（动力机械及工程专业论文）生物柴油的应用及其pdpa喷雾特性的研究.pdf

一 j_-一1 。 ， 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外，本论 文不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 同期：年 月r | 。鼻 产 志 生物柴油的应用及其p d p a 喷雾特性的研究 a p p l i c a t i o na n d p d p a s t u d yo nt h es p r a y c h a r a c t e r i s t i c so fb i o d i e s e l 姓 2 0 0 7 年4 月 ， - - 自 、 弋 f 、 ， ，亡 江苏大学硕士学位论文 摘要 当今，石油资源日益枯竭、环境同益恶化及排放法规愈来愈严格，生物柴油走向市 场的呼声越来越高。在此背景下，本文对代用燃料生物柴油的应用及喷射雾化特性 作了深入的理论分析和试验研究，并对生物柴油的喷雾混合过程作了数值模拟。主要内 容包括：( 1 ) 从技术路线和经济可行性两方面对生物柴油的应用可行性进行了理论分析； ( 2 ) 利用先进的p d p a ( p h a s ed o p p l e r p a r t i c l ea n a l y z e r ) 测量系统和高速摄像技术研究了生 物柴油的喷雾特性。 生物柴油作为普通柴油的良好替代物已引起各国的重视，并积极大力推广应用。生 物柴油在我国的发展历史不长，但相关生产技术已较成熟，困扰生物柴油大力推广的主 要原因之一就是生产成本较高。针对生物柴油的生产技术和生产成本，本文主要从其理 化特性、稳定特性、应用特性、环境特性、可持续发展特性和经济及技术可行性等方面 作了具体分析。在举证生物柴油各优越特性的基础上，再加以生产技术的分析比较。最 后得出，生物柴油作为一种优良的替代能源，在因地制宜、最优选取原材料种类，采用 简单、高效、环保的生产技术，及政府税收扶持的情况下，完全可以大力发展。 生物柴油的喷雾特性作为其在发动机上应用的一项基础性研究，对进一步研究缸内 混合气的形成、燃烧及排放，同时对生物柴油的推广使用也具有重要意义。基于此，本 文在论证生物柴油可行性的基础上，对生物柴油的喷雾特性作了试验研究和模拟计算对 比分析。 本文在基于喷雾理论分析、试验研究和模拟计算的前提下，对生物柴油的高压喷雾 特性作了分析研究，为使研究更具有效性和可比性，又与相同工况下嘴柴油的喷雾特 性作了对比性研究。对于燃油的破碎机理，本文从空气动力作用引起的液滴表面不稳定 波理论出发，结合r e i t z d i w a k a r 模型、k h r t 模型和w a v e 模型等破碎模型，较全面 地说明了燃油喷雾场中液滴发生的各种形式的破碎，并将r e i t z d i w a k a r 模型应用于 c f d 软件s t a rc d 中进行了模拟计算。试验验证阶段采用了先进的相位多普勒粒子分 析仪( p d p a ) 来对生物柴油及其调和油喷雾场的微观特性进行了研究，同时结合高分辨 率的高速摄像机实现了对喷雾场宏观特性的研究，获得了大量有价值的试验数据。此外， 结合数值模拟对生物柴油的喷射雾化作了研究分析，分析结果与试验结果相一致。 关键词：生物柴油，喷雾，p d p a ，高速摄影，数值模拟 。， 丸 t 江苏大学硕士学位论文 t o d a y , w i t hp e t r o l e u m r e s o u r c e s d e p l e t i n g ，e n v i r o n m e n td e t e r i o r a t i n g a n dm o r e s t r i n g e n te m i s s i o nr e g u l a t i o n s ，b i o - d i e s e lt o w a r d st h em a r k e th a sb e e ng e t t i n gh i g h e ra n d h i g h e r i nt h i sp a p e r t h ea p p l i c a t i o na n ds p r a yc h a r a c t e r i s t i c so fb i o d i e s e lw e r es t u d i e di n d e p t h t h e o r e t i c a la n a l y s i sa n de x p e r i m e n t a lr e s e a r c h t h e n ，t h es p r a ym i x i n gp r o c e s