发动机燃用生物柴油燃料的试验研究

1、摘 要面临激烈的国际竞争，我国发展到了一个关键时期，迫切需要探索新的发展途径。同时开发生物质能源是解决全球能源危机的方向之一，当前世界各国对生物质能的研发非常重视。其中重要的一项分支就是以油料作物等可再生资源为原料制成的生物柴油。由于生物柴油是一种可替代石化柴油的清洁安全的新型燃料，具有优良的环保特性和可再生性，属理想的“绿色能源”，因而在能源危机的今天备受重视。选择油料产业与能源产业的交叉领域生物质能特别是生物柴油为契合点，研究油菜生产与生物柴油发展，不仅为解决能源危机提供了新的视角，而且对于保障能源安全、保护生态环境、促进农业和制造业发展、提高农民收入等都具有重要的战略意义。论文主要研究了

2、生物柴油的燃烧特性，和与柴油混合燃烧的特性。本研究选择了乌桕籽来作为生物柴油的原料，并且自制了此类生物柴油用于试验研究。通过试验得到不同燃料的燃烧时的气缸内压力和排放数据，进行分析，从而得到不同燃料的燃烧特性以及排放特性，为生物柴油的使用，以及减少排放等分析提供试验依据。本文特色在于试验的数据很丰富，采用了多工况，多种燃料进行试验，因此可对比方面很多，为后来者提供试验依据起到很好的作用。并且自制生物柴油，对于拓展生物柴油的来源，鼓舞大家一起研究新的来源提供的依据。也体现了克服困难坚持科研的精神。关键词：生物柴油；柴油机；气缸内压力；排放。AbstractFacing the fierce in

3、ternational competition, our country has developed into a key period, and we need to explore the new approach to develop the oil industry urgent. It is one of the orientations of solving the global energy crisis to develop the biomass energy; the countries all over the world pay much more attention

4、to the research and development of biomass energy at present. One of important branches is the biodiesel oil made by the renewable resources as raw materials, such as oil crops, etc. , it is a kind of new-type fuel with safe cleanness that can substitute the petrochemical industry diesel oil , becau

5、se it has fine environmental protection characteristic and renewable , belongs to the ideal ” green energy ” . The ones that choose to research the biomass energy of fields , especially biological diesel oil, which crossed the fields of the oil industry and the energy industry, study on the rape pro

6、duction and development of biodiesel, has an important strategic meanings for the energy security, the ecological environment protection, promoting agriculture and manufacturing industry development, raising peasants income, etc.The thesis studied the combustion characteristics of 100% biodiesel and

7、 biodiesel mixed with diesel. In the study, the biodiesel of Chinese tallow tree seeds are self-made bio-diesel for the experimental study. According to the experiments, we can receive the date of cylinder pressure and emission from burning different types of fuels, and then analysis of the date , w

8、e can get the combustion characteristics, as well as emission characteristics of the different types of fuels. The purpose is to provide experimental basis for the using of bio-diesel and reducing emissions, etc. .In the thesis it is the feature that the data of the experiment is very rich, using mu

9、ltiple status of working conditions and a variety of fuels , so it can be compared in many aspects and play a good role for the later as a major experimental basis. Making bio-diesel by oneself can be a basis for expanding the sources of biodiesel and encouraging everyone to study new sources. It al

10、so reflects the spirit of overcoming difficulties and adhering to scientific research.Key words: bio-diesel ;diesel engine ;cylinder pressure ; emission.目录摘 要IAbstractII一 绪论11.1生物柴油概述11.1.1 生物能源与生物柴油11.1.2生物柴油与柴油相比的优缺点21.2 国外生物柴油的研究和应用状况31.2.1研究和生产31.2.2 生物柴油的竞争力不断提高61.2.3 政府对生物柴油的扶植政策71.2.4 生物柴油的应用

11、和销售71.3 国内发展生物柴油的背景91.3.1 能源发展的战略背景与挑战:91.3.2 石油成为能源安全的焦点101.3.3 生物柴油的发展111.4 乌桕研究现状11二 生物柴油的制取132.1制取原理132.2生物柴油的制取工艺162.2.1试验方法：固相碱催化法30162.2.2大量制取试验改良17三 试验装置以及测量仪器183.1装置示意图183.2试验测功机、电动机和发动机主要参数183.3测量控制仪器203.3.1控制装置203.3.2测量传感器203.4试验数据采集213.4.1试验台架改进和故障排除213.4.2 测量记录21四 发动机燃用生物柴油特性研究244.1放热率计

12、算原理244.1.1放热率计算基本理论244.1.2内能25（1）缸内某瞬时工质摩尔质量的变化25（2）内能的计算254.1.3 功264.1.4气缸周壁的传热264.2 柴油燃烧数据分析274.3 生物柴油燃烧数据分析314.3.1 缸压分析314.3.2 放热率分析344.3.3 排放分析374.4本章小结39五 全文工作总结和工作展望415.1总结415.2不足与展望42致谢43参考文献44 IV 一 绪论1.1生物柴油概述1.1.1 生物能源与生物柴油生物质能是蕴藏在生物质中的能量，是绿色植物通过叶绿素将太阳能转化为化学能而贮存在生物质内部的能量。煤、石油和天然气等化石能源也是由生物质

