生物柴油混合燃料預(yù)混合均一性實(shí)驗(yàn)研究

任亦然 韓雪峰

生物柴油混合燃料預(yù)混合均一性實(shí)驗(yàn)研究

任亦然 韓雪峰

通過(guò)對(duì)生物柴油與0#柴油混合燃料B20（生物柴油體積含量為20%）的密度測(cè)試來(lái)進(jìn)行生物柴油混合燃料預(yù)混合均一性實(shí)驗(yàn)研究。通過(guò)多種方法混合且在標(biāo)定溫度下進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果表明，生物柴油混合燃料B20的密度最接近于0#柴油的密度標(biāo)準(zhǔn)范圍，混合均一性良好。

生物柴油；0#柴油；混合燃料；均一性

一、引言

隨著經(jīng)濟(jì)的全球化，人類對(duì)石化資源的開發(fā)利用量日益增加，造成全球能源的儲(chǔ)量越來(lái)越少，誘發(fā)全球性能源危機(jī)，石油供需矛盾日漸突出，迫切需要世界各國(guó)加快石油替代燃料的開發(fā)步伐。[1]作為可再生資源的生物柴油，由于其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，正受到世界各國(guó)的關(guān)注。[2]世界汽車和船舶數(shù)額巨大的保有量是導(dǎo)致目前石化能源緊張的根本原因，也給能源需求和環(huán)境保護(hù)帶來(lái)巨大挑戰(zhàn)。車用和船用柴油發(fā)動(dòng)機(jī)清潔燃料的使用對(duì)節(jié)約石油資源和保護(hù)環(huán)境意義重大，具有良好的發(fā)展前景。

生物柴油是以植物油、動(dòng)物油脂或餐廚廢油等為原料，經(jīng)酯化等反應(yīng)后生成的脂肪酸單烷基酯。生物柴油具有低硫、十六烷值高、無(wú)芳烴、潤(rùn)滑性好、閃點(diǎn)高等特點(diǎn)，是典型的可再生燃料，并可顯著降低柴油機(jī)尾氣中的炭煙和微粒；但與普通柴油相比，存在黏度高、霧化性能和低溫流動(dòng)性能差等缺點(diǎn)。研究表明，生物柴油與0#柴油混合可以較好地彌補(bǔ)各自的不足，形成一種適應(yīng)我國(guó)國(guó)情、具有良好發(fā)展前景的替代燃料。目前，我國(guó)對(duì)生物柴油與0#柴油混合燃料的混合方法與混合均一性研究不足。本試驗(yàn)系統(tǒng)地研究了生物柴油混合燃料B20預(yù)混方式與均一性的關(guān)系，為生物柴油混合燃料B20在柴油機(jī)上的推廣使用提供理論支持。

二、實(shí)驗(yàn)條件及方法

（一）實(shí)驗(yàn)燃料的選用

本實(shí)驗(yàn)所用原料包括在中國(guó)石油購(gòu)買的0#柴油和重慶環(huán)衛(wèi)集團(tuán)旗下公司以餐廚廢油為原料生產(chǎn)的餐廚生物柴油。燃料各組分的理化性質(zhì)見表1。

（二）實(shí)驗(yàn)儀器與方法

1.實(shí)驗(yàn)儀器

HY-4KS調(diào)速多用振蕩器（常州國(guó)華電器有限公司）、SK250LH超聲波發(fā)生器（250瓦，50赫茲，上?？茖?dǎo)超聲儀器有限公司）、SY-Ⅱ型石油密度計(jì)（0.5～1.0克/立方厘米，精度0.01，南京昕航科學(xué)儀器有限公司）、250毫升定容三角瓶、250毫升量筒、玻璃棒等。

2.實(shí)驗(yàn)方法

本次實(shí)驗(yàn)的油品是來(lái)自重慶環(huán)衛(wèi)集團(tuán)的餐廚生物柴油和采購(gòu)于中國(guó)石油重慶南坪工貿(mào)站的0#柴油，將兩種燃油按照仿真試驗(yàn)獲得的最優(yōu)比例（生物柴油與0#柴油的體積比為20：80，即B20，下同）進(jìn)行預(yù)混，其方法如下：

（1）直接預(yù)混

將餐廚生物柴油與0#柴油用精度為±1毫升的250毫升量筒，按1：4的體積比量取50毫升和200毫升直接倒入250毫升的定容容器混合（混合時(shí)不分先后，下同），無(wú)須任何外力作用，不做任何其他處理。

（2）攪拌預(yù)混

將餐廚生物柴油與0#柴油用精度為±1毫升的250毫升量筒，按1：4的體積比量取50毫升和200毫升直接倒入250毫升的定容容器混合，之后用玻璃棒攪拌，攪拌時(shí)間2分鐘。