so f b i o d i e s e lw a sa l s os i m u l a t e d t h em a i nc o n t e n to ft h ep a p e ri sa sf o l l o w s ：( 1 ) t h ea p p l i c a t i o n f e a s i b i l i t yo fb i o d i e s e lw a ss t u d i e df r o mt e c h n i c a lr o u t ea n de c o n o m i cf e a s i b i l i t y ；( 2 ) t h e s p r a yc h a r a c t e r i s t i c so fb i o - d i e s e lw e r es t u d i e db yp d p a m e a s u r e m e n ts y s t e ma n dh i g hs p e e d p h o t o g r a p h y b i o d i e s e l ，a sag o o da l t e r n a t i v ef u e l ，h a sa t t r a c t e dm a n yc o u n t r i e s sa t t e n t i o na n d a c t i v e l yp r o m o t e sa p p l i c a t i o n t h ed e v e l o p m e n th i s t o r yo f b i o d i e s e li sn o tl o n gi nc h i n a ，b u t t h ep r o d u c t i o nt e c h n o l o g yh a sb e e nm a t u r e t h eh i g h e rp r o d u c t i o nc o s ti st h em a j o ro b s t a c l e s t op r o m o t eb i o - d i e s e l i nt h ev i e wo fp r o d u c t i o nt e c h n o l o g ya n dc o s t ，b i o d i e s e lw a ss t u d i e d f r o mt h e p h y s i c o c h e m i c a lp r o p e r t i e s ，s t a b i l i t yp r o p e r t i e s ，e n v i r o n m e n t a lp r o p e r t i e s ， a p p l i c a t i o np r o p e r t i e s ，s u s t a i n a b l ep r o p e r t i e s a n df e a s i b i l i t y i np r o o fo ft h ee x c e l l e n t c h a r a c t e r i s t i c so fb i o - d i e s e l ，ac o m p a r a t i v ea n a l y s i so fp r o d u c t i o nt e c h n o l o g yw a sc a r d e do u t e v e n t u a l l y , b i o - d i e s e l 觞ap r o m i s i n ga l t e r n a t i v ef u e l ，i nt h el i g h to fl o c a lc o n d i t i o n s ， s e l e c t i n gt h eo p t i m a lt y p eo fr a wm a t e r i a l s ，a p p l y i n gs i m p l e ，e f f i c i e n ta n de n v i r o n m e n t a l p r o d u c t i o nt e c h n o l o g y , a n ds u p p o r to fg o v e r n m e n tr e v e n u e ，b i o d i e s e l c a nb ea c t i v e l y d e v e l o p e d a sab a s i cr e s e a r c h ，t h ea p p l i c a t i o no fs p r a yc h a r a c t e r i s t i c so fb i o d i e s e