13、能转变而来的。生物质能是可再生能源，通常包括以下几个方面:一是木材及森林工业废弃物;二是农业废弃物;三是水生植物;四是油料植物:五是城市和工业有机废弃物;六是动物粪便。在世界能耗中，生物质能约占14%，在不发达地区占60%以上。全世界约25亿人的生活能源的90%以上是生物质能。生物质能的优点是燃烧容易，污染少，灰分较低;缺点是热值及热效率低，体积大而不易运输。直接燃烧生物质的热效率仅为10%30%。目前世界各国正逐步采用如下方法利用生物质能:1.利用油料植物生产出的生物柴油;2.生物化学转换法，主要指生物质在微生物的发酵作用下，生成沼气、酒精等能源产品;3.热化学转换法，获得木炭、焦油和可燃气

14、体等品位高的能源产品，该方法又按其热加工的方法不同，分为高温干馏、热解、生物质液化等方法;4.把生物质压制成成型状燃料(如块型、棒型燃料)，以便集中利用和提高热效率。利用油料植物来生产生物柴油是生物质能利用的一个重要领域。生物柴油(Biodiesel)又称脂肪酸甲酷(Fatty Acid Ester)是以植物果实、种子、植物导管乳汁或动物脂肪油、废弃的食用油等作原料，与醇类(甲醇、乙醇)经酷化反应(Transesterification Reaction)获得，即是利用动植物油脂为原料，经反应改性成为可供内燃机使用的一种燃料.生物柴油这一概念最早由德国工程师Dr. Rudolf Diesel(

15、1858-1913)于1895年提出，在1900年巴黎博览会上，Dr. Rudolf Diesel展示了使用花生油作嫩料的发动机。到20世纪90年代，随着环境保护和石油资源枯竭两大难题越来越被关注，开发新的液体能源己成为保障石油供应安全的国家战略举措，生物柴油再次成为解决能源危机及环境污染最热门的研究课题，引起西方先进国家的高度重视。 生物柴油最先是由德国聂尔公司在1988年用菜籽油生产诞生的，目前油菜仍在国际生物柴油生产中占统治地位，这归因于欧洲是世界生物柴油的主要生产地，而油菜又是欧洲生物柴油的主要原料。当前欧洲地区生物柴油8M以上是用油菜生产的，而法国和德国生产的油菜籽分别就有27%和4

16、0%用于生产生物柴油.在世界油料作物中，无论是面积，还是总产量，油菜都仅次于大豆，位居第二。据报道，一些优良油菜品种其种子含油量可超过50% (Wolfgang &Wilfriedl,1998)，但总体来说，世界油菜籽平均含油量在40%左右，另含约40%蛋白。1000kg油菜籽除了可生产出400kg菜籽油外，还可得到600kg菜籽粕用作饲料(Kinast.2003)。中国油菜种植面积和总产量均位居世界第一，但国内油菜单产仍低于世界平均水平，品种含油量偏低。随着科技进步，生物柴油为我国油菜产业的发展提供了更为宽广的舞台。1.1.2生物柴油与柴油相比的优缺点生物柴油以其优异的环保性能可很容易达到“

17、世界嫩油规范”的柴油II.m类标准要求。生物柴油尤其能减少二氧化碳、颗粒物、硫化物和未嫌烧的碳氢化合物的排放，可缩短二氧化碳生命周期78，比普通柴油减少空气中75%-90%的致癌毒素。表1.1为德国凯姆瑞亚斯凯特公司开发生产的生物柴油与普通柴油的主要性能比较.生物柴油在冷滤点、闪点、嫩烧功效、含硫盆、含氧里、嫌烧耗氧量及对水源等环境的友好程度上优于普通柴油，而其他指标与普通柴油相当。生物柴油的优点在于 1-5:1.十六烷值较高，大于49(石化柴油为45)，抗爆性能优于石化柴油。2.生物柴油含氧量高于石化柴油，可达11%，在燃烧过程中所需的氧气量较石化柴油少，燃烧、点火性能优于石化柴油。3.无毒

18、性，系可再生能源，而且生化分解性良好，健康环保性能良好。除了供公交车、卡车等柴油机的替代燃料外，又可供为海洋运输、水域动力设备、地底矿业设备、燃油发电厂等非道路用柴油机的替代燃料。4.不含芳香族烃类成份而不具致癌性，并不含硫、铅、卤素等有害物质6 。5.黑烟、碳氢化物、微粒子以及S02(二氧化硫)、CO(一氧化碳)排放量少。6.生物柴油具有较高的运动粘度，在不影响燃油雾化的情况下，更容易在汽缸内壁形成一层油膜，从而提高运动机件的润滑性，降低机件磨损。7.无须改动柴油机，可直接添加使用，同时无需另添设加油设备、储存设备、及人员的特殊技术训练，(通常的替代燃料均须修改引擎才能使用)。8.生物柴油的

