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        沼氣發(fā)動機(jī)專用油的研制

        2014-11-14 02:47:24盧朝霞肖友程黃福川
        當(dāng)代化工 2014年9期
        關(guān)鍵詞:聚醚基礎(chǔ)油沼氣

        李 勝,盧朝霞,肖友程,黃福川

        (廣西大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院,廣西石化資源加工及過程強(qiáng)化技術(shù)重點實驗室, 廣西 南寧 530004)

        沼氣是一種資源豐富同時價格低廉的優(yōu)良的生物質(zhì)能源。它是有機(jī)物在厭氧條件下,經(jīng)過多種微生物共同作用發(fā)酵而成的可燃性氣體。當(dāng)前,隨著沼氣技術(shù)的不斷發(fā)展和成熟,沼氣工程的不斷普及,發(fā)酵工藝的日趨完善,沼氣年產(chǎn)量也不斷增加。由于沼氣具有資源豐富、價格便宜、燃燒完全、排放清潔和可再生利用等優(yōu)點。因此,沼氣發(fā)動機(jī)技術(shù)的研究也得到了越來越多的重視。

        現(xiàn)代使用的沼氣發(fā)動機(jī)包括了雙燃料發(fā)動機(jī)和純沼氣發(fā)動機(jī)[1]。雙燃料發(fā)動機(jī)主要由傳統(tǒng)柴油機(jī)和汽油機(jī)改裝而成,其點火方式是向燃燒室內(nèi)噴入少量柴油引燃。純沼氣發(fā)動機(jī)又稱為單燃料發(fā)動機(jī),是一類利用高能點火系統(tǒng)進(jìn)行引燃的發(fā)動機(jī)。

        通過研究發(fā)現(xiàn),沼氣發(fā)動機(jī)的性能除了結(jié)構(gòu)設(shè)計因素外, 它在某種程度上取決于沼氣的特征[2]。通常,沼氣主要成分是甲烷和二氧化碳,此外還有少量的氫氣、一氧化碳、氮氣、硫化氫等氣體。其中,甲烷約占 50%~70%,二氧化碳約占 30%~50%,其余氣體含量很少,約占總體積的 2%。由于沼氣是一種混合氣體,熱值不穩(wěn)定(CH4和 CO2比例不穩(wěn)定)、成分復(fù)雜(含有 CO2、H2S、鹵素碳?xì)浠衔?、氯氟烴和含硅固體顆粒物等),因此,沼氣發(fā)動機(jī)專用油與普通發(fā)動機(jī)油在性能要求上有較大的差別。如果使用普通發(fā)動機(jī)油,很可能因為各種潤滑問題而導(dǎo)致沼氣發(fā)動機(jī)不能正常工作,發(fā)生故障。

        1 沼氣發(fā)動機(jī)的特點及潤滑性能要求

        沼氣發(fā)動機(jī)有如下特點:①沼氣進(jìn)入發(fā)動機(jī)后,由于冷卻產(chǎn)生飽和水蒸氣,沼氣中的CO2溶解于水,形成帶有一定腐蝕性的碳酸;②沼氣中含有微量 H2S,本身具有一定的腐蝕性,與水、氧接觸后形成硫酸,會嚴(yán)重腐蝕氣缸、軸瓦、活塞環(huán)等發(fā)動機(jī)部件;③沼氣中含有大量的CO2(20%~50%),致使沼氣燃料的燃燒速度較慢,燃燒持續(xù)時期變長,使得發(fā)動機(jī)油粘度增大。同時,甲烷的燃燒溫度較高,這導(dǎo)致燃燒產(chǎn)物中產(chǎn)生較多的氮氧化物,從而導(dǎo)致發(fā)動機(jī)油產(chǎn)生更多的油泥。④沼氣中含有一定的灰塵和含硅顆粒物。灰塵進(jìn)入發(fā)動機(jī)就會黏到發(fā)動機(jī)零件的油膜上,會阻塞、損壞軸承,并急劇地縮短許多發(fā)動機(jī)零件的壽命[3];同時,含硅顆粒物容易在發(fā)動機(jī)里聚積,造成氣門、氣缸套、閥門等部件的磨損。⑤沼氣發(fā)動機(jī)一般應(yīng)用于工業(yè)發(fā)電,要求發(fā)動機(jī)具有長期運(yùn)行不停機(jī)、連續(xù)變負(fù)載工作等特點,因此發(fā)動機(jī)油應(yīng)該具有良好的綜合使用性能,防止發(fā)動機(jī)油粘度上升、潤滑性下降等現(xiàn)象出現(xiàn)。