lo ne n g i n e p e r f o r m e dag r e a ts i g n i f i c a n c e o nf u r t h e rs t u d yo ft h ec y l i n d e rg a sm i x t u r ef o r m a t i o n ， c o m b u s t i o na n de m i s s i o n s ，a n da l s oo np r o m o t i n gt h eu s eo fb i o d i e s e l t h e r e f o r e ，b a s e do n t h ed e m o n s t r a t i o no fa p p l i c a t i o nf e a s i b i l i t yo fb i o - d i e s e l ，a ne x p e r i m e n t a ls t u d ya n d s i m u l a t i o na n a l y s i so f s p r a yc h a r a c t e r i s t i c so f b i o d i e s e lw e r ec a r d e do u t b a s e do nt h et h e o r e t i c a la n a l y s i s ，e x p e r i m e n t a ls t u d ya n ds i m u l a t i o nc a l c u l a t i o n ，t h e l l i g h - p r e s s u r es p r a yc h a r a c t e r i s t i c sa b o u tb i o d i e s e lw e r es t u d i e di nt h i sp a p e r i no r d e rt o m a k et h er e s e a r c hm o r ev a l i d i t ya n dc o m p a r a b i l i t y , t h es p r a yc h a r a c t e r i s t i c so fb i o - d i e s e l w e r ec o m p a r e dw i t h0 # d i e s e li nt h es a m ec o n d i t i o n i nt h ev i e wo ft h eb r o k e nm e c h a n i s mo f 江苏大学硕士学位论文 d r o p l e t ，b a s e do nt h ed r o p l e ts u r f a c ea e r o d y n a m i ci n s t a b i l i t yw a v et h e o r ya n dc o m b i n e dw i t h r e i t z - d i w a k a rm o d e l ，k h - r tm o d e la n dw a v em o d e l ，am o r ec o m p r e h e n s i v ea n a l y s i s a b o u tv a r i o u sf r a g m e n t a t i o no ff u e ls p r a yd r o p l e tw e r es t u d i e d m o r e o v e r , r e i t z d i w a k a r m o d e lw a sa p p l i e di nc f ds o f tw a r e s t a rc dt os i m u l a t et h es p r a yp r o c e s so fb i o d i e s e l p d p aw a sa p p l i e dt os t u d yt h em i c r o s c o p i cc h a r a c t e r i s t i c so ft h es p r a yf i e l do fb i o - d i e s e la n d i t sm i x e do i li nt h ee x p e r i m e n t a lv e r i f i c a t i o ns t a g e ，a n dt h e na h i g h s p e e dp h o t o g r a p h yw e r e ，- u s e dt os t u d yt h em a c r o s c o p i c a lc h a r a c t e r i s t