王志成，張玥，張宇，馬寧（黑龍江省能源環(huán)境研究院，環(huán)境科學(xué)研究室，哈爾濱150027）

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乳化柴油在柴油機(jī)上的應(yīng)用研究

王志成，張玥，張宇，馬寧
（黑龍江省能源環(huán)境研究院，環(huán)境科學(xué)研究室，哈爾濱150027）

摘要：采用均質(zhì)機(jī)和機(jī)械攪拌相結(jié)合的手段制備了能夠在室溫下穩(wěn)定儲(chǔ)存的乳化柴油，確定了柴油、水、添加劑的配比。對(duì)制得的乳化柴油在發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架上進(jìn)行不同工況的油耗試驗(yàn)，確定節(jié)油率。對(duì)乳化柴油理化性能指標(biāo)進(jìn)行了測(cè)定。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：添加劑為2 wt%，摻水率為10 wt%、15 wt%時(shí)制備的乳化柴油在不同工況下，均有不同程度的節(jié)油，最高節(jié)油率達(dá)到6%。乳化柴油理化指標(biāo)符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，乳化柴油為澄清透明狀態(tài)，穩(wěn)定期可達(dá)一個(gè)月以上。

關(guān)鍵詞：乳化柴油；添加劑；水；柴油機(jī)

隨著石油儲(chǔ)量的不斷減少，市場(chǎng)成品油需求不斷增長(zhǎng)，研究和開發(fā)清潔高效的代用燃料已是大勢(shì)所趨。乳化柴油被認(rèn)為是一種有著廣泛應(yīng)用前景的清潔燃料。我國(guó)乳化油技術(shù)的研究起步較晚，在20世紀(jì)五六十年代才開始在該領(lǐng)域進(jìn)行積極研究，但并未取得突破性進(jìn)展。進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，油價(jià)不斷上漲，人們環(huán)保意識(shí)增強(qiáng)，使得我們又重新重視起乳化柴油。

燃用乳化柴油，由于微爆作用，能夠使油液與空氣充分混合，燃燒得更加完全，因此可以達(dá)到降低油耗、節(jié)省能源的效果。同時(shí)，在缺氧條件下，柴油中由于高溫裂解產(chǎn)生的碳粒子，能與水蒸氣反應(yīng)生成CO和H2，使碳粒子充分燃燒，降低了排煙中的煙塵含量，另一方面，由于乳化水的蒸發(fā)作用，均衡了燃燒時(shí)的溫度場(chǎng)，從而抑制了NOx的形成。由此可見，把水和柴油有機(jī)結(jié)合在一起，讓水參與燃燒，能夠較大幅度地提高乳化柴油在內(nèi)燃機(jī)中燃燒的效率［1-4］。

1　實(shí)驗(yàn)部分

1.1實(shí)驗(yàn)試劑與儀器

十六烷基二苯醚磺酸鈉由宜興市凱利達(dá)化學(xué)有限公司生產(chǎn)；Span 80、Span 20、Span 40由江蘇省海安石油化工廠生產(chǎn)；煤油由蘇州市益文油品有限公司生產(chǎn)；吐溫60、吐溫20、三乙醇胺由天津市光復(fù)精細(xì)化工研究所生產(chǎn)；雙磺基丁二酸鈉由山東飛揚(yáng)化工有限公司生產(chǎn)；實(shí)驗(yàn)用水為實(shí)驗(yàn)室自制去離子水。

乳化柴油的配制溫度通過DHH- 5- 10低溫水槽調(diào)節(jié)，溫度為30℃，精確度為±1.0℃。機(jī)械攪拌使用IKA RW 20數(shù)顯型頂置式攪拌器。FLUKO均質(zhì)機(jī)，型號(hào)為F430。發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架型號(hào)：常柴4L68。測(cè)功器：DW160電渦流測(cè)功機(jī)（啟東市紅鑫測(cè)功器有限公司）。HZB2000油耗測(cè)量?jī)x。

1.2實(shí)驗(yàn)方法

首先，將水、Span 80、Span 20、Span 40、吐溫20、吐溫60按照一定質(zhì)量比混合，在40℃～50℃下溶解并混合均勻，配制成A添加劑溶液。再將十六烷基二苯醚磺酸鈉、煤油、雙磺基丁二酸鈉、三乙醇胺按照一定質(zhì)量比混合均勻，配制成B添加劑溶液。將A添加劑溶液和B添加劑溶液在室溫下攪拌混合均勻，制備成復(fù)合添加劑。

