甲醇燃料分裝式儲罐研究及性能測試

李曉錦 閆海軍 藺歡歡 馬軍 陳彪

基金項目：陜西省技術創新引導專項（2022QFY06-02）

第一作者簡介：李曉錦（1990-），男，碩士，工程師。研究方向為清潔能源。

DOI：10.19981/j.CN23-1581/G3.2024.13.012

摘? 要：甲醇清潔燃料及配套設備在民用炊事行業的應用，是發展甲醇清潔燃料擴大應用領域成熟可行的推廣技術。該文開發出一種新型甲醇燃料分裝式儲罐，首先選取6種不同橡膠內膽材料浸泡甲醇液體一定時間，結果表明其抗甲醇溶脹作用由好到差依次為丁睛橡膠、氫化丁睛橡膠、三元乙丙橡膠、硅橡膠、聚氨酯橡膠、F橡膠，最終選取丁腈橡膠作為內膽材料，其次對甲醇分裝式儲罐釋放流量穩定性測試，結果表明該儲罐在惰性氣體驅動下將儲罐中液體完全釋放，但伴隨著流量釋放存在衰減。最后將儲罐與灶具適配性測試，結果表明與傳統電磁泵驅動效果相當，完全正常運行，可以作為甲醇儲罐一種多元化選擇。

關鍵詞：甲醇燃料；民用炊事；儲罐；自驅動；性能測試

中圖分類號：TK-9? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2095-2945（2024）13-0048-04

Abstract： The application of methanol clean fuel and its supporting equipment in civil cooking industry is a mature and feasible promotion technology in the field of expanding application of methanol clean fuel. In this paper， a new type of separately packed methanol fuel storage tank is developed. Firstly， six different rubber liner materials are selected to soak methanol liquid for a certain time. The results show that the anti-methanol swelling effect is in the following order： butadiene binder rubber， hydrogenated butadiene butadiene rubber， EPDM rubber， silicone rubber， polyurethane rubber， F rubber. Finally， nitrile rubber is selected as the inner tank material. Secondly， the release flow stability of methanol separate storage tank is tested. The results show that the liquid in the tank is completely released under the drive of inert gas， but attenuates with the flow release. Finally， the adaptability of the storage tank and the stove is tested， and the results show that the driving effect is similar to that of the traditional electromagnetic pump， and it can be used as a diversified choice for methanol storage tank.

Keywords： methanol fuel; civil cooking; storage tank; self-drive; performance test

能源與環境問題已成為影響中國乃至世界經濟和社會發展重要因素，發展甲醇清潔燃料產業既能解決能源問題又能解決環保問題，是未來清潔能源發展道路首選[1-5]。甲醇清潔燃料及配套設備在民用炊事行業的應用，是發展甲醇清潔燃料擴大應用領域成熟可行的推廣技術[6]。隨著技術的不斷進步，相關配套設施的完善，標準化工作的完成，符合當前國情國策和社會需求，也會產生巨大的經濟效益和社會效益[7]。

由于甲醇燃料不能像液化石油氣等燃料那樣被加壓壓縮，所以甲醇儲罐也不能像液化石油氣罐那樣使燃料自動從罐中輸送至燃具。目前甲醇燃料采用常壓儲罐存儲，使用燃料泵將甲醇燃料增壓后供燃燒裝置使用。在商業、工業、農業熱力燃燒領域使用這種方式是可行的，也是安全可靠的。但是，在將甲醇燃料用于民用時，運用甲醇燃料泵把常壓燃料桶中的燃料泵入民用熱水器或甲醇灶具就存在技術障礙和安全性問題[8-9]。

為解決上述問題，亟需開發一種新型民用分裝式甲醇儲罐，替代原有甲醇燃料儲存方式，采用的技術是儲罐自驅動輸送技術。自驅動輸送技術是指先將甲醇液體定量充裝入鋼瓶，然后再向鋼瓶與內膽之間充裝惰性氣體，使鋼瓶內的充裝壓力達到合格。這樣依靠惰性氣體形成壓力可將甲醇燃料輸送至燃具，該系統下儲罐屬于常用容器。