        根據(jù)沼氣發(fā)動機(jī)工作時間長、工況復(fù)雜,沼氣燃料性質(zhì)復(fù)雜等特點,所研制的沼氣發(fā)動機(jī)專用油應(yīng)該具有優(yōu)秀的抗熱氧化安定性、抗硝化性、抗乳化性、抗泡性、抗磨損性和清凈分散性;同時,考慮到沼氣中含有一定量的的 H2S,且沼氣本身不具有潤滑性和冷卻功能,研制油還應(yīng)該有良好的堿值保持能力和合適量的灰分等要求。

        2 沼氣發(fā)動機(jī)專用油的研制

        2.1 基礎(chǔ)油的選擇

        由于沼氣燃料成分復(fù)雜、燃燒溫度較高、燃燒周期長、腐蝕性較強(qiáng)等特點,傳統(tǒng)的礦物油已經(jīng)不能滿足沼氣發(fā)動機(jī)的潤滑要求。與傳統(tǒng)礦物油相比,合成潤滑油具有更好的抗氧化穩(wěn)定性、黏溫性等,適用于燃燒情況更為苛刻、復(fù)雜的工況下。通過研究分析,單一種類的合成潤滑油難以滿足沼氣發(fā)動機(jī)的工作需求。因此,本研制油采用采用聚α-烯烴和有油溶性的聚醚合成油(OSP)復(fù)合作為基礎(chǔ)油,配合多種復(fù)合添加劑而成。

        聚醚合成油全稱為聚烷撐二醇,PAG是其簡稱。聚醚合成油是由環(huán)氧乙烷(簡稱EO)、環(huán)氧丙烷(簡稱 PO)、環(huán)氧丁烷(簡稱 BO)、四氫吠喃(簡稱 THF)和長鏈α-烯烴氧化物(簡稱 AO) 等其中的一種或幾種單體加成(共) 聚合而得到的(共) 聚合物[4]。傳統(tǒng)的聚醚合成油粘度等級廣,具有較高的粘度指數(shù)、優(yōu)異的低溫流動性、出色的沉積控制和清潔性等。然而,其與礦物油的不溶性(換油前必須徹底清洗)、彈性體相溶性以及高吸濕性的問題,也極大地限制了其應(yīng)用。通過連續(xù)成焦板試驗和間歇成焦板試驗,筆者發(fā)現(xiàn)在高溫工況下,粘度指數(shù)較高的基礎(chǔ)油控制沉積物的生成較粘度指數(shù)低的基礎(chǔ)油有一定的優(yōu)勢。

        綜上考慮,本研制油基礎(chǔ)油之一采用有油溶性的聚醚合成油。有油溶性的聚醚合成油(OSP)是一種新型的合成基礎(chǔ)油,該合成油除了具有傳統(tǒng)聚醚合成油的優(yōu)點外,還具有優(yōu)秀的減摩擦能力和成膜能力,優(yōu)異的控制油泥、積碳的能力,以及良好的熱氧化穩(wěn)定性和導(dǎo)熱性等。其理化性能見表 1,根據(jù)沼氣燃料性質(zhì)和沼氣發(fā)動機(jī)工況,選擇OSP68作為發(fā)動機(jī)基礎(chǔ)油。