將柴油倒入調(diào)配桶中，向其中加入事先配制好的添加劑，以1 100～1 300 r/min的轉(zhuǎn)速機(jī)械攪拌5～10min，混合均勻后，向其中加入水，再使用型號(hào)F430的FLUKO均質(zhì)機(jī)，循環(huán)均質(zhì)得到乳化柴油。

2　結(jié)果與討論

2.1乳化柴油添加劑及穩(wěn)定性優(yōu)化研究

2.1.1添加劑優(yōu)化研究

圖1　計(jì)算機(jī)仿真模擬試驗(yàn)控制系統(tǒng)圖Fig.1　Computer simulation test control system diagram

乳化柴油添加劑是課題組精心研制的核心技術(shù)，它可以直接加入柴油中，摻入大量水（5%～20%），合成乳化柴油，提高乳化柴油燃燒效率，提高穩(wěn)定性，達(dá)到節(jié)油的目的，是乳化柴油提高燃燒效率的關(guān)鍵技術(shù)。在過去配方研究的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步優(yōu)化添加劑組分是保證課題完成的前提。我們對(duì)添加劑的組分進(jìn)行了計(jì)算機(jī)仿真模擬試驗(yàn)，得到了能量增強(qiáng)劑（MA）、腐蝕抑制劑（MB）、穩(wěn)定劑（MC）等催化劑（見圖1）。

添加劑計(jì)算機(jī)仿真模擬試驗(yàn)控制系統(tǒng)包括三個(gè)模塊：

I模塊為：篩選仿真模擬試驗(yàn)。該模塊對(duì)眾多的添加劑元素進(jìn)行仿真模擬試驗(yàn)，從而確定添加劑的主要組分，能量增強(qiáng)劑（MA）、腐蝕抑制劑（MB）、穩(wěn)定劑（MC）。

II模塊為：正交仿真模擬試驗(yàn)。該模塊進(jìn)行添加劑的主要組分（元素）MA、MB、MC組合后的仿真模擬試驗(yàn)，分析對(duì)乳化油熱值的影響及作用。

III模塊為：優(yōu)選法仿真模擬試驗(yàn)。通過對(duì)添加劑主要組分（元素）MA、MB、MC不同比例含量的仿真模擬試驗(yàn)，確定其配方的比例。

通過II模塊確定三個(gè)元素MA、MB、MC后，在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行模擬計(jì)算后，選擇了十組配方，通過實(shí)驗(yàn)找出最佳配方比例為MA77%、MB4%、MC19%。三種主劑再輔以六種助劑最終合成復(fù)合添加劑。

2.1.2制備溫度對(duì)乳化柴油狀態(tài)的影響

表1　不同制備溫度下乳化柴油的狀態(tài)Tab.1　Status of emulsifying diesel fuel under various preparation temperatures

向柴油中加入2 wt%的復(fù)合添加劑及10 wt%的水，于不同溫度下（溫度范圍為15℃～35℃）分別制備出5份乳化柴油樣品，制備后于室溫下放置2 h，觀察乳化柴油的狀態(tài)，如表1所示。

從表1中可知，當(dāng)制備溫度為30℃時(shí)，乳化柴油是澄清透明狀態(tài)，達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，穩(wěn)定時(shí)間達(dá)到一個(gè)月以上，而其他制備溫度下制備的樣品，均處于熱力學(xué)不穩(wěn)定狀態(tài)。

2.2臺(tái)架實(shí)驗(yàn)

向柴油中加入2 wt%的復(fù)合添加劑，并分別加入10 wt%和15wt%水，調(diào)配溫度30℃，制備出100kg乳化柴油1號(hào)樣品和乳化柴油2號(hào)樣品，制備后于室溫下放置2d，觀察乳化柴油的狀態(tài)。

使用常柴4L68發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架，DW160電渦流測(cè)功機(jī)（啟東市紅鑫測(cè)功器有限公司）和HZB2000油耗測(cè)量?jī)x，進(jìn)行柴油和乳化柴油1號(hào)、2號(hào)對(duì)比試驗(yàn)。分別在不同工況下，測(cè)試油耗率，計(jì)算節(jié)油率，如圖2和圖3所示，油耗率雖略有增加，但與摻水率相比，仍節(jié)油2.5%～6%。