19、闪点较石化柴油高，有利于安全运输、储存。9.既可作为添加剂促进燃烧效果，其本身即为燃料，而具有双重效果。10.不含石蜡，低温流动性好，适用区域广泛。11.生物柴油以一定比例与石化柴油调和使用，可以降低油耗、提高动力性。1.2 国外生物柴油的研究和应用状况1.2.1研究和生产生物柴油的研究最早是从20世纪70代开始的。美国、法国、意大利等相继成立了专门的生物柴油研究机构，投入大量的人力物力。到了20世纪90年代，随着环境保护和石油资源枯竭两大难题越来越被关注，尤其在美国，生物柴油已成为新能源研制和开发的热点，引起西方先进国家的高度重视。政府通过政策优惠手段，使生物柴油迅速成为新经济产业的亮点。各

20、国生物柴油在近十几年发展很快， 1996年世界生物柴油的总生产能力为126.3万t, 2001年世界生物柴油总产量达到210万t, 2003年世界生物柴油总产量突破300万t。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1991年奥地利国家标准局颁布了世界上第一个生物柴油标准(ONC1191)以来，许多国家根据自己的实际情况相继制定了各自的生物柴油标准，见表1.2、表1.3生产和推广应用生物柴油的优越性是显而易见的:(1)原料易得且价廉。用油菜籽和甲醉为生产原料，可以从根本上摆脱对石油制取嫩油的依赖。(2)有利于土壤优化。种植油菜可与其他作物轮种，改善土壤状况，

21、调整平衡土坡养分，挖掘土壤增产潜力。(3)副产品具有经济价值。生产过程中产生的甘油、油酸、卵磷脂等一些副产品市场前景较好。(4)环保效益显著。生物柴油燃烧时不排放二氧化硫，排出的有害气体比石油柴油减少70%左右，且可获得充分降解，有利于生态环境保护。此外生物柴油由于竞争力不断提高、政府的扶持和世界范围内汽车车型柴油化的趋势加快而前景更加广阔。1.2.2 生物柴油的竞争力不断提高从世界范围来看，目前世界上含硫原油(含硫量0.5%2.0%)和高硫原油(含硫量在2.0%以上)的产量已占世界原油总产量的75%以上，其中含硫量在1%以上的原油占世界原油总产量的55%以上，含硫量在2%以上的原油也占30%

22、以上。目前世界炼油厂加工的原油平均相对密度是0.8514，平均含硫量是0.9%;在2000年以后，平均相对密度将上升到0.8633，含硫量将上升到1.6%。炼油厂要在现有基础上，使柴油含硫量低、有良好的安定性及润滑性、较高的十六烷值和清洁性，必须在装置调整上投入大量资金，并由此带来油品生产成本的提高，在这方面，各发达国家的炼厂均投入了重金。从美国的情况看，美国从20世纪90年代初启动油品清洁化，已累计投入了300多亿美元。由此造成的油品成本提高使目前美国炼厂吨毛利仅在每桶1美元左右，维持微利状态，有的企业甚至亏损;从欧洲的情况来说，欧洲炼油厂要达到2000年欧盟燃油规格，估计需要投资200亿3

23、00亿美元。欧洲石油工业协会估计的投资更高，该组织认为要达到2000年和2005年的柴油规格，需要投资440亿-500亿美元。随着生物柴油生产工艺的改进，使用生物柴油的发动机即可使用普通柴油的发动机(对有些机型仅需换密封圈和滤芯)，无需作任何改动，生物柴油可与普通柴油在油箱中以任何比例相混，并对驾驶动力无任何影响，驾驶者根本无法区分两者的驾驶动力差别。加之柴油替代燃料所用原料随着规模种植价格日趋低廉，使柴油替代燃料的生产成本逐步下降，与常规柴油的价格正在缩小，如美国生物柴油的价格已从每升1.06美元降到0.33-0.59美元，这个价格与普通柴油的价格差不多。1.2.3 政府对生物柴油的扶植政策

24、目前许多国家如美国、德国、法国、丹麦、意大利、爱尔兰和西班牙等对生物柴油采取了相应的扶持政策.为了进一步鼓励使用生物柴油，美国农业部决定每年拿出1.5亿美元补贴生物柴油等生物燃料的使用，目前美国至少有5个州正在考虑制订税收鼓励政策。目前在欧洲生产生物柴油可享受到政府的税收政策优惠，其零售价低于普通柴油(如在德国加油站生物柴油的零售价格目前为约1.45马克/L，而柴油为1.60马克/L。据Frost & Sullivan企业咨询公司最新发表的“欧盟生物柴油市场”报告，为实现“京都协议”规定的目标(在2008-2012年，欧盟将减少二氧化碳排放量8%)，欧盟即将出台鼓励开发和使用生物柴油的新规定，

25、如对生物柴油免征增值税7，规定机动车使用生物动力燃料占动力燃料营业总额的最低份额。新规定的出台不仅有助于欧盟生物柴油市场的稳定，而且生物柴油营业额将从2000年的5.035亿美元猛增至24亿美元，平均年增25%. 在欧洲，1999年新购柴油轿车比例约为30%，法国甚至达到48%. 2000年，欧洲市场上柴油轿车的销售量达到440万辆，比1995年翻了一倍。现在经济型轿车主要生产厂商如大众、雷诺、欧宝和福特的顾客中，几乎有一半需要柴油车。目前，在欧洲轿车市场上，新型柴油轿车购买率达30%，专家预言:到2006年，欧洲每2辆新车中就有1辆是柴油车。在美国市场上，商用车(即我国所称的卡车、客车)的9