        第Ⅵ類基礎(chǔ)油聚a-烯烴(PAO)是以a-烯烴為原料,在催化劑作用下聚合而成的一類長鏈烷烴。與其他類型的合成油相比, 除綜合性能優(yōu)良外, 其原料來源豐富, 且價格又相對低廉。因此,早已得到諸如ExxonMobil、BP Amoco及Chevron等跨國石油公司的帶頭研究開發(fā)和應(yīng)用[5]。聚 a-烯烴在粘溫特性、低溫流動性、粘度指數(shù)、添加劑感受性、蒸發(fā)損失及熱氧化安定性等方面有著優(yōu)異的性能。采用聚a-烯烴作為基礎(chǔ)油,能有效地預(yù)防沼氣發(fā)動機(jī)高溫造成的發(fā)動機(jī)油氧化變質(zhì)和粘度增長,減少沼氣發(fā)動機(jī)運(yùn)動部件上的沉積物產(chǎn)生,延長換油周期,減少燃料消耗。通過研究與分析,選用PAO10作為基礎(chǔ)油之一。

        表1 PAO10的理化性能Table 1 The physical and chemical property of PAO10

        2.2 添加劑的選用

        目前,僅僅對使用汽油和柴油作燃料的內(nèi)燃機(jī)油有相應(yīng)的規(guī)范,而對于燃?xì)獍l(fā)動機(jī)潤滑劑所需的性能要求并沒有詳細(xì)、確定的技術(shù)規(guī)范。使用氣體燃料發(fā)動機(jī)(不包括改用液化石油氣或丙烷的車用發(fā)動機(jī)),要求潤滑油的配方設(shè)計和調(diào)和要滿足特殊的性能要求[6]。使用氣體燃料發(fā)動機(jī),尤其使用沼氣這種成分復(fù)雜、組分不穩(wěn)定的燃料,添加劑的選擇格外關(guān)鍵。

        通過利用旋轉(zhuǎn)彈氧試驗、四球試驗機(jī)等進(jìn)行試驗,分析基礎(chǔ)油和各種添加劑之間的感受性和協(xié)同性,對清凈分散劑、極壓抗磨劑、抗氧化劑、防銹劑、金屬鈍化劑等添加劑進(jìn)行篩選和配比,提高和改善沼氣發(fā)動機(jī)油的熱氧化安定性、抗硝化性、抗腐蝕性、抗磨性等性能,以滿足沼氣發(fā)動機(jī)的工作需求。

        2.2.1 抗氧防腐劑的選擇

        沼氣的主要成分是CH4和CO2。CH4的燃燒點為538 ℃,是熱穩(wěn)定良好、熱值較高的燃料,沼氣發(fā)動機(jī)的排氣口溫度一般可以達(dá)到 450~700 ℃。CO2是不可燃?xì)怏w,由于燃料中含有大量的 CO2,因此沼氣燃料的燃燒速度較慢、燃燒周期較長,會產(chǎn)生一定量的氮氧化物,從而出現(xiàn)發(fā)動機(jī)油氧化變質(zhì)、油泥沉積、酸值增加等情況。此外,沼氣燃料進(jìn)入發(fā)動機(jī)后,由于冷卻作用,產(chǎn)生飽和水蒸氣。水蒸氣、氧氣與沼氣燃料中的 CO2、H2S接觸后,會形成碳酸和硫酸,嚴(yán)重腐蝕氣缸、軸瓦、活塞環(huán)等發(fā)動機(jī)部件。

        為了延緩發(fā)動機(jī)油的氧化速度,抑制氮氧化物的產(chǎn)生,防止發(fā)動機(jī)內(nèi)零件被腐蝕,實驗室采用旋轉(zhuǎn)氧彈實驗方法對抗氧防腐劑進(jìn)行考察,并綜合平衡了各因素,最終采用硫磷雙辛基堿性鋅鹽作為抗氧防腐劑。