i c so fb i o - d i e s e l e v e n t u a l l y , l o t so fv a l u a b l ed a t a w e r eo b t a i n e d i na d d i t i o n ，t h es p r a yp r o c e s so fb i o - d i e s e lw a ss i m u l a t e d ，a n dt h er e s u l t so f s i m u l a t i o nw e r ec o n s i s t e n tw i t ht h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s k e yw o r d s ：b i o d i e s e l ，s p r a y , p d p a , h i g hs p e e dp h o t o g r a p h y ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n h i - 、 ，、 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论 目录 l 1 1 课题研究的目的和意义1 1 1 1 问题的提出1 1 1 2 研究目的和意义3 1 2 我国石油能源现状4 1 2 1 石油消费现状4 1 2 2 石油安全现状5 1 3 缓解目前石油能源压力的措施5 1 4 生物柴油的研究现状及应用前景6 1 4 1 研究状况6 1 4 2 应用状况9 1 5 本文主要研究内容和方法。1 0 第二章生物柴油的特性 1 1 2 1 生物柴油的理化特性1 1 2 1 1生物柴油的化学组成1 1 2 1 2 生物柴油的燃烧特性1 3 2 1 3 生物柴油的氧化稳定特性1 5 2 2 生物柴油的发动机应用特性1 7 2 3 生物柴油的环境特性2 1 2 4 生物柴油的可持续发展性2 1 2 5 发展生物柴油产业的社会效益2 2 2 5 1发展生物柴油与种植业的结构转变2 2 2 5 2 发展生物柴油与饮食安全2 2 2 6 生物柴油的经济可行性2 3 2 6 1 生产工艺比较2 3 2 6 2 酯交换反应动力学2 6 i v - t 一 江苏大学硕士学位论文 2 6 3 经济可行性2 7 2 6 4 发展生物柴油的主要措施3 3 2 7 研究方向3 5 第三章生物柴油喷雾模型的建立 3 1国内外柴油机燃油喷射雾化过程研究状况。3 6 3 1 1 柴油机燃油喷雾模拟计算的发展3 6 3 1 2 柴油机燃油喷雾的试验研究3 9 3 2 燃油喷雾破碎和雾化模型。4 1 3 2 1r e i t z d i w a k a r 破碎模型4 2 3 2 2k h r t 破碎模型4 3 3 2 3w a v e 破碎模型4 5 3 2 4h u h 燃油雾化模型4 7 3 3 燃油的喷雾结构及特征研究4 9 3 4 燃油喷雾计算模型。5 1 3 4 1 动量模型5 1 3 4 2 质量模型5 3 3 4 3 能量模型5 3 3 5 燃油喷雾微分方程求解方法5 4 3 6s t a rc d 在喷雾方面的应用及生物柴油喷雾模型的建立5 5 3 6 1s t a rc d 在喷雾方面的应用5 5 3 6 2 喷雾模型网格的生成5 5 3 6 3 计算初始条件和边界条件的确定5 6 3 6 4 燃油物性参数的设定5 7 第四章生物柴油p d p a 喷雾试验 5 9 4 1 引言。5 9 4 2p d p a 测量系统及测量原理5 9 4 2 1 基本配置5 9 4 2 2 测量原理5 9 4 3 三维p d p a 系统硬件布局及控制参数选取6 0 v 江苏大学硕士学位论文 4 3 1 硬件稚局6 0 4 3 2 控制参数选取6 1 4 3 3 数据处理系统。6 2 4 4p d p a 燃油喷雾试验装置。6 3 4 5 试验油样及试验方案6 5 4 6p d p a 喷雾试验测量及评价指标6 6 4 6 1 喷雾特性评价指标6 7 第五章试验结果与计算结果分析 5 1 启喷压力的影响6 8 5 2 喷孔直径的影响6 9 5 3 燃油的影响7 0 5 4 转速的影响7 1 5 5 粒度分布7 2 5 6 高速摄像试验及模拟计算结果分析一7 3 5 6 1 喷雾贯穿度的对比分析7 3 5 6 2 模拟计算结果分析8 2 5 6 3 问题及分析8 2 第六章全文总结与工作展望8 4 6 1 全文总结8 4 6 2 工作展望8 5 参考文献8 6 作者在攻读硕士学位期间发表的论文 v i 鼙 ， 产 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1课题研究的目的和意义 1 1 1 问题的提出 公元前2 5 0 年，中国人首先发现石油是一种可燃的液体。