤炭、石油、天然气的第四大能源，在整个能源系统中占有重要地位。就国内而言，每 年生产的农业秸秆、谷物壳皮等生物质就高达7 亿多吨，扣除各种以利用部分，尚有4 5 亿吨有待开发利用，相当于2 2 5 亿多吨标准煤和3 亿左右吨的生物燃油，按生物燃 油所含的热值来计算，3 亿吨生物燃油相当于1 5 亿吨标准柴油，相当于可以每年为我 国节省柴油1 5 亿吨，少排放相当于1 5 亿吨柴油排放的废气污染物：此外，每年还约有 3 7 0 0 万立方米的林业废弃生物质资源有待利用。相当于2 0 0 0 万吨标准煤。因此，乳化 型生物柴油作为一种新型的液体能源不但具有优厚的先天条件，而且开发潜力巨大【1 5 1 。 2 1 2 优越的环保特性 用于乳化成燃料的生物质液化燃油中不含有s ，并且n 的含量非常少，因此，燃烧 过程中没有硫化物的产生，不会造成酸雨现象，n o x 的量也较少。生物质液化燃油中 虽然含有较多的碳，但碳的循环是动态的，每两年完成的”c o ：+ 光合作用一生物质一生 物燃油一c 0 2 + 光合作用一生质”的闭合循环链，因此对于保护自然环境、维护生态 平衡而言，是一种可再生的绿色环保新型能源，理论上实现了c 0 2 的”零”排放。乳化 型生物柴油的这种巨大的环保优势，为其将来的开发应用提供了得天独厚的条件【1 6 1 。 2 2 乳化型生物柴油的制取工艺流程 乳化型生物柴油制取的主要原料是生物质液化燃油( b i o - o g ) 、普通柴油、少量乳化 剂。由于生物原油( b i o - o i l ) 含水量和杂质比较多，首先利用实验仪器将生物燃油进行 蒸馏，去除水分，过滤去除杂质，再与普通柴油按照实验规定的比例混合，同时加入少 量的乳化剂，配制成液体混合物，将此混合物利用乳化机进行乳化，流程如图2 - 1 所示。 生物质 预处理 i 制。；洲。 l 、d i e s e l 乳化燃料 闪速裂解气化- + 冷凝液化- + c h a h 蝉+ m 砌夕 乳化一b i o - d i e s e l b i o m a s s + e n e r g y + 冷凝液化+ c h a r + g “+ 磷”“ 2 2 1 生物质液化燃油( b i o - o n ) 的制取 生物质液化燃油( b i o - o i l ) 的制取主要原料是各种农业秸杆、壳皮、林业树皮、锯 末、枝丫等废弃生物质，主要制取装置是课题组自主研发的转锥式生物质闪速热解液化 装置，如图2 2 所示。转锥式生物质闪速热解液化装置是在国家8 6 3 课题“集成式生物 质多重闪速热解液化生产生物燃油新技术”的支持下开发和研制的，其原理是利用离心 力原理将生物质快速热解，然后把产生的热解蒸气和固体产物迅速分离开来，最后把可 冷凝气体骤冷得到生物燃油( b i o - o i l ) ，完成阿速热解液化过程【l ”。 2 乳化型生物柴油的制取方法及其物性研究 图2 - 2 转锥式生物质闪速热解液化装置 2 2 1 1 生产生物质燃油的工艺流程 转锥式生物质闪速热解液化装置生产b i o - o i l 的工艺流程如图2 3 所示： ( 1 ) 生物质原料的粉碎：为便于输送和提高干燥效率，干燥前需先将各种农业秸 杆、废木、枝丫等较大的固体生物质破碎至类似工艺木片的尺度； ( 2 ) 生物质原料的干燥：为减少最终产物一生物燃油中的含水量，必须对原料进行 干燥处理。一般将原料的含水量控制在1 0 以下； ( 3 ) 生物质原料的粉碎：为提高加热速率，获得高的产油率，原料的进一步粉碎和 细化是十分必要的； ( 4 ) 生物质颗粒的热解：将粉碎后的生物质颗粒和热载体一块送入主反应器，进行 闪速热解，使生物质颗粒转变成热解蒸气和炭； ( 5 ) 热解蒸气的净化：热解蒸气含有一定量的炭和灰份，由于炭在热解蒸气的二次 热解中起催化作用，会在生物燃油中产生不稳定因素，而灰份也是不需要的成份，因 此，对从热解反应器弓 出来的热解蒸气必须快速的通过旋风分离器，彻底的净化； ( 6 ) 热解蒸气的冷凝：热解蒸气由产生到冷凝阶段的时间对液体产物的质量和成分 有很大的影响，此段时间越长，二次热解生成不可冷凝气体的可能性越大。为防止二次 热解、减少不可冷凝气体的比例，提高生物燃油得率，必须对净化后的热解蒸气进行快 速冷凝； ( 7 ) 生物燃油的收集：生物质热解液化装置的设计除需要对温度进行严格控制外， 还应在生物油的收集过程中避免由于生物燃油的多种重组成分的冷凝而导致冷凝器堵 塞； ( 8 ) 生物燃油的精制l ”删。 东北林业丈学硕士学位论文 图2 - 3b i o - o i l 制取的工艺流程简图 2 2 - 2 生物质液化燃油( b i o - o i l ) 的特性 未经过处理的生物质液化燃油一般称为生物原油，具有良好的流动性，储运、商业营 销同石油燃料一样方便。该种生物油呈红褐色，是含氧量很高的复杂有机混合物，其有 机物种类有数百种之多，从属于数个化学类别，几乎包括了所有种类的含氧有机物诸 如：醚、酯、醛、酮、酚、有机酸、醇等。不同生物质制取的生物油在主要成分的含量 上大都比较相近，因而可以容