        2.2.2 清靜分散劑的選擇

        燃料中重組分可潤滑進(jìn)氣門以減少磨損,同時重組分燃燒后產(chǎn)生煙炱,煙炱有潤滑排氣門的功能。沼氣中沒有重組分,因此需要在清凈分散劑中加入一定的灰分提供潤滑。含灰添加劑(主要是清凈劑)燃燒所產(chǎn)生的殘留物能形成有助于保護(hù)閥和閥座表面的固體潤滑劑[6]。然而,含灰量太高的潤滑油,也會產(chǎn)生火花塞變臟阻塞、燃燒室產(chǎn)生沉積物、活塞環(huán)阻卡、進(jìn)排氣口阻塞等問題,從而導(dǎo)致發(fā)動機(jī)功率、效率的低下以及排放物的增多。此外,沼氣燃料燃燒后的產(chǎn)物,容易泄露到曲軸箱部分,與發(fā)動機(jī)油聚合,產(chǎn)生漆膜和膠質(zhì)沉積物,從而導(dǎo)致油品變質(zhì)、腐蝕加劇、活塞環(huán)粘結(jié)阻塞等現(xiàn)象的發(fā)生。

        表2 OSP理化性能Table 2 The physical and chemical property of OSP

        清凈分散劑的主要作用是通過中和潤滑油中的有機(jī)酸和無機(jī)酸、氧化中間產(chǎn)物、吸附和洗滌積碳和漆膜等固體小顆粒以及增溶作用, 以阻止進(jìn)一步縮合而生成漆膜和積炭,保持發(fā)動機(jī)內(nèi)部的清潔??紤]到沼氣燃料燃燒的高溫性和長期性,以及沼氣自身沒有重組分對排氣口進(jìn)行潤滑的特性。同時,考慮到沼氣燃料中含有較多的腐蝕性及酸性成分,需要選擇合適的清凈分散劑,中和腐蝕性物質(zhì)和酸性物質(zhì),緩解和降低發(fā)動機(jī)的腐蝕情況。本研制油加入的清凈分散劑采用烷基水楊酸鈣和高堿石油磺酸鈣復(fù)合,不僅可以清洗油泥和積碳質(zhì)等物質(zhì),保護(hù)研制油的抗磨性和可過濾性,而且可以控制油品氧化變質(zhì),延長了油品的換油期,提高了發(fā)動機(jī)油經(jīng)濟(jì)性。

        2.2.3 極壓抗磨劑的選擇

        考慮到沼氣發(fā)動機(jī)不僅應(yīng)用在長時間處于變負(fù)載工作、溫度高等惡劣工況下;而且沼氣燃料中的硅顆粒物易在發(fā)動機(jī)里聚積,造成氣門、活塞及襯里的磨粒磨損,影響發(fā)動機(jī)使用壽命。因此,為了保證沼氣發(fā)動機(jī)的良好潤滑,降低發(fā)動機(jī)部件表面之間的摩擦、損傷的可能性,提高發(fā)動機(jī)的工作效率,延長其使用壽命,研制油需要添加極壓抗磨劑以提高其抗磨、極壓性能。根據(jù)沼氣發(fā)動機(jī)專用油使用要求,通過四球試驗機(jī)及齒輪試驗機(jī)進(jìn)行試驗,選用磷酸三甲酚酯和硫代磷酸胺鹽復(fù)合作為極壓抗磨劑。

        2.2.4 防銹劑的選擇

        沼氣燃料成分復(fù)雜,除了主要成分CH4、CO2,還含有氯氟烴、鹵素碳?xì)浠衔铩⑺魵?、H2S等。其中,CO2與水結(jié)合會形成碳酸,鹵素碳?xì)浠衔锶紵髸纬捎懈g性的鹵素酸,H2S會溶于水形成腐蝕性強(qiáng)的硫酸。因此,即便當(dāng)前燃?xì)獍l(fā)動機(jī)連干和軸承采用鉛作為主要材料,有較強(qiáng)的抗腐蝕防銹性,但是依舊會受到上述所提及的酸的腐蝕作用,造成銹蝕。防銹劑是一類阻止、延緩腐蝕和銹蝕的物質(zhì)。常用的防銹劑有防銹劑有十二烯基丁二酸鹽、金屬碘酸鹽、咪唑啉化合物、胺類等??紤]到沼氣燃料燃燒產(chǎn)物的特殊性,本研制油選用石油磺酸鈉和二壬基萘磺酸鋇復(fù)合作為防銹劑。