（3）振蕩預(yù)混

將餐廚生物柴油與0#柴油用精度為±1毫升的250毫升量筒，按1：4的體積比量取50毫升和200毫升直接倒入250毫升的定容容器混合，用HY-4KS調(diào)速多用振蕩器振蕩預(yù)混2分鐘。

（4）超聲預(yù)混

將餐廚生物柴油與0#柴油用精度為±1毫升的250毫升量筒，按1：4的體積比量取50毫升和200毫升直接倒入250毫升的定容容器混合，用SK250LH超聲波發(fā)生器超聲預(yù)混2分鐘。

3.密度的測(cè)定

密度與燃油的大多數(shù)理化特性緊密相關(guān)，是一項(xiàng)重要的特性參數(shù)。混合燃料的密度不但關(guān)系到油品在交接、運(yùn)輸及儲(chǔ)藏過(guò)程中的計(jì)量問(wèn)題，還會(huì)影響燃料的霧化和蒸發(fā)等性能。燃料中的碳原子數(shù)目越多，燃料的密度也就越大，意味著輸出功率越大，而炭煙排放量也可能會(huì)相應(yīng)增多。

本次試驗(yàn)的油品是餐廚生物柴油和0#柴油，按照仿真試驗(yàn)和柴油機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)獲得的最優(yōu)比例，即B20進(jìn)行預(yù)混，根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)，生物柴油與0#柴油按照某種事先確定的比例混合后，測(cè)定其混合是否均勻，可以用混合液密度差與結(jié)晶點(diǎn)的測(cè)定比較獲取結(jié)果。[3]本文僅就密度差測(cè)定分析混合液的均一性。

（1）測(cè)定方法

按照原油和液體石油產(chǎn)品密度實(shí)驗(yàn)室測(cè)定方法，執(zhí)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T1884—2000。

①在試驗(yàn)溫度下，把試樣轉(zhuǎn)移到溫度穩(wěn)定、清潔的密度計(jì)量筒中，避免試樣飛濺和生成空氣泡，并要減少輕組分揮發(fā)。

②用清潔濾紙除去試樣表面形成的所有氣泡。

③把裝有試樣的量筒垂直放在沒(méi)有空氣流動(dòng)的地方，整個(gè)試驗(yàn)期間環(huán)境溫度變化不大于1攝氏度，否則，應(yīng)使用恒溫浴。

④用溫度計(jì)或攪拌棒作垂直旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)攪拌試樣，使其密度和溫度達(dá)到均勻，記錄溫度接近到0.1攝氏度，取出溫度計(jì)或攪拌棒。

⑤用合適的密度計(jì)放入液體中，測(cè)定其密度并記錄。

表1 各燃料樣品的理化性質(zhì)

（2）操作步驟

① 取250毫升0#柴油于250毫升量筒中，用SY-Ⅱ型石油密度計(jì)，于15攝氏度下測(cè)得密度為0.831 5克/立方厘米；取250毫升生物柴油于250毫升量筒中，于15攝氏度下測(cè)得密度為0.881 5克/立方厘米。

表2 生物柴油混合燃料B20不同混合方法的密度測(cè)定結(jié)果

從預(yù)混結(jié)果可知，直接混合與攪拌混合后測(cè)得的密度相差不大，且上、中、下三層的密度之差小于0.000 6克/立方厘米，說(shuō)明混合均勻；振蕩混合與超聲混合后測(cè)得的密度較接近，且上、中、下三層的密度之差小于0.000 6克/立方厘米，說(shuō)明混合均勻。

總體來(lái)看，雖然生物柴油與0#柴油是兩種不同的物質(zhì)，有一定的密度差，但經(jīng)過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)兩種物質(zhì)的混合物均一性較好。4種預(yù)混方法的結(jié)果略有差異，即超聲混合的均一性＞振蕩混合的均一性＞攪拌混合的均一性＞直接混合的均一性，超聲混合的均一性更接近于生物柴油與0#柴油按1：4混合后的密度理論值0.841 5克/立方厘米。

根據(jù)國(guó)家車用柴油標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，密度在820～860千克/立方米范圍內(nèi)為達(dá)標(biāo)產(chǎn)品。[5]從試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，生物柴油的密度大于0#柴油的密度，B20振蕩混合后的密度為0.841 5克/立方厘米，接近于0#柴油。

（3）結(jié)論

生物柴油與0#柴油互溶性好，任何助溶添加劑都是沒(méi)有必要的。重型汽車或船用發(fā)動(dòng)機(jī)使用生物柴油與0#柴油混合比例不大于20：80時(shí)，其霧化性能與蒸發(fā)能力均能得到滿足。若將B20運(yùn)用于船舶柴油機(jī)，兩種油液的預(yù)混只需采取直接混合的方式即可滿足均一性要求，不需添加額外的設(shè)備，只需注意預(yù)混時(shí)的先后順序即可。