26、0%为柴油车;在日本，将近10%的轿车是柴油轿车，38%的商用车为柴油车。美国、日本及欧洲的重型汽车全部使用柴油机为动力。汽车车型柴油化趋势的加快主要是由于现代柴油机采用了电控发动机控制系统、高压燃油直喷式燃烧系统以及废气排放控制装置，已完全克服了传统柴油机的缺点，能够满足现行的国际排放标准，而这些装置和技术要求柴油含硫量低，有良好的安定性及润滑性，较高的十六烷值和清净性等.随着现代柴油机使用生物柴油燃料技术的成熟，目前在世界范围内出现的这种汽车车型柴油化趋势会进一步加快.据专家预测，在2010年以前，柴油需求年均增长3.3%，到2010年，世界柴油的需求量将从目前的38%增加到45%。而世界

27、范围内柴油的供应量严重不足，给生物柴油留下广阔的发展空间。1.2.4 生物柴油的应用和销售在德国，出售生物柴油的公共加油站超过1500个，占总t的1/10。生物柴油己成为德国第1个全国销售的替代嫌料。在奥地利，有100多个公共加油站出售生物柴油，通过公共加油站网，生物柴油的市场将会不断扩大.AGQM的研究表明，大约”%的生物柴油是通过公共加油站销售的，65%的生物柴油卖给了大客户群或运输车队、出租汽车公司等。2001年共计销售生物柴油约45万t.2002年增加T约10万to按照欧盟支持非限制性货物贸易的内部市场规则，德国生物柴油生产商和批发销售公司可以作为生物柴油的出口商。但是，如果没有汽车制

28、造商的合作，生物柴油要大规模进入市场是不可能的。德国已核准250-300万辆汽车使用生物柴油，是生物柴油产业的“客户储备”。生物柴油使用最多的是欧洲，份额己占到成品油市场的59/0。目前在欧洲用于生产生物柴油的原料主要为菜籽油，因此，生物柴油标准也主要是参照菜籽油的生物柴油标准品质制订的。目前在欧洲生产生物柴油可享受到政府的税收政策优惠，其零售价低于普通柴油。此外，政府对生物柴油的销售也提出了要求，如德国规定在主要交通要道只准销售生物柴油(如在跨国高速公路设置的加油站。在美国，生物柴油的市场化主要集中在环保的敏感部门，约有350个部门车辆正式使用生物柴油，包括美国军队、公园服务、公共设施公司、

29、学校和市政当局等。一般说，B100生物柴油主要用在一些公园等娱乐场所，B20生物柴油主要用在美国军事部门。B2或B5生物柴油作为柴油机的补充嫩料，主要是利用生物柴油良好的润滑性能，用生物柴油替代部分进口石油。运输公司是生物柴油主要用户。一家环旧金山运输公司的卡车使用B100生物柴油，绝大多数的运输公司使用B20生物柴油。为了进一步鼓励使用生物柴油，美国农业部(DOA)决定每年拿出1.5亿美元补贴生物柴油等生物燃料，以支持生物柴油的应用。按柴油价格每升22美分，而B20生物柴油每升18.9美分计算，美国会车辆2002财年消耗173万L柴油燃料，花费38.33万美元，而同样数额的B20生物柴油却只

30、需32.68万美元，相当于降低了14.7%的燃料成本。美国海军于2003年10月开始利用废弃餐饮油加工生产洁净的生物柴油，供柴油车辆使用。目前，美国陆军、海军、空军和海军陆战队遍布国内的基地、兵站均使用B20生物柴油。生物柴油还可能用于海外执行任务的部队，利用便携式生物柴油加工设备就地生产自用生物柴油燃料，既可以解决海军基地废物处理问题，又能提供清洁战备燃料。1.3 国内发展生物柴油的背景1.3.1 能源发展的战略背景与挑战: 进入新世纪以后，中国的经济社会发展进入了全面建设小康社会的新阶段。进入此发展阶段以后，我国的经济社会发展表现出了明显的阶段性特征。1、消费结构快速升级。GDP达到人均1

31、000美元以后，消费需求出现多元化趋势，整个社会的消费结构开始快速升级，要求进一步提高生活水平而且开始要求提高生活质量。突出的表现就是居民消费结构由衣食占较大比重向住行比重提高进行升级和转变，居民个人开始成为住宅、汽车等高增长行业的最终消费主体。消费结构的升级会促进产业结构升级，为一个较长时期保持快速增长提供了内在动力而持续快速的经济增长客观上就要求能源发展提供支撑:同时消费结构的升级、消费选择的多元化、消费需求的扩大，对能源的消费结构、消费内容、消费方式、消费需求等也必然发生深刻的影响，提出了更高的要求.2、重化工业比重增长。进入新世纪以后，我国的工业化进入中期发展阶段。在工业增长中，能源、

