新型乳化燃料實驗研究及應(yīng)用

2013-12-31 00:00:00王詠江陳聰陳琴珠

創(chuàng)新科技 2013年7期

[摘要]本實驗采用SPG（Shirasu-Porous-Glass）膜乳化方法制備新型乳化柴油，并對新型乳化柴油燃料進行能耗及尾氣成分含量的實驗研究。學生通過創(chuàng)新實驗來研究柴油乳化技術(shù)，利用實驗設(shè)備來測試尾氣成分含量，實驗結(jié)果表明利用乳化柴油作為燃料，不僅可以節(jié)約能源，提高燃耗效率，而且可以降低煙氣中的氮氧化物、CO及煙塵的含量。

[關(guān)鍵詞]乳化柴油；節(jié)能減排；柴油發(fā)電機

[中圖分類號]TM314.012[文獻標識碼] A

1引言

隨著我國工農(nóng)業(yè)、交通運輸業(yè)的飛速發(fā)展，對柴油的需求日益增大，我國現(xiàn)在每年內(nèi)燃機消耗的汽油、柴油量占國產(chǎn)汽油和柴油消耗量的80%，而我國的石油產(chǎn)量不足[1]。2007年，我國進口石油1.8328億噸，2008年凈進口2.0067億噸，2009年進口2.038億噸。2010年前8個月，對進口石油的依賴度上升為53.9%，超過了國際上公認的50%的警戒線[2]，油品短缺現(xiàn)象越來越明顯，在一定程度上制約著我國經(jīng)濟的發(fā)展。柴油機排放的大量有害氣體如HC、CO、SO、NO和PM（微粒）等，柴油燃燒后微粒排放是汽油的30-70倍，給環(huán)境帶來了巨大負擔。柴油摻水乳化后，由于燃燒過程中存在微爆[3]，所以乳化油作為燃料不僅節(jié)約能源、提高燃耗效率，而且減少環(huán)境污染，降低煙氣中的氮氧化物、硫氧化物及煙塵含量[4]-[7]。本文以實驗的方法，采用SPG（Shirasu-Porous-Glass）膜乳化柴油探究乳化柴油在節(jié)約油耗和減少有害尾氣排放上的作用。

2乳化方法及乳化設(shè)備

乳化液的制備方法很多，可以分為靜態(tài)乳化和動態(tài)乳化，下面介紹幾種。

2.1機械攪拌法

機械攪拌乳化是一種很常用的乳液制備方法，它是利用機械攪拌將該分散相分散到含有乳化劑的連續(xù)相中。機械攪拌乳化法通常用于制備粒徑較大（如10～200μm）的乳液。機械攪拌乳化法所制備的乳液的粒徑及其分布除了與乳液體系本身的組成有關(guān)外，還會受攪拌器和反應(yīng)器的形狀及相對大小的影響。

2.2高速剪切法

高速剪切法與機械攪拌法類似，高剪切均質(zhì)機就是一個很好的實例，這種制備乳化液的均質(zhì)機一般都是指轉(zhuǎn)子-定子均質(zhì)機，其工作流程一般為：待混合物料被高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子形成的強大吸力吸入剪切頭，在轉(zhuǎn)子刀刃和定子內(nèi)壁之間受到強大的剪切力而高速穿過定子頭的細孔進入待剪切液中，最后混料從剪切頭呈放射狀高速噴射至混合容器邊，與此同時，新的混料被吸入剪切頭參與下一混合循環(huán)。