1 8 5 4 年，美国宾夕法尼 亚州打出了世界上第一口油井，石油工业由此迅速发展【1 1 。到1 9 世纪术，人们发明了 以汽油和柴油为燃料的奥托内燃机和狄塞尔内燃机，虽然石油的应用历史较长也是目前 应用最广泛的石化燃料，但不是应用在内燃机上最早的燃料。柴油机的发明者德国人狄 塞尔最初是把植物油( 花生油) 作为柴油机燃料的，但鉴于当时植物油的生产工艺的落 后使得油品较差及石油工业的迅猛发展，植物油逐渐被石油代替。 虽然石油是近现代工业发展中最重要的因素之一，为人类及社会的进步与发展作出 了巨大贡献，但随着石油资源的过度消耗造成的生态环境的污染及其不可再生性，制约 了国民经济的发展。因此，近年来石油替代能源的话题频繁出现，相应的研究工作也相 继展开。正如后来狄塞尔在1 9 1 2 的美国密苏里工程师大会上说：“用植物油作内燃机燃 料，在今天看来没有太大的意义，但将来它必将会成为和石油一样重要的燃料! 【4 】 反 观现在，“清洁燃料、“代用燃料 及“代用动力”等话题再次成为热点。其中生物柴 油以其良好的环保性及可再生性成为石油替代能源的重要选择之一，其研究进程也逐步 加快。这既验证了先辈的预言，也是人与自然和谐发展的必由之路。 石油在被日益消耗的情况下，其燃烧产物也成为大气污染的主要源头，其中数量庞 大的机动车( 发动机) 就是这些污染源的载体，也使得我国百万人口以上城市的大气污 染由第一代煤烟型向第二代汽车型转化。具体表现在，运输业的迅速发展使得发动机的 有害排放逐渐增多，尤其是发达国家的运输业是主要的消费行业，约占3 0 。而发达国 家的机动车占有率又远远高于发展中国家，2 0 0 0 年的数据表明，中国的汽车拥有量为 1 2 辆千人，美国是7 5 0 辆千人，德国是6 5 0 辆千人，世界平均为1 4 4 辆千人。比照 国际数据指标，现阶段中国汽车拥有率是偏低的，所以中国的汽车数量将会大幅度的增 加，根据国家统计局的统计数据，中国2 0 0 2 年的汽车保有量为2 0 5 3 1 7 万辆，其中轿 车7 1 0 万辆【1 1 ，2 0 0 6 年的汽车保有量为3 4 0 0 万辆，并以每年1 2 的速度递增。另据美 ， p 产 江苏大学硕士学位论文 国m m 商业咨询服务公司的预测：到2 0 1 5 年，中国的汽车生产量将超过美国；到2 0 2 0 年中国的汽车保有量将超过美国。虽然汽车排放法规愈来愈严格，但如此庞大的活动污 染源穿插于城市的各个角落，带来的不仅仅是环境的污染，但污染是对人们的生活影响 最大的，所以控制污染是众望所归，也是社会发展的要求。据北京市环保局和清华大学 环境工程系的测试结果表明，8 7 的碳氢化合物( h c ) 、5 5 的氮氧化物( n o ；) 和7 6 的一氧化碳( c o ) 来自汽车排放【1 7 1 。控制汽车污染的方式除了改用清洁能源或代用动 力外，就是在现有的基础上深入研究石油燃料在内燃机上的雾化、燃烧及后处理，使其 更合理从而达到更低的排放要求，就目前的排放法规及未来的发展要求来说后者已不是 主要的解决方法。 虽然各种替代能源的问世及人们节能意识的提高会在一定程度上缓解对石油的依 赖，但由于替代能源自身的弱点及相关的研究技术不成熟，石油还将是未来几十年的主 要燃料。但不可否认的是随着石油资源的过度开采，导致了目l j 愈演愈烈的石油危机， 而且也成为现代世界局部战争导火索，成为左右国际地缘政治及格局的不确定因素之 一。所以如何减少对石油的依赖度及降低由此带来的严重污染，迫使人类去寻找石油的 替代燃料，随之是对新能源的呼声越来越高。 生物柴油就是在此种情形之下应运而生，成为未来清洁代用燃料的重要选择之一。 它是利用低碳醇与天然植物油或动物脂肪中主要成分甘三酯发生酯交换反应，利用甲氧 基取代长链脂肪酸上的甘油基，将甘三酯断裂为脂肪酸甲酯，从而减短碳链长度，降低 了燃料的粘度，改善了流动性和汽化性能，达到作为燃料使用的要求，是一种洁净的生 物燃料，也称之为再生燃油。此外，生物柴油不仅可以使人类摆脱对石油的依赖，而且 还是一种可再生环境友好型能源。 随着石油资源及环境问题的突现，内燃机正面临着能源短缺、排放法规、噪声控制 等日益严格的巨大挑战。这些严格的限制要求势必将加快内燃机各种新兴技术的研究， 同时也加快了代用能源和代用动力的开发步伐。因各种代用动力的技术还不成熟，所以 现阶段还将以内燃机的应用为主，只是在燃料方面将更加多元化。另外，随着汽车柴油 化的趋势逐渐加大，未来将以柴油机为主。不管燃用何种燃料，燃料的雾化及燃烧都将 是重点解决的问题。