32、交通和通信设施的建设加快，电力、钢铁、机械设备、汽车、造船、化工、电子、建材等产业的份额提升，重化工业在工业增加值中的比重“十五”期间都超过60%.重化工业比重增长，能源约束的矛盾会更加突出。在上世纪一百年中，占世界人口15%的国家先后实现了工业化，但却消耗了世界80%的能源。在新世纪的一百年，另外85%人口的国家有相当一部分，包括中国、印度也要陆续完成工业化的任务，推进工业化必然面临着能源支撑的挑战。经济社会发展中能源需求的扩大，对节约使用能源、提高能源效率、增加能源供给、调整能源结构等一系列方面，都必然提出新的、更高的要求。3、城镇化加速推进.我国解放初城镇化水平为10.6%. 2001年

33、为36%. 50年中城镇化水平平均每年提高0.5个百分点。进入新世纪以后，我国的城镇化加速发展，城镇化率2001年为37.7%, 2002年为39.1%, 2003年达到40.53%,2004年为41.8%, 2005年超过43，平均每年提高1.4个百分点左右。在城镇化的快速推进中，城镇规模不断扩大，城市基础设施建设必然加快，城镇人口必然迅速增长，而城镇的能源消费大大高于农村，城市基础设施建设需要能源支撑，城镇人口能源耗费数倍于农村人口。城镇化的加速推进，对能源需求与供给、消费与生产、数量与结构等必然产生重要的影响，需要认真应对这一过程中所出现的矛盾。4、生态环境开始转型。在消费结构快速升级、

34、重化工业比重提升和城镇化加速推进的同时，我国的生态环境也在实际上开始转型。从我国经济社会发展的实际情况来看，新中国建国以来，或者改革开放以来，由于种种主观的和客观的原因，我国实际上仍然延续了“先污染、后治理”的发展路子，充其量是“边污染、边治理”。所以，在进入新世纪之际，我国生态环境的总体形势是“局部改善、总体恶化”8。在新世纪的发展中，这种“局部改善、总体恶化”的趋势先要控制，然后是扭转，之后要转向良性发展的轨道。而生态环境的转型与能源发展有着十分密切的关系，使能源发展与生态环境转型相适应，能源发展与整个国家的可持续发展相协调，显然是新阶段实现生态环境转型的一个必然要求。经过新中国建国50多

35、年、改革开放20多年的发展，中国已经成为能源大国。就能源储藏而言，我国是一个国土面积辽阔的大国，常规能源总量资源储量较为丰富，水能资源居世界第一，探明原煤储量居世界第三，探明天然气和原油储量居世界第十位左右，可以说是能源总量资源储藏大国;就能源生产而言，2004年中国一次能源生产量达到18.45亿吨标准煤，是世界上第一大能源生产国;就能源消费而言，2004年中国能源消费总量19.7亿吨标准煤，是世界上第一大能源消费国。但是，在全面建设小康社会的过程中，特别是面向“十一五”及2020年，能源发展仍存在着许多深层次的问题，有些矛盾在新的形势下显得更加突出。主要表现为能源发展面临四大压力:能源供应的

36、压力，能源需求的压力，能源节约的压力和能源环保的压力 9。1.3.2 石油成为能源安全的焦点2007年11月，受供应忧虑和美元走软等因素刺激，NYMEX原油期货盘中冲破98美金大关，再创历史新高。有分析家指出，如果美国军事打击伊朗，世界原油价格将突破100美元;如果霍尔木兹海峡因战争被封锁，油价有可能突破150美元。摩根斯坦利首席经济学家斯蒂芬罗奇已替告“全球化时代第一次石油冲击的到来对中国经济冲击更大”。据中国商务部统计，2006年中国石油对外依存度已达47%，进口部分的60%来自海湾地区10。目前伊朗和沙特是我国最大的两个石油来源国，一旦开战，我国石油进口将大幅减少。据美国世界安全研究所的

37、分析，如果中国减少60%的石油进口，GDP将猛降5.4%-8%。更为严重的是，油价猛涨可能导致输入性通货膨胀，波及我国的整个价格体系。同时，还将降低就业水平、缩小贸易顺差、引发股票市场的暴跌，降低我国经济的总体竞争力。由此可见，如果美国军事打击伊朗，中国极有可能遭受严重的“池鱼之殃”。1.3.3 生物柴油的发展近年来，我国已着手开展生物柴油的试验性研究开发工作，国家863等计划也已经开展了生物柴油的应用性研究，同时在生物柴油产业化方面取得了突破。国利用菜籽油、大豆油、米糠油脚料、小桐籽油等作原料，已成功研制经酷交换反应生产生物柴油的生产工艺11。根据2007年8月颁布的可再生能源中长期发展规划

38、(2008一2020)，近期重点发展以小桐籽、黄连木、油桐等油料作物为原料的生物柴油生产技术，逐步建立餐饮等行业的废油回收体系。从长远考虑，要积极发展以纤维素生物质为原料的生物液体燃料技术。在2011年前，重点在四川、贵州、云南等地建设若干个以小桐籽、黄连木、油桐等油料作物为原料的生物柴油试点项目。到2011年，生物柴油年利用量达到20万吨。到2020年，生物柴油年利用量达到200万吨。此外，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企业相继开发出拥有自主知识产权的生产技术，并相继建成年产超过一万吨的生产厂，在海南等地还建成了生物柴油的加油站。国内己有生物柴油生产企业

