乙醇柴油燃料的研究进展

第21卷第2期精细与专用化学品Feb.20132013年2月 Fine and Specialty Chemicals41乙醇柴油燃料的研究进展于娜娜,高志谨,秦兵杰(中北大学化工与环境学院,山西太原030051)摘要:根据乙醇与柴油的理化性质论述了乙醇作为柴油代用燃料的特点,介绍了乙醇在柴油机中的燃烧方式和节能、环保机理,综述了国内外乙醇柴油燃料的研究进展,最后总结了应用乙醇柴油燃料的意义。关键词:乙醇;柴油;柴油机 Research advance on ethanol diesel fuel YU Na-na GAO Zhi-jin, QIN Bing-jie (Chemical Engineering and Environment Institute, North University of China, Taiyuan 030051, China) Abstract: The characteristics of ethanol as alternative fuel were discussed on the basis of comparison of physico- chemical properties between ethanol and diesel. The combustion way of ethanol, in diesel engine mechanism of its sav ing energy and environmental protection, were introduceed, the advance in utilization of ethanol diesel fuel was dis cussed. Finally, the significance of ethanol diesel fuel application was Key words: ethanol; diesel; diesel engine柴油由石油蒸馏提炼而成,广泛应用于大型车较低,降低对柴油机进气系统的要求;③乙醇的黏辆、柴油发电厂、柴油锅炉等。近年来,随着农业度比柴油低,有利于喷射雾化;④乙醇辛烷值高,和交通运输业的飞速发展,对柴油的需求量日益增具有较高的抗爆性;⑤乙醇闪点比柴油闪点低,约大,但石油是不可再生资源,储量日益减少,出现是柴油的1/5,使得燃料的运输和存放、使用过程了柴油供应不足、价格上涨的趋势。因此,世界各更加安全;⑥乙醇的汽化相变吸热大,有利于柴油国的研究者把目光放到了清洁燃料和代用燃料上。机进气和缸内高温零件的冷却。乙醇是一种无色、易燃和易挥发的液体,它的来源表1柴油、乙醇理化性质比较范围很广,可利用玉米和甘蔗等生物资源生产,或者由乙醛氢化或乙烯水合制成。乙醇价格相对柴油理化性质柴油舒费低廉,理化性能与柴油比较接近,可作为清洁燃料分子式 C2H,OH和代用燃料,对缓解石油的短缺起到了重要的作分子量 C1s-23180~20046用,得到了快速的发展41。密度/(g/cm3)0.8570.789运动黏度/(10m3/s)2.5~8.51.511乙醇燃料的特点沸点/℃180~37078.3冷凝点/℃-1~3-117.3柴油和乙醇的主要理化性质列于表1。从表1闪点/℃65~8813~14中分析得知,乙醇能作为柴油机的代用燃料并且具汽化热/(kJ/kg)0.25~0.300.854有如下特点5-7:①乙醇的C/H比柴油小,对燃十六烷值40~608烧有利;②乙醇的含氧量达34.8%,理论空燃比辛烷值(RON)114115理论空燃比144.46.4收稿日期:2012-07-09基金项目:山西省青年科技研究基金资助项目(201001007-2);太原市大学生创新创业资助项目(1101480);中北大学研究生科技立项资助项目(201012)作者简介:于娜娜(1987-),女,在读硕士研究生,主要研究方向为超重力场中的多相流传质与化学反应。42精细与专用化学品第21卷第2期2乙醇在柴油机中的燃用方式8-9柴油能发生“微爆”效应,使柴油分子与高温空气的混合更均匀,燃烧环境的改善能显著减少烟尘排放。2.1熏蒸法另外,乙醇具有蒸发作用,均衡了燃烧时的温度场,通过低压喷嘴或文丘里管等装置将乙醇雾化,从而抑制了NOx的形成,达到节能环保的目的12然后与空气混合后进入气缸,由柴油点燃。采用这种方法将乙醇作为燃料使用,需要对柴油机进行改5乙醇柴油燃料的研究进展造即安装乙醇雾化装置,并且在使用时乙醇的蒸发国外早就开始了乙醇柴油燃料的研究工作,但量和蒸发温度较难控制,这种方法具有局限性。从20世纪80年代起才重视乙醇作为柴油机代用燃2.2双燃料法料的研究工作,目前已发展成熟。国内从20世纪双燃料法是在柴油机内安装两套高压泵和喷油90年代早期开始研究,清华大学等是国内最早研究器系统,分别用来喷射乙醇和柴油。