        2.2.5 金屬鈍化劑的選擇

        在高溫工況下,金屬是潤滑油氧化的催化劑。為了預(yù)防沼氣發(fā)動機(jī)工作時,發(fā)動機(jī)高溫導(dǎo)致的發(fā)動機(jī)油劇烈氧化,形成酸、油泥和沉淀物,造成金屬表面的腐蝕和發(fā)動機(jī)油變稠,采用噻二唑衍生物做為金屬鈍化劑。噻二唑衍生物在高溫狀態(tài)下,與發(fā)動機(jī)金屬表面發(fā)生絡(luò)合反應(yīng),形成耐腐蝕的鈍化物,從而達(dá)到抑制金屬對沼氣發(fā)動機(jī)油的高溫強(qiáng)氧化過程的催化作用的目的。沼氣發(fā)動機(jī)專用油使用要求,通過四球試驗機(jī)及齒輪試驗機(jī)進(jìn)行試驗,選用磷酸三甲酚酯和硫代磷酸胺鹽復(fù)合作為極壓抗磨劑。

        2.2.6 抗氧劑的選擇

        由于沼氣發(fā)動機(jī)長時間處在高溫與金屬表面接觸和強(qiáng)氧條件的工況下,因此氧化安定性是其重要的性能之一,添加適量的抗氧劑可使油品的使用壽命延長。本研制油采用對、對-二異辛基二苯胺和2、6-二叔丁基混合酯復(fù)合作為抗氧劑,能較好的提高研制油的氧化安定性。

        3 研制油的理化性能

        表3 沼氣發(fā)動機(jī)專用油理化性能Table 3 The physical and chemical property of biogas engine for oil

        采用PAO與有油溶性的聚醚合成油(OSP)復(fù)合作為基礎(chǔ)油,通過利用旋轉(zhuǎn)彈氧試驗、四球試驗機(jī)等進(jìn)行試驗,選擇和復(fù)配適當(dāng)?shù)那鍍舴稚?、擠壓抗磨劑、抗氧化劑、和金屬鈍化劑等作為添加劑,用以研制沼氣發(fā)動機(jī)專用油。研制的沼氣發(fā)動機(jī)專用油理化指標(biāo)見表3。

        為更好的了解研制油的實際使用效果,將研制油應(yīng)用于某沼氣工程沼氣發(fā)電機(jī)組上進(jìn)行 1 000 h實際使用試驗。試驗期內(nèi),研制油100 ℃運(yùn)動粘度變化不大,氧化值和硝化值增長不明顯,無任何因潤滑問題引起的設(shè)備故障,測試結(jié)果令人滿意。

        4 結(jié) 論

        (1)以聚α-烯烴和有油溶性的聚醚合成油(OSP)作為基礎(chǔ)油對沼氣發(fā)動機(jī)專用油進(jìn)行研制,拓寬了聚醚潤滑劑的使用領(lǐng)域。

        (2)通過利用旋轉(zhuǎn)彈氧試驗、四球試驗機(jī)等進(jìn)行試驗,篩選添加劑,所研制的沼氣發(fā)動機(jī)專用油具有優(yōu)異的抗氧化、抗硝化性能,適用于各類沼氣發(fā)動機(jī)。

        (3)本研制油選用適當(dāng)?shù)目寡醴栏瘎?、抗磨劑、清凈分散劑、金屬鈍化劑等作為添加劑,灰分適當(dāng),擁有較好的抗高溫沉積物性能和良好的堿值保持能力,延長了換油周期,降低了成本。

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