三、討論

1.生物柴油獨(dú)具的特性使其與0#柴油互溶

實(shí)驗(yàn)證明，該混合燃料在實(shí)驗(yàn)期間內(nèi)沒(méi)有分層，表明生物柴油混合燃料B20均勻性、穩(wěn)定性均能達(dá)到理想的效果。

2.B20可供實(shí)際應(yīng)用參考的幾種混合方式

（1）燃油系統(tǒng)前預(yù)混

將兩種燃料按1：4體積比加入汽車發(fā)動(dòng)機(jī)油箱或船舶日用油柜，汽車行駛在路上或船舶航行在水域，由于道路不平或彎道等路況導(dǎo)致車輛的顛簸，水域中的風(fēng)浪加之船舶本身的振動(dòng)等因素均會(huì)使生物柴油混合燃料均勻混合，但該操作應(yīng)盡量在生物柴油的凝點(diǎn)以上進(jìn)行。

（2）燃油系統(tǒng)中預(yù)混

將需要預(yù)混的兩種燃油按照既定的比例分別以較高的流速或壓力注入到總管，按照體積比核算出進(jìn)入總管的單位流量應(yīng)該為1：4，方可達(dá)到最好的混合效果。

（3）真空泵吸預(yù)混

利用真空泵的原理，將0#柴油作為動(dòng)力源，將生物柴油作為真空抽吸對(duì)象，使其在管路中預(yù)混前行，管內(nèi)燃料會(huì)由于湍流/紊流運(yùn)動(dòng)達(dá)到均勻預(yù)混的目的。這種預(yù)混需要額外的設(shè)備和相應(yīng)的計(jì)量?jī)x器，價(jià)格昂貴。

3.混合時(shí)密度的影響

生物柴油的密度比柴油大，在預(yù)混時(shí)必須強(qiáng)調(diào)先后順序和燃油進(jìn)入的部位。

（1）車載燃料預(yù)混

先行注入預(yù)混容器的燃油應(yīng)為密度較小的油液——0#柴油，生物柴油次之。

（2）船舶燃料預(yù)混

船舶燃油系統(tǒng)要比車輛復(fù)雜，基本都有儲(chǔ)存柜、沉淀柜和日用油柜，這樣船舶燃料的預(yù)混在三個(gè)場(chǎng)所均可完成，推薦預(yù)混場(chǎng)所選擇儲(chǔ)存柜，主要原因在于混合燃料在此經(jīng)過(guò)船舶的搖晃和機(jī)械的振動(dòng)，基本達(dá)到均勻混合的目的，再經(jīng)過(guò)駁油泵將燃油泵入沉淀柜，再泵入日用柜。船舶的顛簸和振動(dòng)、6個(gè)自由度的搖蕩以及管路中的紊流等讓燃油混合更加均勻。

（3）預(yù)混不良的后果

生物柴油對(duì)某些材料有溶解作用，會(huì)導(dǎo)致管路、噴油系統(tǒng)和油箱等設(shè)備出現(xiàn)漏泄，甚至失壓，從而導(dǎo)致異常停車，危害極大；高濃度生物柴油會(huì)引起油柜、油管等處的沉渣溶解，堵塞系統(tǒng)濾器甚至噴油器，溫度越高，這種情況發(fā)生的可能性越大。[4]

因此，生物柴油作為一種重要的環(huán)境友好和可再生能源，國(guó)家要制定生物柴油標(biāo)準(zhǔn)和一系列優(yōu)惠措施，規(guī)范行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和保證生物柴油的市場(chǎng)份額，大力提倡使用生物柴油，為全球能源的合理利用提供經(jīng)驗(yàn)。

[1]周后波,張慶英,曹順.生物柴油制備技術(shù)研究進(jìn)展及展望[J].廣東化工,2015(7):91-93.

[2]吳謀成.生物柴油[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2008.

[3]魏秋蘭.柴油-生物柴油混合燃料互溶性與溶脹性研究[J].公路與汽車,2008(5):11-13.

[4]丁泠然.生物柴油的特性及其與石化柴油的調(diào)合和儲(chǔ)運(yùn)[J].石油庫(kù)與加油站,2016(5):19-25.

[5]耿莉敏,董元虎,邊耀璋,等.生物柴油與輕柴油混合燃料的理化特性[J].長(zhǎng)安大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2008(3):88-91.

10.16176/j.cnki.21-1284.2017.11.007

任亦然（1974—），男，重慶交通大學(xué)，實(shí)驗(yàn)師，輪機(jī)長(zhǎng)。

韓雪峰（1961—），男，重慶交通大學(xué)，副教授。