乙醇柴油燃料的研究進(jìn)展

第21卷第2期精細與專(zhuān)用化學(xué)品Feb.20132013年2月 Fine and Specialty Chemicals41乙醇柴油燃料的研究進(jìn)展于娜娜,高志謹,秦兵杰(中北大學(xué)化工與環(huán)境學(xué)院,山西太原030051)摘要:根據乙醇與柴油的理化性質(zhì)論述了乙醇作為柴油代用燃料的特點(diǎn),介紹了乙醇在柴油機中的燃燒方式和節能、環(huán)保機理,綜述了國內外乙醇柴油燃料的研究進(jìn)展,最后總結了應用乙醇柴油燃料的意義。關(guān)鍵詞:乙醇;柴油;柴油機 Research advance on ethanol diesel fuel YU Na-na GAO Zhi-jin, QIN Bing-jie (Chemical Engineering and Environment Institute, North University of China, Taiyuan 030051, China) Abstract: The characteristics of ethanol as alternative fuel were discussed on the basis of comparison of physico- chemical properties between ethanol and diesel. The combustion way of ethanol, in diesel engine mechanism of its sav ing energy and environmental protection, were introduceed, the advance in utilization of ethanol diesel fuel was dis cussed. Finally, the significance of ethanol diesel fuel application was Key words: ethanol; diesel; diesel engine柴油由石油蒸餾提煉而成,廣泛應用于大型車(chē)較低,降低對柴油機進(jìn)氣系統的要求;③乙醇的黏輛、柴油發(fā)電廠(chǎng)、柴油鍋爐等。近年來(lái),隨著(zhù)農業(yè)度比柴油低,有利于噴射霧化;④乙醇辛烷值高,和交通運輸業(yè)的飛速發(fā)展,對柴油的需求量日益增具有較高的抗爆性;⑤乙醇閃點(diǎn)比柴油閃點(diǎn)低,約大,但石油是不可再生資源,儲量日益減少,出現是柴油的1/5,使得燃料的運輸和存放、使用過(guò)程了柴油供應不足、價(jià)格上漲的趨勢。因此,世界各更加安全;⑥乙醇的汽化相變吸熱大,有利于柴油國的研究者把目光放到了清潔燃料和代用燃料上。機進(jìn)氣和缸內高溫零件的冷卻。乙醇是一種無(wú)色、易燃和易揮發(fā)的液體,它的來(lái)源表1柴油、乙醇理化性質(zhì)比較范圍很廣,可利用玉米和甘蔗等生物資源生產(chǎn),或者由乙醛氫化或乙烯水合制成。乙醇價(jià)格相對柴油理化性質(zhì)柴油舒費低廉,理化性能與柴油比較接近,可作為清潔燃料分子式 C2H,OH和代用燃料,對緩解石油的短缺起到了重要的作分子量 C1s-23180~20046用,得到了快速的發(fā)展41。密度/(g/cm3)0.8570.789運動(dòng)黏度/(10m3/s)2.5~8.51.511乙醇燃料的特點(diǎn)沸點(diǎn)/℃180~37078.3冷凝點(diǎn)/℃-1~3-117.3柴油和乙醇的主要理化性質(zhì)列于表1。從表1閃點(diǎn)/℃65~8813~14中分析得知,乙醇能作為柴油機的代用燃料并且具汽化熱/(kJ/kg)0.25~0.300.854有如下特點(diǎn)5-7:①乙醇的C/H比柴油小,對燃十六烷值40~608燒有利;②乙醇的含氧量達34.8%,理論空燃比辛烷值(RON)114115理論空燃比144.46.4收稿日期:2012-07-09基金項目:山西省青年科技研究基金資助項目(201001007-2);太原市大學(xué)生創(chuàng )新創(chuàng )業(yè)資助項目(1101480);中北大學(xué)研究生科技立項資助項目(201012)作者簡(jiǎn)介:于娜娜(1987-),女,在讀碩士研究生,主要研究方向為超重力場(chǎng)中的多相流傳質(zhì)與化學(xué)反應。