因为燃烧过程进展的好坏，直接影响柴油机的动力性、经济性和排 放，而燃油雾化的质量又是影响燃烧过程中最重要的因素，所以如何使得燃料雾化的更 2 江苏大学硕士学位论文 好并且更加有利于燃烧将是未来柴油机研究的重点。 作为未来柴油替代燃料之一的生物柴油是一种绿色能源，具有与石化柴油相似的理 化性质且在对动力性能影响很小的情况下表现出了良好的排放性能，所以生物柴油有着 广阔的应用前景。与柴油一样，要想使其能够更加合理的燃烧从而具有更低的排放性能， 如何合理的组织其雾化是目前及未来研究的重点。而研究生物柴油在发动机上的喷雾特 性是为进一步改进发动机的燃油系统，从而能够更加合理的组织混和气及燃烧，发挥其 优良绿色代用燃料的特性。所以说，结合生物柴油的理化性质研究其雾化特性是解决问 题的关键。而燃油喷射过程本身是就一个动态的过程，喷射及雾化不仅受到喷嘴结构形 式、喷射压力的影响，还受气缸内压力、温度、气流运动等因素的影响【3 5 】。目前对燃 油雾化的研究颇多，也形成了不少的理论，但大多数理论均是从假设简化的角度来描述 雾化特性的，也解决了很多问题。实际上对雾化机理的认识并不完全相同，得出的雾化 理论也不成熟。燃油喷射后经历油滴破碎、油滴碰撞和聚合、油束撞壁、燃油多组分蒸 发等，而上述过程发生的时间和空间尺度都极小，用目前的测试手段和数值模拟方法还 不能够精确的测量及预测出实际的雾化特征数据，但也不失是一种合理的手段。所以说 立足现有的测试技术及雾化理论来更进一步的研究雾化特征仍然具有广泛的现实意义 和发展前景。 1 1 2 研究目的和意义 随着石油资源的日益减少和人类环保意识的提高，石油替代燃料的开发步伐大大加 快，各种替代燃料陆续问世。其中，生物柴油以其在柴油机上优越的动力性能及环保特 性备受关注。生物柴油可以在普通柴油机上直接使用，与普通柴油相比，生物柴油的分 子内含有1 0 的氧，使得其在燃烧过程中可以需要较少的空气且燃烧更充分，并能达到 较好的排放效果。因为燃烧过程进展的好坏，直接影响柴油机的动力性、经济性和排放， 而燃油雾化的质量又是影响燃烧过程中最重要的因素。基于此，本课题研究的目的就是 论述应用生物柴油的特性及从试验和数值模拟两方面研究生物柴油的雾化特性，进而分 析影响雾化特性的各种因素，从而获得较高的燃油空气混合速率及良好的雾化质量，为 生物柴油的推广及应用提供理论支持。 应着对新能源的呼声及社会发展的要求，生物柴油逐步成为石化柴油的一种重要替 3 江苏大学硕士学位论文 代能源。作为国家的一种战略资源，发展生物柴油具有重大意义：发展生物柴油能够更 加合理的利用现有资源，调整农业经济结构；对增强国家能源安全具有重要的战略意义： 发展生物柴油从节约、环保的角度讲，符合我国建设节约型社会的理念。采用试验和数 值模拟分析相结合的方法研究生物柴油在柴油机上的喷雾特性，其中，利用先进的软件 进行数值模拟具有成本小、修改参数方便、更直观、精度高、周期短等优点。此外，利 用计算机模拟修改参数方便的优点可优化设计方案与试验，可以在模拟的基础上直接用 试验来检验其结果，同时试验也可以验证模拟结果的正确性。 1 2 我国石油能源现状 1 2 1石油消费现状 二十世纪石油取代了煤成为最重要的能源，为社会的发展尤其是工业的进步作出了 巨大的贡献。但随着工业尤其是汽车工业快速发展的同时，对石油的需求量则是逐年攀 升，国际油价也是水涨船高，对我国经济的发展造成了一定的影响。随着全球化趋势的 加剧，国际油价对国内的影响变的更直接更迅速。2 0 0 5 年8 月份以来，广州、深圳和 上海等地连续出现。油荒”，排队“抢油”场面在国内首次出现。同时，国际油价则是一路 攀升，0 5 年下半年油价突破了每桶7 0 美元。2 0 0 6 年7 月，国际油价创下7 6 7 0 美元 的历史纪录，同时，国内晰柴油、3 0 # 柴油、9 8 # 汽油的价格分别上升到4 8 3 元升、5 5 5 元| 馥、6 0 2 元| 舟， 受国民经济持续快速增长的拉动，国内石油市场需求增势强劲，这促进了石油进口 量的大幅攀升，也使我国成为石油消费和进口大国。国家海关总署的资料表明，中国自 1 9 9 3 年成为纯石油进口国以来，进口量以每年6 6 6 的速度增加，其中在过去的1 0 年 中，对石油的需求量几乎翻了一倍。2 0 0 4 年原油进口量为1 2 亿吨，比2 0 0 3 年增长3 4 8 ， 占国家石油总供给量的4 0 以上。2 0 0 5 年的石油进口量为1 3 6 亿吨，2 0 0 6 年上半年原 油、成品油的增长已超过1 6 ，按此估算，到2 0 1 0 年，我国石油消费总量将达到4 亿 吨，而国内生产能力仅为1 6 亿吨到1 7 亿吨1 6 。可见需求缺口巨大，作为非可再生资 源，石油的有效消费值，即储存量与消费量的比值( v = 刚c ，c ：消费量，r ：储存量) 急剧下降。