李汶罡 孫曉莉 葛云龍 趙修華 祖元?jiǎng)?/p>

(東北林業(yè)大學(xué)森林植物生態(tài)學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,哈爾濱 150040)

木質(zhì)素柴油經(jīng)濟(jì)與動(dòng)力性評(píng)價(jià)

李汶罡 孫曉莉 葛云龍 趙修華 祖元?jiǎng)?

(東北林業(yè)大學(xué)森林植物生態(tài)學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,哈爾濱 150040)

對(duì)符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 252-2000《輕柴油》的木質(zhì)素柴油的經(jīng)濟(jì)動(dòng)力性進(jìn)行了深入研究，發(fā)動(dòng)機(jī)全負(fù)荷速度特性對(duì)比試驗(yàn)表明：木質(zhì)素柴油和0號(hào)柴油的實(shí)測(cè)功率和扭矩基本相當(dāng)；按照木質(zhì)素柴油中純柴油量折算則木質(zhì)素柴油比0號(hào)柴油節(jié)油，平均節(jié)油率為10%～15%；發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷特性對(duì)比試驗(yàn)表明：木質(zhì)素柴油和0號(hào)柴油的在相同扭矩下，按照木質(zhì)素柴油中純柴油量折算則木質(zhì)素柴油比0號(hào)柴油節(jié)油，平均節(jié)油率為10%～15%。發(fā)動(dòng)機(jī)自由加速工況下排放對(duì)比試驗(yàn)表明：木質(zhì)素柴油與0號(hào)柴油的尾氣排放未見(jiàn)統(tǒng)計(jì)學(xué)差異。本文對(duì)木質(zhì)素柴油的推廣應(yīng)用提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

木質(zhì)素；發(fā)動(dòng)機(jī)；新能源；木質(zhì)素柴油；臺(tái)架試驗(yàn)；節(jié)能減排

木質(zhì)素(lignin)[1]是蕨類(lèi)植物、裸子植物和被子植物等維管植物細(xì)胞壁的重要組分，主要沉積在輸導(dǎo)組織(如導(dǎo)管或管胞)、機(jī)械組織(如纖維、厚壁組織等)和保護(hù)組織(如表皮)的細(xì)胞次生壁中，在自然界中十分豐富，含量?jī)H次于纖維素[2]。在陸生維管植物的進(jìn)化演變過(guò)程中起關(guān)鍵作用，具有十分重要的生物學(xué)功能[3]。木質(zhì)素分子與細(xì)胞壁中的纖維素、半纖維素等多糖分子相互交連，增加植物細(xì)胞和組織的機(jī)械耐受強(qiáng)度[4]。

隨著人類(lèi)對(duì)環(huán)境污染和能源危機(jī)等問(wèn)題的認(rèn)識(shí)不斷深入，天然高分子所具有的可再生、可降解的性質(zhì)日益受到重視。在自然界中，儲(chǔ)量?jī)H次于纖維素的木質(zhì)素，每年都以500億噸的速度消耗[5]。制漿造紙工業(yè)每年要從植物中分離出大約1.4億噸纖維素，同時(shí)得到5億噸的木質(zhì)素副產(chǎn)品。但迄今為止，超過(guò)95%的木質(zhì)素仍以“黑液”直接排入江河或濃縮后燒掉，很少得到有效利用[6]。

我們前期通過(guò)微乳技術(shù)獲得了一種木質(zhì)素柴油[7]，為了評(píng)價(jià)其實(shí)用性，本文對(duì)符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 252-2000《輕柴油》的木質(zhì)素柴油經(jīng)濟(jì)動(dòng)力性進(jìn)行深入研究[8～9]。依據(jù)GB/T 1105.2-1987《內(nèi)燃機(jī)臺(tái)架性能試驗(yàn)方法》與GB/T 3846-1993《柴油車(chē)自由加速煙度的測(cè)量》，對(duì)木質(zhì)素柴油在內(nèi)燃機(jī)中的動(dòng)力性能、經(jīng)濟(jì)性能進(jìn)行系統(tǒng)研究，為木質(zhì)素柴油的實(shí)際應(yīng)用提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