圖2　不同功率下的油耗率圖Fig.2　The fuel consumption rates under different powers

圖3　不同功率下的節(jié)油率圖Fig.3　The oil- saving rates under different powers

2.3乳化柴油的理化性能指標(biāo)

表2　柴油與乳化柴油理化指標(biāo)對(duì)比Tab.2　Comparison of diesel and emulsified diesel fuel physical and chemical indexes

當(dāng)復(fù)合添加劑用量為2 wt%，摻水率為10 wt%、15 wt%時(shí)，對(duì)0#柴油及配制的乳化柴油1號(hào)和2號(hào)進(jìn)行一系列理化性能指標(biāo)測(cè)定，結(jié)果如表2所示。乳化柴油各項(xiàng)指標(biāo)均符合相應(yīng)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的要求。

3　結(jié)論

采用IKA RW 20數(shù)顯型頂置式攪拌器和F430FLUKO均質(zhì)機(jī)，利用課題組研制的復(fù)合添加劑調(diào)制乳化柴油。當(dāng)添加劑為2 wt%，摻水率為10 wt%和15 wt%時(shí)，乳化柴油各項(xiàng)理化指標(biāo)均符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，且乳化柴油為澄清透明狀態(tài)，穩(wěn)定期可達(dá)一個(gè)月以上。當(dāng)使用常柴4L68發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架，DW160電渦流測(cè)功機(jī)（啟東市紅鑫測(cè)功器有限公司）和HZB2000油耗測(cè)量?jī)x，進(jìn)行柴油和乳化柴油1號(hào)、2號(hào)對(duì)比試驗(yàn)。乳化柴油的實(shí)測(cè)油耗率雖然高于純柴油，但與理論計(jì)算油耗率相比，節(jié)油率最高達(dá)到6%，節(jié)油效果明顯。

參考文獻(xiàn)：

［1］曹貽森，王鐵，石晉宏，等.W/O型乳化柴油的燃燒特性及過程分析［J］.中國(guó)農(nóng)機(jī)化學(xué)報(bào)，2015，36（5）：283- 287.

［2］張韋，舒歌群，陳朝輝，等.柴油機(jī)燃用水乳化柴油著火時(shí)刻的化學(xué)動(dòng)力學(xué)特性［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2012，28（13）：59- 66.

［3］肖明偉，蔣盛軍，陳振斌，等.蔗糖水溶液乳化柴油對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響研究［J］.科學(xué)技術(shù)與工程，2014，14（6）：5- 8.

［4］吳江霞.乳化柴油的制備及其在單缸柴油機(jī)上節(jié)能效果與排放特性的研究［D］.鎮(zhèn)江：江蘇大學(xué)，2003.

科研項(xiàng)目：黑龍江省科學(xué)院科學(xué)研究基金中試及熟化項(xiàng)目“乳化柴油在柴油機(jī)上的應(yīng)用研究”

The Application of Emulsified Diesel Fuel on Diesel Engine Research

WANG Zhi-cheng, ZHANG Yue, ZHANG Yu,MA Ning
(Environmental Science Laboratory, Heilongjiang Institute of Energy and Environment, Harbin 150027, China)

Abstract:The emulsified diesel fuel, which could be stably stored at room temperature, was prepared by homogenizer and mechanical stirring.The mass ratios of diesel, water and additives were determined.The fuel consumption on different working conditions of emulsified diesel were tested on engine test bench, and the oil-saving rates were determined.The physicochemical properties of the emulsified diesel fuel were measured and comparatively analyzed.The emulsified diesel were prepared when the additive content was 2 wt %, water blending ratio were 10 wt % and 15 wt %, respectively.The results showed that the oil-saving rates of emulsified diesel were different on various working conditions, and the highest oil-saving rate was 6%.The physical and chemical indexes of emulsified diesel fuel conformed to the national standard, and the emulsified diesel seemed clear and transparent, the stable period was more than one month.

Key words:Emulsified diesel fuel; Additives; Water; Diesel engine

中圖分類號(hào)：TE 626.24

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1674-8646（2016）02-0004-03

收稿日期：2015- 12- 08

作者簡(jiǎn)介：王志成（1973-），男，黑龍江哈爾濱人，學(xué)士，研究員級(jí)高級(jí)工程師，從事生物質(zhì)能源、替代能源和室內(nèi)環(huán)境研究。