这种方法不需乙醇柴油燃料的单位。目前国内外对乙醇柴油燃要提前将乙醇和柴油混合,乙醇的替代比例可高达料的研究主要集中在两个方面:①基础理论研究。90%,双燃料法能克服乙醇着火性能差问题节省了为了获取稳定的乙醇柴油燃料,通常采用向乙醇柴资源但是这种方法需要在柴油机内安装喷油系统,油中添加如乳化剂、添加剂等制备成微乳液或乳状柴油机结构复杂,造价高。液,因此基础理论研究集中在乳化剂、稳定剂、十六2.3乳化法烷值增进剂、防锈剂等方面。②应用研究。如乙醇乳化法是将乙醇和柴油乳化而成的油包水(W/柴油燃料的燃烧动力性、燃烧过程、排放特性等。0)型乳液可称为乙醇柴油乳化燃料。它是乙醇和5.1国外乙醇柴油燃料的研究进展柴油在有乳化剂或其他添加剂的条件下制成的稳定美国的ADM公司对乙醇柴油燃料开展了研究乳液,且外观与纯柴油具有相同的颜色,物理和化学工作,将乙醇含量为15%、柴油含量为80%和其他特性也和柴油相近,是一种新型柴油机代用燃料。添加剂为5%的液体混合后制备了一种稳定的乙醇它能有效地解决柴油尾气中颗粒物氮氧化物和碳柴油燃料,在柴油车上进行了386km的行车试验。氢化合物含量高的问题。由于这种方法制备的乙醇国外 Ian Williamson研究了一种稳定的含醇柴油柴油燃料不需要对柴油机进行改造,可以直接使用,燃料,由不同肽胺类物质为乳化剂配成的乳化液,外是目前使用最多的一种方法。观清澈,在低温下稳定性依然良好,尾气排放也有所在20世纪60年代初,前苏联科学家伊万诺夫减少 Hazbun等申请的专利中表明了以直链或等人发现了乳化柴油燃料的“微爆”现象,为乳化柴含支链的脂肪酸或脂肪酸盐可以作为含醇柴油乳化油燃料的节能、环保机理等提供了理论基础。剂的主要成分。巴西的菲亚特汽车测试中心将乙醇添加在3节能机理B20调合生物柴油中,研究了乙醇柴油燃料的燃烧乙醇柴油乳化燃料是油包水(W/O)型乳液,柴与排放的变化规律,结果表明添加乙醇后的燃料能油是连续相,乙醇是分散相,在柴油机气缸温度急剧够有效降低CO2和NOx排放,但CO、颗粒物、碳氢化合物排放有所增加。上升时,由于乙醇的沸点低于柴油先沸腾,体积在瞬印度的E.A.Aav16等测定乙醇柴油燃料的燃间增大,由于乙醇为内相,当油滴中的压力超过柴油烧性质,发动机在无负载转速为1550±10r/min情的表面张力及环境压力之和时,乙醇产生的巨大压况下测定表明:燃烧E5、E10、E15、E20的混合燃料力将冲破柴油膜的束缚,无数乙醇小液珠产生阻力CO的排放与纯柴油相比分别降低了36.8%、使油滴发生爆炸,这就是“微爆”效应。“微爆”后的56.5%、58.8%和62.5%,NOx的排放较纯柴油分柴油雾化成更细小的油滴,燃烧更充分,从而达到节别降低了19.1%、21.8%、23.0%和24.1%,柴油机能效果。在不同温度下都能正常启动,缸内温度随着乙醇的4环保机理增加逐渐降低。运行声音正常。5.2国内乙醇柴油燃料的研究进展柴油机中产生碳氢化合物主要是燃烧不充分导陕西科技大学的马建中等将制革废弃油脂致的,一氧化碳是不完全燃烧得到的产物,生成柴油制备成脂肪酸甲酯,再用脂肪酸甲酯制备乙醇柴油机的碳烟。由于乙醇中含氧使燃烧充分,并且乳化燃料乳化剂。实验结果表明,当柴油的质量分数为2013年2月于娜娜等乙醇柴油燃料的研究进4384%,乙醇的质量分数为16%时,利用制革废弃油脂制备的烷醇酰胺型乳化剂制备的乙醇柴油燃料稳参考文献定性好,粒径分布均匀颜色与0#柴油相当。进行[]苏俊作,马静王汝栋,等柴油机清洁含氧燃料及其研究新燃烧实验后发现燃烧速率比0#柴油稍慢,而烟灰释进展[]拖拉机与农用运输车,2010,37(5):1-5放率较0#柴油降低55.16%,且不会对内燃机及其 [2] Redjem Hadef, Klaus Peter Geigle, Wolfgang Meier, et al. Soot characterization with laser-induced incandescence applied to a lam构件造成腐蚀。 inar premixed ethylene-air flame [J]. Intemational Journal of江苏大学的李铭迪等18在YZ4DB3柴油机上 Thermal Sciences, 2010(49): 1457-1467.进行实验,对燃用乙醇/柴油混合燃料的示功图和排[3 Matti Happonen Tero hde Maria Messing,al. The com放污染物进行测量,分析了燃烧过程与排放特性的 ticles between fossil fuel and novel renewable diesel fuel )] Fu-变化规律。结果表明,随着乙醇掺混比例的增加,混 el.,2010,89(12):40084013.合燃料的滞燃期延长,燃烧终点提前,燃烧持续期缩4]程景明徐莉徐伟平美国巴西和中国燃料乙醇发展现状短。