甲醇柴油的物化性質研究

焦 楊，韓大明

(東北林業大學交通學院，黑龍江哈爾濱 150040)

近年來，隨著我國經濟的快速發展和汽車保有量的高速增加，石油短缺問題日益突出。柴油作驅動汽車行駛的主要燃料之一，常有供不應求的局面出現。隨著汽車工業的發展，全球原油資源日趨枯竭，而且柴油機尾氣中碳煙、NOX及其他有害氣體含量很高，排放污染嚴重，損害人體身體健康。燃料甲醇作為一種可再生清潔燃料成為汽車代用燃料的熱點之一，其中甲醇可由煤碳、石油和天然氣中提取，其中一半來自天然氣。由于甲醇含氧量高，甲醇柴油混合燃料的燃燒可以降低碳煙和CO的排放。但是甲醇與柴油的物化性質相差很大，互溶困難。所以必需選用合適的助溶劑，來保證甲醇柴油混合燃料性質穩定且不分層。

甲醇柴油的研究在一些國家受到廣泛的重視，但我國對甲醇柴油的物化性質方面的研究極少，只對其燃燒及排放性能進行了初步的研究和試驗。甲醇柴油混合燃料必需加入添加劑來改善本身體系的物性，來完善由于甲醇和柴油的十六烷值、粘度和閃點等性質差別較大引發的一系列問題，因此對甲醇柴油物性的研究可為其推廣應用奠定基礎。

1 混合燃料的配制和測試方法

1.1 混合燃料的配制

原料由0#柴油、天津市富宇精細化工有限公司提供的分析純和東北林業大學交通學院研發中心研制并提供的助溶劑組成。甲醇在混合燃料中的體積含量分別取0%，10%和20%，配置 M10和M20(符號M后面的數字表示甲醇在混合燃料中的體積百分比)。

1.2 測試方法

使用密度計對普通柴油和甲醇柴油的密度進行測量。遵循GB/T265試驗方法，采用GB265型石油產品運動粘度測定儀進行混合燃料粘溫特性試驗。蒸餾特性試驗按照GB/T6536試驗方法運用蒸餾儀進行。

2 混合燃料的物化性質

2.1密度

密度是與體積熱值直接相關的物性數據，燃油的大部分物化性質都與密度存在著某種內在關系。柴油是復雜的烴類混合物，碳原子數約為10－22，碳原子多 輸出功率大 產生碳煙微粒的可能性就大。

表1 不同甲醇含量的甲醇柴油實測密度 (20℃)/g·cm－3Tab.1 Measured density of methanol-diesel fuel with different methanol content(20℃)/g·cm－3

表1是燃油密度在不同甲醇體積百分含量時的數值，測試溫度是20℃。由于甲醇的密度較小，因此混合燃料的密度會隨著甲醇加入量的增大而減小。又因為助溶劑的密度較大，大約為0.95左右，可以防止混合燃料密度的降低，由表1可見混合燃料的密度大于燃油密度。

混合燃料的密度隨各組成部分變化的擬合公式:

式中:ρ為溫度20℃時混合燃油的密度，ρ1表示20℃時柴油的密度，ρ2表示20℃時甲醇的密度，ρ3表示20℃時助溶劑的密度，C1是甲醇的體積含量，C2是助溶劑的體積含量。此式可以計算出在20℃時的任何百分比含量的柴油甲醇柴油混合燃料的密度值，通過實驗也可以測得混合燃料的密度，M10和 M20分別為 0.8693g/cm3、0.8627g/cm3。計算值與測量值之問的誤差≤0.3%。

2.2粘度

粘度是燃料油最主要的性能指標之一，它是對流動性阻抗能力的度量，它的大小表示燃料油的易流性、易泵送性和易霧化性能的好壞。燃料的粘溫曲線 (粘度隨溫度的變化關系)是燃料、特別是代用燃料重要的品質特征［1］。在20～100℃溫度范圍內，以0號柴油為基礎油，對M0、M10、M20混合燃料進行溫粘特性試驗，試驗結果如圖1所示。

由試驗結果可知，運動粘度的變化較密度明顯。隨著溫度升高 (約100℃)，不同比例混合燃料的粘度均逐漸降低直至和0號柴油的粘溫曲線基本重合，并且隨著甲醇摻混比例的增大，混合燃料的粘度逐漸降低。這是因為柴油的沸點為175～360℃，而甲醇的沸點僅為為64.5℃，相差極大。試驗結果表明，當混合燃料的溫度升高達到甲醇的沸點64.5℃時，甲醇先由甲醇柴油混合燃料中蒸發出來;當混合燃料的溫度繼續升高達到到80℃時，甲醇已大部分從甲醇柴油混合燃料中蒸發出來;當溫度升高超過80℃以后，M0、M10、M20的粘溫曲線基本重合保持一致。