2.3超聲波法

超聲波乳化法是利用聲能產(chǎn)生的高的局部剪切力和能量沖擊波將分散相分散到連續(xù)相中的乳化技術(shù)。超聲波在液體中傳播時會產(chǎn)生多種效應(yīng)，如熱效應(yīng)和空化效應(yīng)，一般認為超聲空化是超聲乳化的必要條件。聲空化就是指液體中的微小氣泡核在聲波的作用下振蕩、生長、收縮乃至崩潰等一系列動力學過程。超聲波乳化器采用模塊化標準基件組裝，產(chǎn)量大，產(chǎn)品用于輪船、發(fā)電站的低速二沖程柴油發(fā)動機。利用超聲乳化法制備的乳液粒徑較小，分布較窄，乳化劑的用量比機械攪拌法少，該法常用于制藥工業(yè)及日常用品工業(yè)部門，如生產(chǎn)乳劑藥品、化妝品及皮鞋油等。

2.4乳化管乳化法

乳化管是上世紀70年代初開始發(fā)展的一種靜態(tài)混合器，結(jié)構(gòu)簡單、性能高效可靠，受到不少企業(yè)的歡迎。其工作原理是讓流體在管線內(nèi)沖擊各類板元件，增加流體層流運動的速度梯度或形成湍流。由于湍流時流體會在斷面方向產(chǎn)生劇烈渦流，流體將受到較強的剪切力作用而被分割混合，形成乳化液。

2.5膜乳化技術(shù)

日本學者Nakashima在1988年的日本年度化學大會上首次提出了膜乳化技術(shù)，該技術(shù)最初是為了解決食品中乳液均一性問題，后來Omi等和馬光輝等學者運用該技術(shù)制備了各種乳液和載藥微球，解決了傳統(tǒng)乳化法的一些不足。經(jīng)過多年發(fā)展，膜乳化技術(shù)已在食品、醫(yī)藥、化妝、生化分離等多領(lǐng)域得到成功應(yīng)用。

膜乳化技術(shù)一般有兩種，一種是常規(guī)膜乳化技術(shù)，另一種為快速膜乳化技術(shù)。常規(guī)膜乳化技術(shù)的原理是：連續(xù)相似一定的速度在膜表面流動，分散相在一定壓力下通過膜孔在膜表面形成液滴，液滴在各種力的作用下處于平衡狀態(tài)，當液滴達到一定大小后便自動脫離膜孔表面進入到連續(xù)相中，與此同時，溶解在連續(xù)相里的乳化劑分子將吸附在液滴界面上，降低界面張力，既促進液滴脫離膜表面又阻止液滴的聚集。采用常規(guī)膜乳化法制備乳液時，不僅能耗小，而且乳液液滴粒徑分布窄，并可以通過膜的孔徑來控制，一般情況下液滴尺寸為膜孔徑的3-6倍。快速膜乳化法是先通過常規(guī)的乳化方式對乳液進行預(yù)乳化，然后在較高的跨膜壓力下迅速壓過膜孔形成最終的乳液。

3實驗設(shè)備及流程

3.1實驗設(shè)備

0#柴油，18微米SPG膜管，軟管，壓力表，流量計

全自動家用增壓泵（上海永帆機電設(shè)備有限公司生產(chǎn)）參數(shù)：

功率120 W；額定揚程15 m；電壓220 V；轉(zhuǎn)速2 850 r/min；額定流量15 L/min。

ZY291T單相入單相出變頻器（輸入電源：AC220 V，輸出電源：AC220 V，輸出頻率：0-50 Hz，輸出功率：150 W）。

ZS195：燃燒室形式：直噴缸徑100（mm）；行程：120（mm）；排量：0.903（L）；標定功率/轉(zhuǎn)速：12.1/2200（kW/r/min）；最大扭矩≥58.3（N.m）；標定點燃油耗≤244.8（g/kw.h）。

3.2實驗裝置

實驗流程為：水和柴油混合——增壓泵——SPG膜管——乳化油——連接柴油機

4實驗研究及應(yīng)用

4.1實驗方法

SPG膜乳化法是將分散相液體加壓，透過具有相同細孔徑的SPG膜，形成微細液滴分散到分散介質(zhì)中，調(diào)制成乳化液。該方法因使用具有均一細孔徑的SPG膜，能夠制得分散粒徑均一的乳化液。通過搭建好的實驗裝置，制備出一定比例的乳化柴油，在顯微鏡下觀察乳化效果；通入柴油機待工作穩(wěn)定后可記錄柴油機在不同轉(zhuǎn)速下的功率、扭矩、尾氣成分和含量等。