39、300多家12，除前述少数几家发展状况较好的生产企业外，大部分生物柴油生产企业生产规模不大，产品质量参差不齐。为了促进国内生物柴油产业的健康发展，在2007年1月5日批准了GB/T20828一2007柴油机燃料调合用生物柴油(BD100)国家标准，并于2007年5月1日正式实施。同时为了扩展生物柴油在车用和非道路柴油机方面的应用，关于B5、B10和BZO(体积混合比为5%、10%和20%生物柴油调和油)的标准也在紧张的制定当中。(以后章节出现BXXXX表示棍合燃料中生物柴油的体积百分数，不再特别说明。)在规范生物柴油产品标准之后13，生物柴油可以顺利进入国内市场，更好地为中国的节能减排服务。做

40、好生物柴油燃料资源的开发，配合国家相关的财税政策，国内的生物柴油产业必然能够健康可持续发展14。1.4 乌桕研究现状乌柏Sapium sebiferum(L.) Roxb.，又名蜡子树、木油树，大戟科乌柏属，落叶乔木，在我国又有一千多年的栽培历史，古代农书齐民要术和农政全书中均有栽培和利用的记载。乌扣是一种很好的生物质，其种子含油量高，出油率高达40%，为我国四大木本油料植物(乌柏、油茶、油桐和核桃)之一。乌柏全身是宝，仅从其种子中提取得来的乌柏油(乌柏油包括存在于乌柏种子外壳的蜡质油脂，简称乌柏皮油或柏脂，和存在于种子壳内的液体油脂，简称一乌柏梓油或柏油)可用作食用油源、工业油源，又可作为动

41、力油源，是一种取之不尽的可再生油源(霍光华，2005)。乌柏产于我国秦岭、淮河流域以南，东至台湾，南至海南岛，西至四川中部海拔IOO0m以下，西南至贵州、云南等地海拔2000m以下，主要栽培区在长江流域以南浙江、湖北、四川、贵州、安徽、云南、江西、福建等省。贵州有着丰富的乌柏资源，在铜仁沿河乌柏有着四宝之，的美誉。贵州省也有对资源优势的乌柏脂的研究。大力种植乌柏油料作物，发展成为生物能源供应地，对解决“二农”问题有重大的意义。对其开发应用具有深远的经济效益和社会效益。表1.4 为乌桕籽生物柴油与我国0#柴油标准的物性对比34。表1.4 产品质量指标及其与我国0#柴油标准比较序号检测项目检测依据

42、检测结果0#柴油标准1氧化安定性EN14112:20030.82.52硫含量 %（m/m）GB/T17040-2008未检出0.23酸值 mg KOH/gGB/T264-19910.14674运动粘度 20GB/T265-19885.6313.08.0510%增余物残炭 %（m/m）GB/T268-19874.420.36水分 %（m/m）GB/T260-1977痕迹痕迹7铜片腐蚀（50，3h），级GB/T5096-19851a18冷滤点 SH/T0248-1992-1149闪电 GB/T261-2008100.55510十六烷值GB/T386-199140.24511馏程：90%回收温度 G

43、B/T33636512密度（20）g/m3GB/T0.8890.80.9二 生物柴油的制取2.1制取原理酯交换法是目前工业生产生物柴油的主要方法15,16。用动物和植物油脂和甲醇或乙醇等低碳醇在酸性或碱性催化剂和高温(230250)下进行转酯化反应，生成相应的脂肪酸甲酯或乙酯，再经洗涤干燥即得生物柴油，副产品是甘油。其中最为常用的醇是甲醇，这是由于甲醇的价格较低，同时其碳链短、极性强，能够很快地与脂肪酸甘油酯发生反应，且碱性催化剂易溶于甲醇。甲醇越多产率越高，但也会给分离带来困难。该反应可用酸、碱或酶作为催化剂。其中酸性催化剂常用的是硫酸、磷酸或盐酸，碱性催化剂包括NaOH、KOH等。图2.1

44、举例说明了将天然油脂转化为生物柴油的酯交换反应的过程17-20 图2.1 植物油与甲醇和催化剂KOH的酯交换反应的化学方程式从图中，我们可以看到，经过酯交换反应后，一个植物油的分子被分成了三个单独的脂肪酸甲酯（或乙酯），这就是我们所称的生物柴油，酯交换反应将碳链长度减少为原来的 1/3，从而大大降低了燃料的粘度，增加了流动性，并保持天然油脂的热值。同时也生成了副产物丙三醇（甘油），甘油是粘度很高的物质, 而粘度过高的物质燃烧会发生喷嘴堵塞等问题, 所以甘油不适于作为替代燃料使用，需要在酯交换反应后分离出去。生物柴油制备主流程21,22,23如图 2.2 所示，甘油回收及废水处理流程如图 2.3

45、 所示24,25,26。原料油或废油脂经预处理除去杂质和游离酸，并除去水分，然后在催化剂作用下与甲醇发生酯交换反应。反应前，酯在上层，醇在下层；反应结束后进行分层，上层为粗制甲酯，下层为甘油。粗制甲酯经蒸洗干燥精制即得脂肪酸甲酯。甘油回收流程和废水处理流程见图 2.3，在下层的甘油中加入酸，以中和残余的催化剂，并蒸馏回收甲醇，得到粗甘油，粗甘油再经蒸馏便能获得纯甘油。将反应过程中产生的废水内的甲醇和催化剂除去，就可得到未经酯交换反应的油脂，这些油脂也可作为燃料油使用。图2.2 生物柴油制备主流程图图2.3 甘油回收及废水处理主流程图生物柴油的制备工艺27:图 5-1 生物柴油工艺流程图Fig.