42精細與專(zhuān)用化學(xué)品第21卷第2期2乙醇在柴油機中的燃用方式8-9柴油能發(fā)生“微爆”效應,使柴油分子與高溫空氣的混合更均勻,燃燒環(huán)境的改善能顯著(zhù)減少煙塵排放。2.1熏蒸法另外,乙醇具有蒸發(fā)作用,均衡了燃燒時(shí)的溫度場(chǎng),通過(guò)低壓噴嘴或文丘里管等裝置將乙醇霧化,從而抑制了NOx的形成,達到節能環(huán)保的目的12然后與空氣混合后進(jìn)入氣缸,由柴油點(diǎn)燃。采用這種方法將乙醇作為燃料使用,需要對柴油機進(jìn)行改5乙醇柴油燃料的研究進(jìn)展造即安裝乙醇霧化裝置,并且在使用時(shí)乙醇的蒸發(fā)國外早就開(kāi)始了乙醇柴油燃料的研究工作,但量和蒸發(fā)溫度較難控制,這種方法具有局限性。從20世紀80年代起才重視乙醇作為柴油機代用燃2.2雙燃料法料的研究工作,目前已發(fā)展成熟。國內從20世紀雙燃料法是在柴油機內安裝兩套高壓泵和噴油90年代早期開(kāi)始研究,清華大學(xué)等是國內最早研究器系統,分別用來(lái)噴射乙醇和柴油。這種方法不需乙醇柴油燃料的單位。目前國內外對乙醇柴油燃要提前將乙醇和柴油混合,乙醇的替代比例可高達料的研究主要集中在兩個(gè)方面:①基礎理論研究。90%,雙燃料法能克服乙醇著(zhù)火性能差問(wèn)題節省了為了獲取穩定的乙醇柴油燃料,通常采用向乙醇柴資源但是這種方法需要在柴油機內安裝噴油系統,油中添加如乳化劑、添加劑等制備成微乳液或乳狀柴油機結構復雜,造價(jià)高。液,因此基礎理論研究集中在乳化劑、穩定劑、十六2.3乳化法烷值增進(jìn)劑、防銹劑等方面。②應用研究。如乙醇乳化法是將乙醇和柴油乳化而成的油包水(W/柴油燃料的燃燒動(dòng)力性、燃燒過(guò)程、排放特性等。0)型乳液可稱(chēng)為乙醇柴油乳化燃料。它是乙醇和5.1國外乙醇柴油燃料的研究進(jìn)展柴油在有乳化劑或其他添加劑的條件下制成的穩定美國的ADM公司對乙醇柴油燃料開(kāi)展了研究乳液,且外觀(guān)與純柴油具有相同的顏色,物理和化學(xué)工作,將乙醇含量為15%、柴油含量為80%和其他特性也和柴油相近,是一種新型柴油機代用燃料。添加劑為5%的液體混合后制備了一種穩定的乙醇它能有效地解決柴油尾氣中顆粒物氮氧化物和碳柴油燃料,在柴油車(chē)上進(jìn)行了386km的行車(chē)試驗。氫化合物含量高的問(wèn)題。由于這種方法制備的乙醇國外 Ian Williamson研究了一種穩定的含醇柴油柴油燃料不需要對柴油機進(jìn)行改造,可以直接使用,燃料,由不同肽胺類(lèi)物質(zhì)為乳化劑配成的乳化液,外是目前使用最多的一種方法。觀(guān)清澈,在低溫下穩定性依然良好,尾氣排放也有所在20世紀60年代初,前蘇聯(lián)科學(xué)家伊萬(wàn)諾夫減少 Hazbun等申請的專(zhuān)利中表明了以直鏈或等人發(fā)現了乳化柴油燃料的“微爆”現象,為乳化柴含支鏈的脂肪酸或脂肪酸鹽可以作為含醇柴油乳化油燃料的節能、環(huán)保機理等提供了理論基礎。劑的主要成分。巴西的菲亞特汽車(chē)測試中心將乙醇添加在3節能機理B20調合生物柴油中,研究了乙醇柴油燃料的燃燒乙醇柴油乳化燃料是油包水(W/O)型乳液,柴與排放的變化規律,結果表明添加乙醇后的燃料能油是連續相,乙醇是分散相,在柴油機氣缸溫度急劇夠有效降低CO2和NOx排放,但CO、顆粒物、碳氫化合物排放有所增加。上升時(shí),由于乙醇的沸點(diǎn)低于柴油先沸騰,體積在瞬印度的E.A.Aav16等測定乙醇柴油燃料的燃間增大,由于乙醇為內相,當油滴中的壓力超過(guò)柴油燒性質(zhì),發(fā)動(dòng)機在無(wú)負載轉速為1550±10r/min情的表面張力及環(huán)境壓力之和時(shí),乙醇產(chǎn)生的巨大壓況下測定表明:燃燒E5、E10、E15、E20的混合燃料力將沖破柴油膜的束縛,無(wú)數乙醇小液珠產(chǎn)生阻力CO的排放與純柴油相比分別降低了36.8%、使油滴發(fā)生爆炸,這就是“微爆”效應?！