木質(zhì)素：為實(shí)驗(yàn)室通過(guò)堿法分離林源活性物質(zhì)后得到的木質(zhì)素黑液。柴油：為哈爾濱中國(guó)石油加油站的0號(hào)柴油。CTAB(十六烷基三甲基溴化銨)：為天津市大茂化學(xué)試劑廠，分析純。Span-80(司班-80)：為天津市博迪化工有限公司，分析純。正丁醇：為天津市瑞金特化學(xué)品有限公司，分析純。雙氧水：為天津市光復(fù)精細(xì)化工研究所，分析醇。

1.2 木質(zhì)素柴油的制備

根據(jù)前期優(yōu)化制備條件[7]，確定木質(zhì)素柴油為W/O型體系乳化柴油，將CTAB和Span-80配置成HLB值為9.3的混合乳化劑，稱(chēng)取19.45 kg柴油與1.5 kg的混合乳化劑、0.3 kg的正丁醇均勻混合，在高速勻漿機(jī)的高速剪切混合下加入3.75 kg的雙氧水脫色的脫色木質(zhì)素溶液，高速剪切15 min。所得木質(zhì)素柴油中含純柴油77.8%，其制備工藝流程圖見(jiàn)圖1。

圖1 木質(zhì)素柴油的制備工藝示意圖[10]Fig.1 The schematic diagram of preparation of lignin diesel

1.3 木質(zhì)素柴油經(jīng)濟(jì)動(dòng)力性測(cè)試

1.3.1 木質(zhì)素柴油與0號(hào)柴油臺(tái)架試驗(yàn)對(duì)比

試驗(yàn)依據(jù)《GB/T1105-2-87內(nèi)燃機(jī)臺(tái)架性能試驗(yàn)方法》為標(biāo)準(zhǔn)建立臺(tái)架試驗(yàn)平臺(tái)[11]，其中發(fā)動(dòng)機(jī)自動(dòng)測(cè)控系統(tǒng)采用長(zhǎng)沙湘儀動(dòng)力測(cè)試儀器有限公司生產(chǎn)的湘儀FC2000發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)控系統(tǒng)，發(fā)動(dòng)機(jī)采用未做任何改動(dòng)的485QB柴油機(jī)(直列、水冷、四缸，額定功率32.3 kW，轉(zhuǎn)速2 600 r·min-1)，電渦流測(cè)功機(jī)為長(zhǎng)沙湘儀動(dòng)力測(cè)試設(shè)備廠生產(chǎn)的CW160電渦流測(cè)功機(jī)，智能油耗儀為長(zhǎng)沙湘儀動(dòng)力測(cè)試設(shè)備廠生產(chǎn)的FC2210智能油耗儀。在發(fā)動(dòng)機(jī)全負(fù)荷速度特性對(duì)比試驗(yàn)中分別在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速分別為999、1 199、1 399、1 599、1 799、1 999、2 199和2 398 r·min-1時(shí)測(cè)定了功率、扭矩和耗油量等指標(biāo)。在發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷特性對(duì)比試驗(yàn)中分別在不同負(fù)荷條件下對(duì)功率、扭矩和耗油量等指標(biāo)進(jìn)行了測(cè)定。

1.3.2 木質(zhì)素柴油與0號(hào)柴油排放對(duì)比試驗(yàn)

煙度的測(cè)量：用廣東南華儀器有限公司生產(chǎn)的YD-1型全自動(dòng)煙度計(jì)測(cè)試尾氣煙度。試驗(yàn)依據(jù)《GB/T3846-1993柴油車(chē)自由加速煙度的測(cè)量》進(jìn)行測(cè)試[12]，測(cè)試3次，取平均值。

1.3.3 木質(zhì)素柴油經(jīng)濟(jì)效益評(píng)價(jià)

以2015年5月份原料報(bào)價(jià)為依據(jù)，不考慮人工、水電成本，計(jì)算木質(zhì)素柴油配料表中各種物質(zhì)含量的生產(chǎn)成本。通過(guò)成本核算對(duì)木質(zhì)素柴油進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 發(fā)動(dòng)機(jī)全負(fù)荷速度特性對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果

在發(fā)動(dòng)機(jī)全負(fù)荷速度特性對(duì)比試驗(yàn)中根據(jù)木質(zhì)素柴油中純柴油的含量為77.8%，通過(guò)不同轉(zhuǎn)速下的實(shí)測(cè)小時(shí)耗油量折算出兩種柴油中純柴油的小時(shí)耗油量，通過(guò)兩種柴油的燃油耗油率推算出純柴油的燃油耗油率進(jìn)行對(duì)比(n=3)見(jiàn)表1。