46、5-1 Process of the bio-diesel production1. 甲醇罐 5. 生物柴油纯化装置 9. 甘油脱色装置2. 生物柴油反应器 6. 生物柴油储罐 10. 树脂精制系统3. 生物柴油储罐 7. 废水处理系统 11. 真空脱水装置4. 甲醇精馏回收系统 8. 甘油罐 利用乌桕油制备生物柴油的方法主要采用酯交换反应将粘度高的原油经过酯基转移作用转化成低粘度的脂肪酸酯28,29。酯交换反应的方法包括：均相酸催化法、均相碱催化法、酶催化法、超临界酯交换法、固相酸催化法、固相碱催化法等。每种方法各有其优缺点：(1) 均相碱催化法，生产设备及工艺简单、技术成熟，是目前工业化使

47、用的主要方法，但是容易产生“三废”问题，与生物柴油的环保特征相违背；(2) 均相、固相酸催化法由于反应过程所需时间长，会导致能耗过大，因此只能特定用于游离脂肪酸含量高的原料中；(3) 酶催化法的反应条件温和，但是酶的价格高并且在反应过程中催化剂容易失效；(4) 超临界法反应速度快，时间短，但是反应设备，工艺条件均要求高，不易实现。总之，在生产生物柴油的酯交换反应的催化方法及其工艺中，催化剂的种类、催化剂的用量、反应时间、温度、原料配比都起着重要的作用。该项目以小油桐种子为原料生产生物柴油，采用固相催化剂工艺一次转化，其一次转化率 98，试制产品经德国国家权威检测机构测试，数据表明其性能基本达到

48、欧 3 标准，国内重庆、深圳、广州三大测试中心测试报告也表明产品性能达到和超过国家 0柴油相关指标标准。另外，在生物柴油生产过程中重要的副产品是甘油，既可以用作工业甘油销售，也可以在工厂增加一个精制装置，经深加工后成为医药用甘油产品， 提高其附加价值，降低生物柴油的生产成本。2.2生物柴油的制取工艺2.2.1试验方法：固相碱催化法30试验物品：2L的锥形瓶、电子称、100ml或200ml的量筒、分液漏斗、气相色谱分析仪、pH试纸等步骤：1.将两升锥形瓶洗净、烘干后依次加入1kg的食用油、mol比为1/4的甲醇（大约为200ml）、质量比为1/100的KOH（约10g）。具体步骤：（1）.加入油

49、时，将锥形瓶放在电子称上，清零；再缓慢加入油，直到需要的重量即可。（2）.加入甲醇时，要带一次性手套，且在抽风橱中进行，将抽风橱开到抽风，用量筒量取。施用量筒前，要清洗量筒，先水洗再用甲醇润洗三遍以上。（3）.称量KOH时，去药品要对应橱窗上的编号取用，用完按编号放好。称量时，先放上称量纸，再清零，用擦拭干净的药勺加入KOH，直至所需。2.用薄膜盖住锥形瓶口，用皮筋封住。3.将锥形瓶放入仪器中震荡。仪器设定为温度60度、 转速200n/min、时间3小时以上。4.三小时以后，取出锥形瓶，放置一段时间后瓶内液体分层，上层为我们所需的生物柴油，下层为甘油。用分液漏斗将下层的甘油放掉取出生物柴油。5

50、.将生物柴油放入沸水中清洗，用玻璃棒搅拌三到五分钟后，用分液漏斗将水放掉，并测量生物柴油的PH值。6.重复五的操作，直到生物柴油的PH值到7附近时停止清洗。7.将生物柴油放入烘干机中烘干。8.用气相色谱分析仪分析成分。2.2.2大量制取试验改良由于仪器的限制，不能一次大量制取故采取一些改良措施进行制备。1. 从协同效率入手可以使用三个容器将混合、清洗、烘干工序分开进行。假设三个容器分别命名为A、B、C，则：A：存放混合震荡后反应结束了经过分液漏斗分液后的生物柴油；B：存放经清洗后需要烘干的生物柴油；C：存放已经烘干制取好的生物柴油。如此三个流程不会干扰。反应时间，烘干时间和清洗时间可以适当不会