本文通過甲醇燃料分裝式儲罐內膽材料的研究，確定一種優良橡膠內膽材料，具備耐甲醇溶脹性能。再對儲罐和橡膠內膽材料進行設計與加工組裝，對甲醇分裝式儲罐流量輸送穩定性以及搭配民用灶具適用性進行測試。

1? 甲醇燃料分裝式儲罐內膽材料研究

本試驗選取6種常用橡膠材料，分別為丁睛橡膠（NBR）、F橡膠（FPM）、三元乙丙橡膠（EPDM）、硅橡膠（MVO）、氫化丁睛橡膠（HNBR）以及聚氨酯橡膠（PU）。參照國家標準GB/T 1690—2010《硫化橡膠或熱塑性橡膠耐液體試驗方法》通過測定橡膠試樣在甲醇液體中常溫浸泡不同時間后的質量和外徑變化率來對比甲醇對各種橡膠溶脹性的影響[10]，測試周期28 d。圖1為試驗橡膠28 d后質量和外徑最終變化率的柱狀圖（增大與減小都為變化，所以取其絕對值進行對比）。

圖1? 試驗橡膠最終變化率

從圖1可以看出，試驗28 d后，結合質量與外徑變化率可以得出以下結論，總體抗甲醇溶脹作用由好到差依次為丁睛橡膠、氫化丁睛橡膠、三元乙丙橡膠、硅橡膠、聚氨酯橡膠、F橡膠。其中，F橡膠、聚氨酯橡膠、氫化丁睛橡膠外徑增大；丁睛橡膠、硅橡膠、三元乙丙橡膠外徑縮小。本研究甲醇分裝式儲罐內膽選用丁腈橡膠。

2? 甲醇分裝式儲罐設計

基于國家完全納入《固定式壓力容器安全技術監察規程》適用范圍的壓力容器應同時具備下列3個條件：壓力P≥0.1 MPa；容積V≥0.025 m3；介質為氣體，液化氣體或最高工作溫度高于等于標準沸點的液體[11]。本項目開發出甲醇分裝式儲罐為常壓容器（圖2），旨在安全高效使用。橡膠內膽設計：內膽充滿11 kg，換算容積13.75 L。

圖2? 甲醇燃料分裝式儲罐

3? 甲醇分裝式儲罐流量輸送穩定性測試

3.1? 流量輸送最小驅動壓力測試

為了使甲醇分裝式儲罐充裝惰性氣體以及充裝滿甲醇燃料后仍能保持為常壓容器，首先以初始驅動壓力為0.01 MPa進行測試，充裝11 kg甲醇燃料后儲罐壓力變為0.08 MPa，驗證在惰性氣體自驅動下，甲醇燃料是否可以釋放完成（表1）。

表1? 甲醇燃料分裝式儲罐參數

甲醇燃料充裝完成后，將分裝式儲罐閥門開到最大時，釋放出甲醇燃料質量變化如圖3所示，最終可以流出10.89 kg，達到充裝甲醇的99%，幾乎是全部流出，得出在初始驅動壓力0.01 MPa、工作最大壓力0.08 MPa，可以滿足將甲醇燃料全部釋放完成。

圖3? 甲醇儲罐流量釋放趨勢

3.2? 儲罐輸送最小流量測試

通過調節甲醇儲罐角閥大小，共測試5組儲罐輸送流量數據如圖4所示，1—5組分裝式儲罐釋放平均流量分別為6.39、3.67、3.16和1.72、0.16 kg/h，得出甲醇儲罐目前可以控制最小流量為0.16 kg/h。

圖4? 甲醇儲罐釋放最小流量

測試過程中心釋放流量會出現衰減現象，如圖5所示，達不到穩定控制，流量衰減依次為37%、39%、45%、60%、94%，得出甲醇儲罐流量越小時，衰減程度越嚴重。

圖5? 甲醇儲罐流量衰減度

3.3? 測試結論

本測試得出通過自驅動方式可以將儲罐內甲醇燃料釋放完全，達到設計要求。

4? 甲醇分裝式儲罐與民用灶具適配性測試

4.1? 測試流程

分別對甲醇商用灶具一、二、三、四檔控制時，灶具運行15 min，記錄甲醇消耗量。將灶具電磁泵接短路后，調節儲罐閥門，從灶具運行起記錄為最小檔，再調節4個檔位，灶具運行15 min，記錄甲醇消耗量。