据国际最新估算，地球上石油进入枯竭期最多可以延长到百年，而中国又是 石油资源相对贫乏的国家，专家测算石油稳定供给不会超过2 0 年。 4 江苏大学硕士学位论文 可以预见，随着国内汽车工业的高速发展和家庭轿车时代的到来，国际石油市场的 动荡对我国经济和民生的影响也将越来越大。 1 2 2 石油安全现状 目前，我国为石油进口国，同时经济的增长速度大于石油供给量，使得石油对外依 赖度较高。所以，国际形势的变化对我国的石油安全影响甚大，石油安全形势严峻，主 要有以下四大风险： 一是油价风险。由于国内的能源价格正逐步与国际接轨，国际油价的升高，给国经 内济带来了很大压力。首当其冲，油价攀升，导致外汇支付大量增加。2 0 0 5 年我国就 为进口石油多支付1 3 6 亿美元，这相当于2 0 0 4 年g d p 总量的0 9 。此外，随着石油 这种战略资源开采难度越来越大及其他不稳定因素的存在，国际油价还将继续走高。 二是油源风险。目前全世界年产原油3 8 亿吨，但进入国际石油贸易的仅有2 2 亿多 吨，其中美国每年进口石油7 亿多吨，占世界整个石油贸易总量的1 3 。日本年进口石 油2 6 亿吨，韩国、德国、法国等年进口石油都在1 亿吨以上。此种情况下，各石油消 费国对石油资源的争夺将愈演愈烈，无形之中增加了我国的石油供给风险。 三是通道风险。中国现在年进口石油1 4 1 5 亿吨，7 0 以上是通过马六甲海峡运 进来的。现在，马六甲海峡通过能力已接近基本满负荷状态，再加上国际局势动荡，通 道安全已成为关系我国石油安全的一个瓶颈。 四是政治风险。2 0 0 5 年中海油竞购尤尼科失利的教训证明，石油已经不是一种简单的 经济商品，而是战略物资。石油的背后是国家与国家之间的较量，能源外交将更加重要。 1 3 缓解目前石油能源压力的措施 一是基于现有发动机的基础上，不断提高传统燃料汽车的燃油效率，发展先进柴油 机技术和先进汽油机技术；二是当今柴油机技术取得了显著的进步，彻底改变了传统柴 油车“冒黑烟”、噪声大等不良形象。此外，柴油车与目前的汽油车相比，具有比汽油 车燃油消耗低2 0 - 3 0 、动力性更强等特点。因此，大力发展柴油汽车在一定程度上 可减少石油的消耗；三是开发新能源和代用动力，即发展替代燃料技术和新能源汽车， 发展混合动力、电动汽车等技术。 前两项措施虽然在现有技术的基础上在一定程度上可缓解石油消耗的压力，但不能 5 江苏大学硕士学位论文 从根本上解决问题。因此，只有第三项措施可真正解决问题。面对石油能源的压力，人 类一方面在大力发展混合动力、电动汽车，一方面也在积极开发新型代用燃料。近年来， 生物柴油的特性及其在发动机上的应用性能研究逐渐成为研究的热点。 1 4 生物柴油的研究现状及应用前景 1 4 1 研究状况 目前，对生物柴油地研究主要是生物柴油的制取和在发动机上的应用，包括经济性、 广 动力性、排放特性及雾化特性等。 当前制备生物柴油主要采用酯交换法( 化学转酯法) ，即利用甲醇或乙醇等短链醇 类物质与天然植物油或动物脂肪中的主要成分甘油三酸酯发生酯交换反应，利用甲氧基 取代长链脂肪酸上的甘油基，将甘油三酸酯断裂为长链脂肪酸甲( 乙) 酯生物柴油， 从而减短碳链长度，降低油料的粘度，改善油料的流动性和汽化性能，达到作为燃料使 用的要求。 生物柴油生产过程中，催化剂是酯交换反应的关键。目前，酯交换法主要包括均相 催化法、非均相催化法、生物催化法和超临界法。均相催化法是在液体酸、碱催化剂条 件下发生酯交换反应，目前欧美国家工业化生产生物柴油也主要采用这种方法。采用液 体酸、碱催化剂反应速度快，转化率高，但中和洗涤产品的同时会造成大量的工业废水，造 成环境污染，后处理复杂；用超临界法进行的酯交换反应，反应时间短，转化率可达9 5 以 上，但醇油摩尔比高，反应温度与压力均超过甲醇的临界温度与临界压力，生产工艺对设 备要求高；脂肪酶用于的酯交换反应，产品分离及后处理方便，也无废水产生，但反应时 间较长。此外，脂肪酶的游离化、催化活性低及价格高等问题是生产工艺中的主要问题。 生物柴油与石化柴油的理化性质相似，众多试验1 1 0 1 3 壤明生物柴油在柴油机上的 动力性能与石化柴油相差无几，排放更是优于石化柴油。目前，价格是其推广应用的主 要问题，据统计，生物柴油制备成本的7 5 是原料成本。因此，采用廉价的原料及更安 全、高效的生产工艺是生物柴油产业化的关键，这也是目前国内外研究的热点。 1 4 1 1国际研究状况 1 4 1 1 1 油料来源 目前，生物柴油的来源主要是油料作物，但各国气候条件差异较大，因此各国生产 生物柴油的油料来源也因地制宜，选取有利于本国发展生物柴油的油料作物。现在，国 6 江苏大学硕士学位论文 外用于规模生产生物柴油的原料有大豆( 美国) 、油菜籽( 欧盟) 、棕榈油( 东南亚) 、 动物油脂及废弃食用油( 各国均有) 等。