51、干扰，将耗时较长的反应和烘干独立出来，方便安排工作时间以及减轻工作压力，提高协同合作的效率。 2. 从硬件条件入手(1)锥形瓶要多，因为我们可以一次放入多个锥形瓶到震荡仪中。(2)保证热水的不断提供，如采用单独仪器烧水，增加清洗速度。(3)增加烘干机的数量，或增加烘干的温度，前提是安全可靠。3. 从反映原理入手查找文献结合试验发现，反应时间不需要三小时，当1.小时左右，反映基本就结束了，所以可以缩短反映时间，提高制油效率。三 试验装置以及测量仪器3.1装置示意图单缸机直喷柴油机试验装置如图3.1所示。包括一个用来给发动机加载和控制转速的电涡流测功机，测功机一边通过万向节与发动机相连，另一边用轴

52、与电动机相连；用于测倒托以及启动的电动机；一台测量废气中CO、HC、NOx、CO2、O2等排放的排气分析仪；为测量发动机工作是否稳定，在冷却水管上装了水温传感器测量冷却水温度；测量发动机转数的转速传感器；为测量排气温度，在排气管内装了一支排温传感器；流量计用于测量燃油消耗量；测量气缸压力的缸压传感器；采集排温、水温、转速及缸压数据的采集箱；控制发动机和测功机的控制台。图3.1试验装置示意图3.2试验测功机、电动机和发动机主要参数试验的测功机是PowerLink.普联GW电涡流测功机，由长沙湘仪动力测试仪器有限公司自造，主要作用是给发动机提供一个负荷，模拟发动机带不同负载下的工况。试验电动机是由

53、南京中科机电有限公司生产的变频调速电动机，用于倒托试验，测量机械损失、摩擦阻力等，也可以对上止点信号校对。没有启动电机是也可用来启动发动机。表3.1 变频调速电动机主要技术参数南京中科机电有限公司 变频调速电动机型号 YVF 160L-4额定转矩 95.5N.M接法 Y额定电压 380V额定功率 50HzF级绝缘IP54标称功率 15KW恒转速调频范围 2-50Hz标称电流 30A恒功率调频范围 50-100Hz编号505812010年5月重量130kg试验发动机为DLH1105单缸柴油发动机，其主要技术参数见表3.2：表3.2 DLH1105单缸柴油发动机主要技术参数发动机机型单缸、四冲程、

54、水冷、直喷缸径/行程/排量105mm/115mm/1.188L连杆长度/余隙高度1900.3mm/16.25mm压缩比18标定功率/标定转速12.1KW/2300r/min喷油提前角-25CA BTDC喷孔数5喷孔直径2.8mm3.3测量控制仪器试验主要的控制仪器就是PC2000发动机自动测控系统，主要的测量仪器是NI的数据采集卡和各种传感器，水温以及排温则是由两个仪表单独显示。3.3.1控制装置PC2000发动机自动测控系统（如图3.2）在设计过程中才用了国际最流行的单片机技术、现场中线技术和模块化技术，并将国际先进技术在发动机自动测控领域的成功经验与国内的实际情况相结合而精心设计的大型测控

55、系统，该系统主要用于各种类型的柴油机、汽油机、天然气、液化气发动机性嫩试验，出厂试验及发动机标定，它可与国内外各种不同的水力、电涡流、电力测功机配套，用于控制盒测量发动机的转速、扭矩、功率、燃油（燃气）消耗量、温度、压力、流量等各种不同类型的参数。3.3.2测量传感器主要传感器有缸压传感器、水温传感器、排温传感器、转数传感器等。我们选用的是一款电荷传感器。在气缸上有一个特地打的孔就是放缸压传感器的，不需要测量时可用螺栓堵住孔发动机可正常工作，需要测量时则换上缸压传感器。缸压传感器测量的是表压，当气缸内压力变化时，会影响传感器上电荷的变化，这种变化通过电荷放大器，如图3.3，放大后被采集箱（图3

56、.4）采集。转速传感器（图3.5）为磁电式转速传感器，它采用磁电感应原理实现测速，当齿轮旋转时，通过传感器线圈的磁力线发生变化，在传感器线圈中产生周期性的电压，其幅度与转速有关，转速越高输出电压越高（0a段），输出频率与转速成正比。转速进一步增高，磁路损耗增大，输出电势已趋饱和（ab段），当转速超过b，磁路损耗加剧，电势锐减。线圈采用特殊结构，抗干扰能力增强，获得广泛应用。该传感器输出信号强，抗干扰性能好，不需要供电，安装使用方便，可在烟雾、油气、水气等恶劣环境中使用。水温传感器是热电阻传感器。热电阻传感器是利用导体的电阻随温度变化的特性，对温度和温度有关的参数进行检测的装置。热电阻测温是基于

57、金属导体的电阻值随温度的增加而增加这一特性来进行温度测量的。大多数热电阻在温度升高1时电阻值将增加0.4% 0.6%。热电阻传感器主要是利用电阻值随温度变化而变化这一特性来测量温度及与温度有关的参数。在温度检测精度要求比较高的场合，这种传感器比较适用。排温传感器是热电偶传感器，利用塞贝克效应(Seebeck effect)工作。热电偶的热电动热将随着测量端温度升高而增长，它的大小只与热电偶材料和两端的温度有关，与热电极的长度、直径无关，并且有装配简单，更换方便；压簧式感温元件，抗震性能好；测量范围大（2001300）；机械强度高，耐压性能好；耐高温可达2800度等优点非常适合用于高温区域的测量。3.4试验数据采集3.4.1