4.2? 結果分析

4.2.1? 2種方式下灶具用甲醇消耗量

如圖6所示，使用電磁泵驅動時，一檔和二檔控制下甲醇消耗量基本接近、三檔和四檔控制下甲醇消耗量基本接近，說明電磁泵驅動時甲醇灶具可以實現小火和大火。使用惰性氣體自驅動時，通過調節儲罐閥門，二檔和三檔控制下甲醇消耗量基本接近，說明甲醇灶具可以實現小火、中火、大火3個檔位。另外自驅動下小火狀態下甲醇消耗量較電磁泵驅動下少，說明自驅動可以實現更小火控制；兩者驅動方式下大火狀態甲醇消耗量基本一致。

圖6? 2種方式下灶具用甲醇消耗量

4.2.2? 自驅動控制下甲醇灶具甲醇消耗量

使用惰性氣體自驅動時，甲醇灶具運行15 min，以2 min 30 s為一個單位記錄甲醇消耗量，共計6組數據。由圖7可見，小火狀態下，2 min 30 s、5 min、7 min 30 s、10 min、12 min 30 s、15 min時，甲醇消耗量分別為0.11、0.09、0.07、0.05、0.04、0.03 kg，依次降低，結合灶具運行時火焰出現斷斷續續、一上一下情況，可以說明在小火狀態下惰性氣體驅動流量不穩定。中火和大火狀態下，每個時間段甲醇消耗量波動在0.01 kg左右，可以說明在中火和大火時，甲醇灶具運行穩定，可以正常運行。

圖7? 自驅動控制下灶具用甲醇消耗量

4.2.3? 不同驅動方式甲醇灶具運行噪音

從如圖8所示，電磁泵驅動時甲醇灶具一檔與二檔、三檔和四檔噪音相近，與甲醇消耗量趨勢一致。惰性氣體驅動時一檔噪音最小、二檔和三檔噪音相近，四檔噪音最大，與甲醇消耗量趨勢一致。二者對比，一檔時自驅動運行時灶具噪音較電磁泵較小，二檔、三檔、四檔噪音相近，由此可見，自驅動一檔運行時具備優勢。

（a）? 電磁泵驅動時甲醇灶具運行噪音

（b）? 自驅動時甲醇灶具運行噪音

圖8? 不同驅動方式甲醇灶具運行噪音

4.2.4? 灶具燃燒煙氣CO含量

對2種驅動方式下甲醇灶具燃燒煙氣排放中CO含量測試，如圖9（a）所示，在電磁泵驅動下，甲醇灶具一檔、二檔、三檔和四檔控制時燃燒煙氣中CO含量相當，均在10～20 ppm。如圖9（b）所示，在惰性氣體驅動時，甲醇灶具在一檔時燃燒煙氣中CO含量較其他檔位高10 ppm左右，分析由于一檔時甲醇分裝式儲罐流量驅動不穩定造成，導致燃燒過程火焰會出現斷斷續續的現象。

（a）? 電磁泵驅動下甲醇灶具燃燒煙氣中CO

（b）? 惰性氣體自驅動灶具燃燒煙氣中CO

圖9? 不同驅動方式甲醇灶具煙氣中CO

4.2.5? 測試結論

通過對電磁泵和惰性自驅動2種方式下甲醇灶具運行工況進行測試，得出甲醇分裝式儲罐與灶具匹配可以正常運行，實現分檔控制，甲醇消耗量、噪音與電磁泵驅動相當。惰性氣體自驅動在甲醇商用灶具運行方面可以替代電磁泵驅動。

5? 結論

本文通過對甲醇分裝式儲罐內膽材料、儲罐釋放流量穩定性以及與灶具適配性測試，得出如下結論：

1）甲醇分裝式儲罐內膽材料選用丁腈橡膠，其耐甲醇溶脹性最優。

2）通過惰性氣體自驅動可以將儲罐中甲醇燃料釋放完全，但控制在小流量時衰減比較嚴重。

3）該甲醇分裝式儲罐與灶具匹配性使用可以滿足正常使用。

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