水和油通過泵（泵由可調(diào)變頻器控制）加壓后，再通過閥門調(diào)節(jié)SPG膜管的內(nèi)外壓強，使之形成內(nèi)壓或者外壓乳化，乳化后的柴油儲存在乳化油箱中。由于未添加乳化劑，乳化效果不穩(wěn)定，為了達到一定的乳化效果和穩(wěn)定性，乳化油需要多次循環(huán)乳化，乳化時間應(yīng)在20 min以上。

實驗數(shù)據(jù)如下：壓力表1為SPG膜管內(nèi)壓，壓力表2為外壓，水為120 ml；柴油為1 380 ml；壓力表1為0.027 MPa；壓力表為20.55 MPa；流量計為0.48 GPM；時間為25 min；比例為8%。打開柴油機，待柴油機穩(wěn)定后通入乳化柴油，等5-6 min后柴油機內(nèi)純柴油耗盡調(diào)節(jié)柴油機轉(zhuǎn)數(shù)，記錄功率、油耗，尾氣成分等數(shù)據(jù)。

4.2實驗數(shù)據(jù)分析

4.2.1油耗量

4.2.2尾氣NO含量

圖2為乳化柴油跟0#柴油尾氣中NO含量的對比。可見對于0#柴油，乳化油的NO排放明顯降低，有效減少了尾氣中有害氣體成分。

4.2.3CO含量對比

C0含量的對比，乳化油尾氣CO含量平均約占0.25%左右，0#柴油約占6%，可見乳化油對于減少CO排放量效果明顯。尾氣中CO2、HC等對環(huán)境的影響不大，此處不再討論。

4.3乳化燃料應(yīng)用于柴油發(fā)電機

為了讓柴油發(fā)電機充分啟動并且運行起來，首先讓柴油發(fā)電機預(yù)先燃燒純柴油20 min，第二步讓柴油發(fā)電機的管道和油缸內(nèi)充滿柴油，第三部用自制搭建的乳化設(shè)備上連接乳化油的連接管接上柴油發(fā)電機。開始燃燒時用含水比例為8%的乳化柴油。為使燃燒的狀況更佳，可采用邊乳化邊燃燒的方法，也就是即時燃燒；為使乳化燃料穩(wěn)定性好，在乳化燃料內(nèi)加了極少量的乙醇。

當柴油發(fā)電機由純柴油切換為乳化燃料時，觀察電壓值是否穩(wěn)定在220 V，來證明乳化燃料的效果。實驗結(jié)果：電壓指針所指的數(shù)值在215 V到220 V之間擺動，柴油發(fā)電機發(fā)電燃燒時所產(chǎn)生的聲音非常小，柴油發(fā)電機工作時的振動幅度也非常小，證實乳化燃料是能應(yīng)用于柴油發(fā)電機的。

5結(jié)論

柴油機燃用8%左右含水量的乳化油對其正常工作沒有影響。

相對于純柴油而言，8%乳化柴油通過柴油機燃燒后，尾氣中NO的含量顯著降低。

相對純柴油而言，8%乳化柴油通過柴油機燃燒后，尾氣中CO的含量顯著降低；燃用乳化柴油能減少尾氣中有害氣體的含量，減少環(huán)境污染。

8%的乳化柴油比純柴油減少能耗約5%，節(jié)能效果明顯。

乳化柴油在不添加乳化劑的情況下不是很穩(wěn)定，性能受環(huán)境和乳化方式的影響較大，只能邊乳化邊應(yīng)用。

乳化燃料應(yīng)用于柴油發(fā)電機所產(chǎn)生的電壓還有所波動，有微小的噪聲和振動，對柴油發(fā)電機的影響還須進一步探討和研究。

參考文獻

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