掺混乙醇可以明显降低烟度,如燃用E20时,比较[]世界农业,2008(6):10-13烟度的最大降幅达51%,在小负荷时,碳氢化合物[5]郭瑞莲,纪威乙醇柴油混合燃料的应用研究进展[]山东和CO排放随着乙醇掺混比例的增加而有比较明显内燃机,2006(1):34-38.的升高,但对NOx排放影响不大。6]于建宁,车用乙醇燃料的技术创新发展与对策分析[]石油科技论坛,2003(10):56-63清华大学的陈虎等在一台四缸柴油机上燃7]毛功平,刘永启柴油机燃用乙醇的研究进展[]农业装备用乙醇-甲酯-柴油混合燃料,其中乙醇含量为30%与车辆工程,2006(2):22-25.时,研究了氧含量对柴油机动力性、经济性以及燃烧[8]刘治中,许世海.液体燃料的性质及应用[M]北京:中国石特性的影响。结果表明,在发动机不做调整的情况化出版社,2000下,含氧燃料会使发动机动力有所下降,有效燃油消[9]陈泓,颜文胜,申立中,等E10乙醇柴油乳化技术与稳定性试验研究[]昆明理工大学学报(理工版),2010,35(2):102-耗率上升,但等效燃油消耗率基本不变。随着乙醇105含量的增多,燃烧滞燃期越长、燃烧持续期会缩短,[10] Fu Weibiao, Hou Lingyun Wang Lipo, et al unifiedmodel最大爆发压力升高,放热率峰值增大。 for the micro-explosion of emulsified droplets of oil and water海南大学的赵小洋等(20以正丁醇为助溶剂,研 [J]. Fuel Processing Technology, 2002, 79(2): 107-119.11]曹建喜,董松祥,商红岩,等甲醇柴油的研究进展[J]现代究了乙醇、0#柴油和助溶剂正丁醇比例变化时制得化工,200():4145.的混合燃料的相溶性,发现添加适量正丁醇可有效[12]冯国琳、乙醇柴油燃料的研究进展[]精细石油化工进展,促进乙醇和柴油的均匀相溶,能提高燃料的稳定性。2011,12(7):46-50通过改变乙醇掺混比例,分析了燃料对发动机的经 [13] Mario Randezo, Jose R Sodre. Exhaust emisions from济性和排放性的影响。随着乙醇掺混比的增大,混 diesel powered vehicle fuelled by soybean biodiesel blends(B3 B20)with ethanol as an additive B20E2-B20E5)]. Fuel,合燃料的当量燃油消耗率在中、低负荷时增大,当量2011,90:98-103.燃油消耗率在高负荷时减小;CO排放量在中、高负14] lan Williamson Fuel compositionb6930荷时减小,在低负荷时增大。在发动机所有工况下,07Nx排放量及碳烟排放量混合燃料都比0#柴油有 [15] Hazbun, Edward A, Schon S G. Micro-emulsion fuel system所下降,而碳氢化合物排放量高于0#柴油。P].s4744796,1986-02-04 [16] E. A. Ajav, Bachchan Singh, T K Bhattacharya. Experimental6结语 study of some performance parameters of a constant speed station- ary diesel engine using ethanol-diesel blends as fuel [J]. Bic众所周知,在世界经济高速发展的今天,开发新 mass and Bioenergy, 1999(17): 357-365.能源和提高不可再生资源的利用率已经成为衡量一17]马建中,麻冬,吕斌.制革废弃油脂制备乙醇柴油乳化剂的个国家能否持续发展的一个重要指标,使用乙醇柴油研究[J]石油炼制与化工,2011,42(10):73-77这种新型柴油代用燃料意义重大:①乙醇可由陈化粮[18]李铭迪,王忠,许广举,等乙醇/柴油混合燃料燃烧过程与排放试验研究[]业程223制得,有利于粮食的转化、消费产业的循环,促进社会[19]陈虎,王建昕,帅石金,乙醇甲酯柴油含氧燃料对柴油机性经济的发展;②减少对石油依赖,缓解能源压力;③改能与燃烧特性的影响[J]燃烧科学与技术,2007,13(3):善大气环境污染,为人民生活和生产创造清洁适宜的243-247.环境。世界各国应加强乙醇燃料产业新技术的研究20]赵小洋,陈振斌,张雷,等柴油机燃烧乙醇柴油混合燃料的与开发,积极创造有利于推广使用车用乙醇柴油燃料燃油经济性及排放特性研究[J].汽车工程学报,2012,2(1):的宏观政策环境等来大力推广乙醇柴油燃料。4046