圖1 混合燃料的溫粘特性Fig.1 Viscosity characteristics of the mixed fuel

表2 燃料在不同溫度下的粘度Tab.2 Viscosity of the blends in different temperatures

由表2可見，混合燃料的運動粘度變化較大，但仍符合0號柴油運動粘度的國家標準，對使用性能的影響很小。

2.3 十六烷值

十六烷值是表示柴油發火性能的指標，代表柴油在發動機中發火性能的一個約定量值。混合燃料的十六烷值將根據甲醇的摻混比例來確定，因為甲醇燃料的十六烷值較低僅為3。燃料的十六烷值應該在一個合適的范圍內，十六烷值過高，則柴油機排氣冒黑煙，經濟性下降;如果過低，則起動困難，運轉粗暴。一般柴油機燃油的十六烷值在40～60范圍之內。甲醇柴油混合燃料的十六烷值隨甲醇體積百分含量的變化如圖2所示。

由圖2可見，隨著甲醇摻混比例的增加，甲醇柴油混合燃料的十六烷值逐漸下降。因而為改善混合燃料的十六烷值過低的問題，提高甲醇柴油混合燃料的發火性能，適當添加著火促進劑是有必要的。

圖2 混合燃料十六烷值隨甲醇體積含量的變化關系Fig.2 Cetane of the blends with the methanol volume content

2.4餾程

餾程是評定液體燃料蒸發性的最重要的質量指標。它既能說明液體燃料的沸點范圍，又能判斷油品組成中輕重組分的大體含量，對生產、使用、貯存等各方面都有著重要的意義。本文以0號柴油為基礎油，用M0、M10、M20混合燃料進行蒸餾特性試驗，試驗結果如圖3所示。

圖3 燃料的蒸餾特性Fig.3 Distillation characteristics of the fuel

由圖3可以看出，隨著溫度的升高，混合燃料的餾出率不斷的增加。并且混合燃料中甲醇摻混比例越大，相同餾出率所對應的餾出溫度越低。由試驗結果可知，在40%餾出率以下，混合燃料與基礎油餾出曲線相差很大，隨著餾出率的增大，混合燃料與基礎油的蒸餾曲線逐漸接近，最終基本重合到相同的終餾點。通過燃料的蒸餾特性試驗得知，不同餾出率所對應的混合燃料的餾出溫度始終低于基礎油的餾出溫度，且混合燃料中摻混甲醇比例越高，相對餾出溫度越低。甲醇柴油混合燃料餾程范圍符合國家標準。

2.5 腐蝕性

甲醇對金屬材料具有腐蝕性，因此本文進行了混合燃料銅帶腐蝕試驗。試驗按照《石油工業新技術及標準規范手冊－油氣分析測試化驗新技術及標準規范》中的測試方法。即在規定條件和試驗流程下，觀察燃料使銅片所產生的顏色變化來判斷試驗燃料的腐蝕性［2］。不同甲醇體積含量混合燃料的試驗結果見表4。

表4 混合燃料銅帶腐蝕試驗結果Tab.4 Experiment results of blends of copper with corrosion

將試驗結果與標準的腐蝕級別進行對照，可以得出結論，甲醇柴油混合燃料的腐蝕級別為1級。隨著甲醇的含量提高，腐蝕級別略有上升，但從總體來看腐蝕性并不強，混合燃料滿足標準ISO 2160－1998對燃料的要求。

3 結論

(1)通過溫粘特性試驗可知，隨著甲醇摻混比例的增加，甲醇混合燃料的粘度值降低，但仍符合0號柴油運動粘度的國家標準。

(2)隨著甲醇摻混比例的增加，甲醇混合燃料的十六烷值降低，所以適當添加著火促進劑是有必要的。

(3)通過蒸餾特性試驗可知，甲醇柴油混合燃料的低溫蒸餾特性較強，餾程范圍符合國家標準。

(4)甲醇柴油混合燃料能夠滿足標準ISO 2160－1998對燃料腐蝕性的要求。

】

［1］ Miyamoto N，Ogawa H.Improvement of Diesel Combusition and E-missions with Addition of Various Oxygenated Agents to Diesel Fuels［C］.SAE962115.

［2］魏象儀.內燃機燃燒學［M］.大連理工大學出版社，1992.