拔⒈焙蟮?6.5%、58.8%和62.5%,NOx的排放較純柴油分柴油霧化成更細小的油滴,燃燒更充分,從而達到節別降低了19.1%、21.8%、23.0%和24.1%,柴油機能效果。在不同溫度下都能正常啟動(dòng),缸內溫度隨著(zhù)乙醇的4環(huán)保機理增加逐漸降低。運行聲音正常。5.2國內乙醇柴油燃料的研究進(jìn)展柴油機中產(chǎn)生碳氫化合物主要是燃燒不充分導陜西科技大學(xué)的馬建中等將制革廢棄油脂致的,一氧化碳是不完全燃燒得到的產(chǎn)物,生成柴油制備成脂肪酸甲酯,再用脂肪酸甲酯制備乙醇柴油機的碳煙。由于乙醇中含氧使燃燒充分,并且乳化燃料乳化劑。實(shí)驗結果表明,當柴油的質(zhì)量分數為2013年2月于娜娜等乙醇柴油燃料的研究進(jìn)4384%,乙醇的質(zhì)量分數為16%時(shí),利用制革廢棄油脂制備的烷醇酰胺型乳化劑制備的乙醇柴油燃料穩參考文獻定性好,粒徑分布均勻顏色與0#柴油相當。進(jìn)行[]蘇俊作,馬靜王汝棟,等柴油機清潔含氧燃料及其研究新燃燒實(shí)驗后發(fā)現燃燒速率比0#柴油稍慢,而煙灰釋進(jìn)展[]拖拉機與農用運輸車(chē),2010,37(5):1-5放率較0#柴油降低55.16%,且不會(huì )對內燃機及其 [2] Redjem Hadef, Klaus Peter Geigle, Wolfgang Meier, et al. Soot characterization with laser-induced incandescence applied to a lam構件造成腐蝕。 inar premixed ethylene-air flame [J]. Intemational Journal of江蘇大學(xué)的李銘迪等18在YZ4DB3柴油機上 Thermal Sciences, 2010(49): 1457-1467.進(jìn)行實(shí)驗,對燃用乙醇/柴油混合燃料的示功圖和排[3 Matti Happonen Tero hde Maria Messing,al. The com放污染物進(jìn)行測量,分析了燃燒過(guò)程與排放特性的 ticles between fossil fuel and novel renewable diesel fuel )] Fu-變化規律。結果表明,隨著(zhù)乙醇摻混比例的增加,混 el.,2010,89(12):40084013.合燃料的滯燃期延長(cháng),燃燒終點(diǎn)提前,燃燒持續期縮4]程景明徐莉徐偉平美國巴西和中國燃料乙醇發(fā)展現狀短。摻混乙醇可以明顯降低煙度,如燃用E20時(shí),比較[]世界農業(yè),2008(6):10-13煙度的最大降幅達51%,在小負荷時(shí),碳氫化合物[5]郭瑞蓮,紀威乙醇柴油混合燃料的應用研究進(jìn)展[]山東和CO排放隨著(zhù)乙醇摻混比例的增加而有比較明顯內燃機,2006(1):34-38.的升高,但對NOx排放影響不大。6]于建寧,車(chē)用乙醇燃料的技術(shù)創(chuàng )新發(fā)展與對策分析[]石油科技論壇,2003(10):56-63清華大學(xué)的陳虎等在一臺四缸柴油機上燃7]毛功平,劉永啟柴油機燃用乙醇的研究進(jìn)展[]農業(yè)裝備用乙醇-甲酯-柴油混合燃料,其中乙醇含量為30%與車(chē)輛工程,2006(2):22-25.時(shí),研究了氧含量對柴油機動(dòng)力性、經(jīng)濟性以及燃燒[8]劉治中,許世海.液體燃料的性質(zhì)及應用[M]北京:中國石特性的影響。結果表明,在發(fā)動(dòng)機不做調整的情況化出版社,2000下,含氧燃料會(huì )使發(fā)動(dòng)機動(dòng)力有所下降,有效燃油消[9]陳泓,顏文勝,申立中,等E10乙醇柴油乳化技術(shù)與穩定性試驗研究[]昆明理工大學(xué)學(xué)報(理工版),2010,35(2):102-耗率上升,但等效燃油消耗率基本不變。