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)全負(fù)荷速度特性對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果

表2 發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷特性對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果

圖2 發(fā)動(dòng)機(jī)全負(fù)荷速度特征曲線(xiàn)(n=3) a.扭矩；b.功率；c.耗油量；d.耗油率Fig.2 Engine full-load velocity characteristic curves(n=3) a.Torque; b.Power; c.Consumption of diesel samples; d.Consumption rate of diesel samples

發(fā)動(dòng)機(jī)全負(fù)荷速度特性對(duì)比試驗(yàn)曲線(xiàn)(n=3)見(jiàn)圖2。一般乳化柴油的實(shí)際油耗率高于純柴油，隨著含水率增大而增加。木質(zhì)素柴油密度大，因此它的實(shí)際油耗率比純柴油高?？紤]到木質(zhì)素柴油中替代物質(zhì)占總質(zhì)量的25%，為了便于直觀比較，我們將折算木質(zhì)素柴油中純柴油的量與0號(hào)柴油對(duì)比耗油率。

由圖2(a～b)可知：木質(zhì)素柴油和0號(hào)柴油的實(shí)測(cè)功率和扭矩基本相當(dāng)；圖2(c～d)中按照木質(zhì)素柴油中純柴油的量折算則木質(zhì)素柴油比0號(hào)柴油節(jié)油，平均節(jié)油率為10%～15%。

2.2 發(fā)動(dòng)機(jī)全負(fù)荷特性對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果

在發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷特性對(duì)比試驗(yàn)中根據(jù)木質(zhì)素柴油中純柴油的含量為77.8%，通過(guò)不同負(fù)荷下的實(shí)測(cè)小時(shí)耗油量折算出兩種柴油中純柴油的小時(shí)耗油量，通過(guò)兩種柴油的燃油耗油率推算出純柴油的燃油耗油率進(jìn)行對(duì)比(n=3)見(jiàn)表2。

發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷特性對(duì)比試驗(yàn)曲線(xiàn)(n=3)見(jiàn)圖3～4。由圖3～4可知：木質(zhì)素柴油和0號(hào)柴油的在相同扭矩下，按照木質(zhì)素柴油中純柴油量折算則木質(zhì)素柴油比0號(hào)柴油節(jié)油，平均節(jié)油率為10%～15%。

圖3 發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷特性油耗量—扭矩曲線(xiàn)(n=3)Fig.3 Engine full-load characteristic torque and oil consumption curves(n=3)

圖4 發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷特性油耗率—扭矩曲線(xiàn)(n=3)Fig.4 Engine full-load characteristic torque and oil consumption rate curves (n=3)

柴油機(jī)燃用木質(zhì)素柴油有一定的節(jié)油效果，這是因?yàn)樵谀举|(zhì)素柴油的微乳化體系中，水的沸點(diǎn)較低、比柴油蒸發(fā)速度快，納米級(jí)的水滴在霧化的木質(zhì)素柴油液滴中由于高溫瞬間氣化，產(chǎn)生微爆效應(yīng)使油滴進(jìn)一步細(xì)化并釋放木質(zhì)素分子，增大與空氣的接觸面積從而使柴油與木質(zhì)素共同燃燒做功，使油滴與木質(zhì)素分子在空氣中的分布更加均勻，縮短了木質(zhì)素和柴油的燃燒持續(xù)時(shí)間，提高了燃燒效率。同時(shí)水在燃燒過(guò)程中起到媒介作用，提高了能量傳遞速率，使燃燒更充分，從而提高了燃油的能量利用率和熱效率，降低了油耗率，取得了一定的節(jié)油效果。

2.3 發(fā)動(dòng)機(jī)自由加速工況下排放對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果

