不同比例的生物柴油乳化試驗研究

吳則旭++姚明傲

摘 要：多次試驗生物柴油乳化和制備乳化劑，用顯微鏡觀察乳化效果，測量顆粒直徑大小，進行燃燒排放試驗研究分析，選出較好的生物柴油乳化比例。

關鍵詞：生物柴油 乳化試驗 顆粒大小

前言

近3年以來我國霧霾天氣日益加重，其重要原因就是越來越多的汽車排放有害氣體。多項科學研究表明，使用代用燃料可以有效降低汽車尾氣排放[1]。其中生物柴油可以與柴油在柴油機上混合或直接應用，是一種未來前景非常廣闊的代用燃料[2]。

為了解決柴油機燃用生物柴油NOx排放增加的問題，本文中采用乳化技術，制備乳化生物柴油，實現柴油機燃用代用燃料，同時降低碳煙和NOx的目的。

1、乳化試驗研究

1.1 乳化劑的制備和選擇

試驗目的：觀察乳化液從穩定到析出的變化現象，并記錄穩定時間，選擇穩定性較好的乳化液。穩定時間越長證明乳化液穩定性越好[3]。

吸取之前研究經驗，并查閱相關論文資料，本試驗共采用以下10種復配乳化劑， 如表1所示。

試驗儀器：200ml廣口瓶若干；200ml燒杯若干；100ml量筒若干；溫度計10只；玻璃棒10只；10ml滴管若干。

試驗方法：10種乳化液配比共做10次試驗，規定各試驗生物柴油體積都是40ml；設定水浴加熱溫度為35℃，把裝有生物柴油的燒杯靜置在溫水中加熱15分鐘；把10種配比乳化劑與生物柴油倒入200ml燒杯中，進行攪拌乳化，觀察10種乳化液開始分層的時間并記錄整理。

由上表可知，6h穩定時間后，甲醇+乙醇乳化液仍沒有明顯分層現象，乳化效果較好。對比分析原因：甲醇本身氧的比例高達50%，汽化潛熱值是柴油3.6倍[4]，燃燒時可以有效減少炭煙和NOx排放；乙醇作為優良的燃料和助乳劑，能促進油-水界面融合，大幅增加乳化液的穩定性。

由以上得知，在生物柴油里添加醇類燃料，可以提高乳化液穩定性，又從國內外的研究表明，在生物柴油-乙醇體系中添加一部分水，使生物柴油燃燒更充分。故在以下實驗中，將利用甲醇、乙醇和水一定比例復配乳化劑的效果。

1.2 乳化劑顆粒大小分析

查閱資料得知，在生物柴油乳化液穩定性影響因素中，油包水粒徑大小可以排在前幾位。如果乳液的粒徑小且均勻分布，那乳液的穩定時間越長。本次試驗利用一臺顯微鏡來觀察記錄乳化劑顆粒直徑大小并做數據分析。

試驗設備：三目生物顯微鏡XSP-BM8A型，放大倍數為40X-1000X。

相關科學試驗表明，乳化液中不能超過10%的含水量：比例過高會在諸多方面都造成消極影響，比如燃料的十六烷值、熱值及著火燃燒特性；但比例過少，也起不到乳化效果。綜合以上因素，本試驗選取3種試劑進行對比研究：第一種為100%含量的生物柴油，第二種為含水量2.5%的乳化液（生物柴油40ml，甲醇3ml，乙醇15ml，水1.5ml），第三種為含水量5%的乳化液（生物柴油40ml，甲醇3ml，乙醇15ml，水3ml）。在顯微鏡下觀察這3種乳化液粒徑大小，記錄相關數據。

由顯微鏡觀察看到，第一種試劑純生物柴油呈顆粒狀分布，粒徑大小不一，只有一部分融合在一起。含水量2.5%乳化液和含水量5%乳化液在顯微鏡下都呈細胞狀分布，整體都為均勻分布，為油包水結構。其中 5%含水乳化液與2.5%含水乳化液相比，顆粒直徑略短，且都小于10μm，分布均勻，綜合來說乳化效果較好。

通過以上研究，本試驗選取含水量2.5%乳化液（簡稱乳2.5）和5%的乳化液（簡稱乳5）試劑和生物柴油（簡稱B100）進行下一階段發動機臺架試驗。

2、 NOx排放分析

試驗工況設定：本次試驗對以上3種燃料分別進行1200r/min，1400r/min，1600r/min，1800r/min和2000r/min轉速下的負荷特性實驗和30N·m，50 N·m，70 N·m，90 N·m和極限負荷下的速度特性試驗。由于篇幅所限，僅取70 N·m負荷下的燃燒排放數據作曲線分析。

試驗條件設定：保證柴油機進行速度特性試驗研究時負荷一直處于70 N·m ，其它柴油機性能參數始終不變。在整個試驗過程中，同一臺柴油機機依次燃用生物柴油、乳2.5和乳5，設定轉速和負荷均為前文提及的10個測量點，利用專業設備AVL-4000排放分析儀進行檢測分析排放的尾氣，記錄相關排放數據。整理數據并繪制以下排放曲線圖。

從圖中我們可以看出隨轉速的提高，乳2.5和乳5的NOx的排放在不斷的降低。乳化油可燃混合氣的焰前反應時間延長，使燃料和空氣的混合更均勻。由于水的加入，降低了混合氣的濃度。微爆效應提高了混合氣的均勻度，減少了局部富氧現象，縮短了燃燒持續期和高溫持續時間，從而減少了 NOx的生成和排放量。

3、結論

經過生物柴油乳化試驗、顆粒大小分析以及排放試驗，對比分析得到以下結論：

（1）在乳化試驗中，加入甲醇和乙醇后，乳化液穩定時間最長，通過顯微鏡的觀察，相比于乳2.5，乳5的顆粒分布更加均勻，顆粒直徑較小。

（2）在排放試驗中，隨轉速的提高，相比于B100，乳2.5和乳5的NOx排放在不斷的降低。。

（3）綜合考慮乳化效果、顆粒大小以及尾氣排放，乳5為比較優良的實際應用比例。

參考文獻：

[1]湯湘華，李雪峰，羅艷托，等.國內車用替代燃料的發展現狀及展望[J].石油規劃設計，2012，03：15-18：40-42.

[2]李攀，王賢華，李允超.生物柴油研究現狀及其進展[J].能源與節能，2012，10：31-32.

[3]樓狄明，石健，趙杰，等.共軌柴油機燃用不同配比生物柴油的性能與排放特性[J].內燃機工程，2009，30（6）：21-25.

[4]黃勇成，韓旭東，王麗.生物柴油-生物油乳化油的燃燒排放特性[J].工熱物理學報，2011，32（8）：1418-1420.

作者簡介：

吳則旭（1988—），男，碩士，助教，主要研究方向，汽車代用燃料。