隨著(zhù)乙醇105含量的增多,燃燒滯燃期越長(cháng)、燃燒持續期會(huì )縮短,[10] Fu Weibiao, Hou Lingyun Wang Lipo, et al unifiedmodel最大爆發(fā)壓力升高,放熱率峰值增大。 for the micro-explosion of emulsified droplets of oil and water海南大學(xué)的趙小洋等(20以正丁醇為助溶劑,研 [J]. Fuel Processing Technology, 2002, 79(2): 107-119.11]曹建喜,董松祥,商紅巖,等甲醇柴油的研究進(jìn)展[J]現代究了乙醇、0#柴油和助溶劑正丁醇比例變化時(shí)制得化工,200():4145.的混合燃料的相溶性,發(fā)現添加適量正丁醇可有效[12]馮國琳、乙醇柴油燃料的研究進(jìn)展[]精細石油化工進(jìn)展,促進(jìn)乙醇和柴油的均勻相溶,能提高燃料的穩定性。2011,12(7):46-50通過(guò)改變乙醇摻混比例,分析了燃料對發(fā)動(dòng)機的經(jīng) [13] Mario Randezo, Jose R Sodre. Exhaust emisions from濟性和排放性的影響。隨著(zhù)乙醇摻混比的增大,混 diesel powered vehicle fuelled by soybean biodiesel blends(B3 B20)with ethanol as an additive B20E2-B20E5)]. Fuel,合燃料的當量燃油消耗率在中、低負荷時(shí)增大,當量2011,90:98-103.燃油消耗率在高負荷時(shí)減小;CO排放量在中、高負14] lan Williamson Fuel compositionb6930荷時(shí)減小,在低負荷時(shí)增大。在發(fā)動(dòng)機所有工況下,07Nx排放量及碳煙排放量混合燃料都比0#柴油有 [15] Hazbun, Edward A, Schon S G. Micro-emulsion fuel system所下降,而碳氫化合物排放量高于0#柴油。P].s4744796,1986-02-04 [16] E. A. Ajav, Bachchan Singh, T K Bhattacharya. Experimental6結語(yǔ) study of some performance parameters of a constant speed station- ary diesel engine using ethanol-diesel blends as fuel [J]. Bic眾所周知,在世界經(jīng)濟高速發(fā)展的今天,開(kāi)發(fā)新 mass and Bioenergy, 1999(17): 357-365.能源和提高不可再生資源的利用率已經(jīng)成為衡量一17]馬建中,麻冬,呂斌.制革廢棄油脂制備乙醇柴油乳化劑的個(gè)國家能否持續發(fā)展的一個(gè)重要指標,使用乙醇柴油研究[J]石油煉制與化工,2011,42(10):73-77這種新型柴油代用燃料意義重大:①乙醇可由陳化糧[18]李銘迪,王忠,許廣舉,等乙醇/柴油混合燃料燃燒過(guò)程與排放試驗研究[]業(yè)程223制得,有利于糧食的轉化、消費產(chǎn)業(yè)的循環(huán),促進(jìn)社會(huì )[19]陳虎,王建昕,帥石金,乙醇甲酯柴油含氧燃料對柴油機性經(jīng)濟的發(fā)展;②減少對石油依賴(lài),緩解能源壓力;③改能與燃燒特性的影響[J]燃燒科學(xué)與技術(shù),2007,13(3):善大氣環(huán)境污染,為人民生活和生產(chǎn)創(chuàng )造清潔適宜的243-247.環(huán)境。世界各國應加強乙醇燃料產(chǎn)業(yè)新技術(shù)的研究20]趙小洋,陳振斌,張雷,等柴油機燃燒乙醇柴油混合燃料的與開(kāi)發(fā),積極創(chuàng )造有利于推廣使用車(chē)用乙醇柴油燃料燃油經(jīng)濟性及排放特性研究[J].汽車(chē)工程學(xué)報,2012,2(1):的宏觀(guān)政策環(huán)境等來(lái)大力推廣乙醇柴油燃料。4046