排放對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果表明木質(zhì)素柴油與0號(hào)柴油的尾氣排放未見(jiàn)統(tǒng)計(jì)學(xué)差異(表3)。發(fā)動(dòng)機(jī)排放主要來(lái)源于緩燃期中擴(kuò)散燃料的燃燒及高溫缺氧條件下燃油的裂解、析碳及速燃期中預(yù)混燃料的高溫燃燒。一方面由于木質(zhì)素柴油中加入了木質(zhì)素，木質(zhì)素碳密度較大在燃燒過(guò)程中可能產(chǎn)生相對(duì)較多的碳；另一方面由于微爆效應(yīng)木質(zhì)素柴油中的柴油在發(fā)動(dòng)機(jī)中燃燒時(shí)減少了碳煙和NOX的產(chǎn)生機(jī)會(huì)。綜合上述兩點(diǎn)木質(zhì)素柴油與0號(hào)柴油的尾氣排放未見(jiàn)統(tǒng)計(jì)學(xué)差異。微爆效應(yīng)的具體原理體現(xiàn)在以下的幾個(gè)方面：(1)水在缸內(nèi)的升溫和汽化吸熱，降低了燃燒正常柴油后的峰值溫度和局部高溫，從而減少了碳煙微粒的形成和NOX的生成。(2)著火延遲期增長(zhǎng)，使燃油和空氣有更加充裕的時(shí)間進(jìn)行混合，使油滴和空氣混合更均勻，減少了缸內(nèi)局部缺氧和富氧現(xiàn)象發(fā)生，從而減少了碳煙和NOX的生成。(3)作用也加快了燃燒速度，縮短了高溫持續(xù)時(shí)間，從而抑制了NOX的生成。

表3發(fā)動(dòng)機(jī)自由加速工況下排放對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果

Table3Comparisonresultsoftheenginefreeaccelerationsmokeintensity(n=3)

樣品Sample煙度Smokeintensity(Rb)第一次Firsttime第二次Secondtime第三次Thirdtime平均值A(chǔ)veragevalue0號(hào)柴油No．0diesel4．824．134．414．45±0．35木質(zhì)素柴油Lignindiesel3．654．665．434．58±0．89

3 結(jié)論

發(fā)動(dòng)機(jī)全負(fù)荷速度特性對(duì)比試驗(yàn)表明：木質(zhì)素柴油和0號(hào)柴油的實(shí)測(cè)功率和扭矩基本相當(dāng)；按照木質(zhì)素柴油中純柴油量折算則木質(zhì)素柴油比0號(hào)柴油節(jié)油，平均節(jié)油率為10%～15%。發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷特性對(duì)比試驗(yàn)表明：木質(zhì)素柴油和0號(hào)柴油的在相同扭矩下，按照木質(zhì)素柴油中純柴油量折算則木質(zhì)素柴油比0號(hào)柴油節(jié)油，平均節(jié)油率為10%～15%。發(fā)動(dòng)機(jī)自由加速工況下排放對(duì)比試驗(yàn)表明：木質(zhì)素柴油與0號(hào)柴油的尾氣排放無(wú)明顯差異。如果不考慮木質(zhì)素實(shí)際節(jié)油效果，僅以22.2%的能源替代來(lái)講，可以替代2.775億噸的柴油；按照木質(zhì)素柴油使用時(shí)實(shí)際節(jié)油率為10%計(jì)算，則可以節(jié)約1.25億噸的柴油，在能源生態(tài)的角度減少了化石能源的消耗速率，對(duì)能源的可持續(xù)供應(yīng)提供了新的途徑。

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EconomicDynamicsPerformanceEvaluationofLigninDiesel

LI Wen-Gang SUN Xiao-Li GE Yun-Long ZHAO Xiu-Hua ZU Yuan-Gang*

(Key Laboratory of Forest Plant Ecology,Northeast Forestry University,Ministry of Education,Harbin 150040)

We studied the economic dynamics performance of the lignin diesel conforming to the national standard. From the engine full load speed characteristics contrast experiment, the measured power and torque of lignin diesel and No.0 diesel oil were equivalent, in accordance with the amount of pure diesel in lignin diesel, and the oil-saving rate of lignin diesel was 10%-15% less than that of No.0 diesel fuel on average. From the engine load characteristics contrast experiment, under the same torque and in accordance with the amount of pure diesel in lignin diesel, oil-saving rate of lignin diesel was 10%-15% less than that of No.0 diesel fuel on average. By the engine free acceleration condition emissions test, there was no statistical differences about exhaust emission by lignin diesel and No.0 diesel.

lignin;engine;new energy;lignin diesel;bench test;energy saving

林業(yè)公益性行業(yè)科研專(zhuān)項(xiàng)(201304601)

李汶罡(1986—)，男，博士研究生，主要從事植物資源高效利用研究。

* 通信作者：E-mail:yuangangzu@163.com

2015-07-25

Q539

A

10.7525/j.issn.1673-5102.2016.01.021