在此外，利用包括花生油、棉籽油、葵花籽油、 食用回收油、蓖麻籽油、油桐油、黄连树油等3 0 余种不同植物油生产的生物柴油也在 内燃机上进行了长期有效的跟踪评价试验，其中棉花籽、食用回收油，价格低廉，取材 广泛，被许多国家视为研究和利用的对象。日本、爱尔兰等国用动植物油下脚料及食用 回收油作原料生产的生物柴油，成本较石化柴油低；新加坡主要是以从马来西亚和印尼 进口的椰子油为原料生产生物柴油；我国台湾已成功地从油麻菜籽中萃取生物柴油，主 要应用于中小型客车；美国、意大利等国正积极研究生物微藻生产生物柴油。目前，美 国科学家利用生物技术诱导出了胶粘萼距花突变体植株油脂可以不经转化直接取代石 化柴油。 1 4 1 1 2 生产工艺 针对目前各种生产生物柴油工艺的技术瓶颈，各国研究的机构也加大了研发力度， 相继推出了新的生产工艺。2 0 0 6 年7 月，美国爱阿华州立大学科技人员利用纳米技术 研制出了一种新型生产生物柴油的催化剂，该催化剂属于混合型催化剂，既有酸性催化 剂又有基本催化剂的特性。试验证明，与目前使用的催化剂相比，该催化剂在效率、工 艺、回收和环保等方面的优势明显。美国可再生能源国家实验室( n r e d 通过现代生物 技术制成“工程微藻”，预计每英亩“工程微藻”每年可生产4 0 - - 1 0 0 桶生物柴油。加 拿大d y n a m o t i v e 技术公司宣布已在鼓泡流化床装置上热解蔗渣生产出优质生物柴油。 由法国石油研究院开发的生产生物柴油的e s t e r f i p h 工艺现已于2 0 0 5 年底投入生 产，该工艺采用多相催化剂两种非金属的尖晶石混合氧化物，它可避免采用均相催 化剂如氢氧化钠或甲醇钠的工艺所需的几个中和、洗涤步骤，且不会产生废物流。此外， 副产物丙三醇的纯度大于9 8 ，远高于采用均相催化剂时丙三醇8 0 的纯度。日本大 阪市立工业研究所成功开发出使用固定化脂酶连续生产生物柴油的工艺，该工艺采用分 段添加甲醇进行反应，在反应温度为3 0 时植物油的转化率可达9 5 ，且脂酶连续使 用1 0 0 天仍不失活。日本关西化学工程公司推出了一种简易费用低的生物柴油生产工 艺，该工艺采用全细胞生物催化剂来用于废植物油的反酯化。该工艺将r h i z o p a so r y z a e 细胞固定在由聚氨酯泡沫制作的生物质支撑多孔颗粒( b s p ) 上，以培养脂肪酶，再添 加0 1 的戊二醛以稳定r h i z o p a so r y z a e 细胞并改进脂肪酶的活性。最后，将废植物油 加入带有固定细胞的3 0 。c 含水培养液中，并分步加入甲酣1 4 ，1 5 】。 7 江苏大学硕士学位论文 目前，加氢裂化方法生产生物柴油的工艺也将投入商业化。投资1 亿欧元，采用纳 斯特公司n e x b t l 加氢裂化生产生物柴油工艺的芬兰n e s t e 石油公司的加氢生物柴油 装置将于2 0 0 7 年投产。 1 4 1 1 3 应用研究 生物柴油作为一种优良的代用燃料，人类一方面在大力研究其原材料和生产工艺， 另一方面也在积极其在发动机上应用特性。 e j i m ，f l e c k 和a m i f f a z l i 【7 】研究了7 种生物柴油在8 0 。c 下的喷雾特性，结果表明， 来源于椰子油的生物柴油b 1 0 0 ( b ：表示生物柴油；0 ：表示生物柴油所占体积百分比，以 下类同) 与硝柴油( 加拿大柴油标准) 具有相似的喷雾特性。其中，来源于棕榈油、大豆 油、棉花油和花生油的b 5 ，b 2 0 ，b 8 0 及b 1 0 0 的喷雾粒径与甜柴油的喷雾粒径差别不 大。s z y b i s t ，s o n g ，m a h a b u b u l 等人【8 】研究了来源于大豆油的生物柴油的喷雾和排放特 性，结果表明生物柴油有与普通柴油相似的喷雾特性和较好的排放特性，但采用泵管嘴 喷油系统时n o x 的排放会有所升高。m a n a k c i 9 研究了来源于大豆油的生物柴油的燃烧 和排放特性，结果表明，生物柴 泔t ( b 1 0 0 ) h c ，p m ，c o 的排放明显低于勰柴油( 土耳其 柴油标准) ，但n o x 的排放升高了1 1 2 ，油耗增加了1 3 8 。 1 4 1 2 国内研究状况 目前，国内一方面在开发各种含油量较高的油料作物，一方面在积极研究更先进生 物柴油的生产工艺。同时，国家在能源政策上对生物柴油的开发及应用进行大力扶持， 国内生物柴油的工厂蓬勃发展。 在生物柴油生产工艺上国内各大院校研究所进行了卓有成效的研究开发，取得了不 少的成就，推动了我国生物柴油的推广及应用。张红云等人【1 6 】利用乙二醇乙醚和精制大 豆油合成出一种新型生物柴油乙二醇乙醚豆油单酯，试验结果表明，这种新型生物柴