孔珊珊，寧召寬

(1.山東省思威安全生產(chǎn)技術(shù)中心，山東 濟(jì)南 250014；2.中國(guó)石油化工股份有限公司濟(jì)南分公司，山東 濟(jì)南 250101)

由于石油儲(chǔ)量日益下降，石油產(chǎn)品不斷漲價(jià)，為了應(yīng)對(duì)這些能源問(wèn)題，重油的利用成了新希望。重油的資源量巨大，和天然氣相比，安全并且易于儲(chǔ)存；和煤相比，熱值高，燃燒潔凈；和輕油相比，經(jīng)濟(jì)便宜[1]，因此重油越來(lái)越受到人們的重視。但是重油粘度高的特點(diǎn)對(duì)重油開(kāi)采、運(yùn)輸、使用帶來(lái)了挑戰(zhàn)，乳化技術(shù)可解決其中的一些難題，從而使重油能更充分燃燒。

1 重油乳化的方式

乳化過(guò)程是通過(guò)乳化劑使互不相溶的兩種液體組成分散體系，其中一相是液滴，另一相為分散介質(zhì)[2]。常見(jiàn)的乳狀液有水包油型和油包水型。

乳化方式主要分為靜態(tài)乳化和動(dòng)態(tài)乳化，常見(jiàn)的重油乳化方式如下[3]：(1)機(jī)械攪拌乳化，(2)電超聲波乳化，(3)多層濾網(wǎng)乳化，(4)簧片哨超聲乳化。新型的乳化技術(shù)如無(wú)水乳化技術(shù)也不斷發(fā)展[4]。

本研究主要采用超聲波乳化，超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)可產(chǎn)生空化作用，超聲空化作用產(chǎn)生的高溫、高壓可減小自由基的體積、提高自由基生成速度、加劇自由基的運(yùn)動(dòng)[5]，可使乳化液中水的液滴更小，分布更集中。與傳統(tǒng)乳化方法相比，超聲波空化作用為重油乳化提供了良好的環(huán)境；另外，超聲波作用可降低重油粘度，降低重油和水的界面張力，使重油和水能充分混合，有利于水的微細(xì)化[6]。

目前1000s重油的霧化溫度大都在100℃以上，常壓下的水會(huì)變?yōu)闅鈶B(tài)，乳化油出現(xiàn)破乳現(xiàn)象，因此高溫加熱乳化的方式會(huì)導(dǎo)致乳化油破乳。而超聲波乳化可避免這類(lèi)問(wèn)題，將溫度加熱到70℃左右，依靠超聲波作用將重油均勻乳化，可在乳化重油進(jìn)入燃燒器之前保持乳化狀態(tài)而不出現(xiàn)破乳問(wèn)題，使燃燒效率提高。

2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

實(shí)驗(yàn)裝置：超聲波儀器，旋渦泵，電子顯微鏡，恩式粘度計(jì)。

試劑：50℃時(shí)粘度為1200s的重油(本文后面提到的粘度均為恩式粘度，20℃水的粘度為51s)，水，柴油。

本文采用的是超聲波和泵聯(lián)合乳化方式，超聲波儀器有兩個(gè)功率，分為強(qiáng)功率和弱功率，根據(jù)文獻(xiàn)可得，在一定的范圍內(nèi)功率越大對(duì)乳化有利，因此選用較大功率實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中采用重油，水和柴油混合添加，其中柴油的作用既有助于燃燒，也能降低柴油的粘度，所加柴油和重油的質(zhì)量比保持1∶8，按照這個(gè)比例加入所要添加的水，摻水率分別為0(CS0)，8%(CS8)，10%(CS10)和12%(CS12)，CS表示摻水率。將配好的8 L混合液倒入10 L的超聲波乳化室內(nèi)，超聲波和泵攪拌同時(shí)作用，并利用加熱裝置進(jìn)行加熱，使得乳化溫度不同，乳化時(shí)間為2 h，聲波作用結(jié)束后，取油樣進(jìn)行粘度和液滴分布的測(cè)定。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 重油乳化對(duì)粘度的實(shí)驗(yàn)分析

實(shí)驗(yàn)中采用的重油在50℃的粘度為1200s，CS0、CS8、CS10和CS12在不同溫度下的粘度如圖1所示。

圖1 重油粘度與溫度的關(guān)系

由圖1可以看出：1) 重油的粘度隨著溫度的升高而降低，并且各種乳化重油的粘度隨著溫度的升高也降低，說(shuō)明乳化效果良好需較高溫度；2) 在同一溫度下，燃料油的粘度大小關(guān)系為CS12最低，CS10次之，CS0最高，說(shuō)明經(jīng)過(guò)超聲乳化后摻水率越高的重油粘度越低；3)實(shí)驗(yàn)條件相同，CS0和CS12經(jīng)過(guò)超聲波乳化后的粘度明顯降低，這就說(shuō)明超聲波乳化起到了效果，有利于降低粘度，改善霧化效果。4)當(dāng)在80℃時(shí)，不同摻水率的粘度趨于重合，變化趨勢(shì)相同，說(shuō)明在一定溫度，超聲波乳化后，不同摻水率對(duì)重油粘度影響效果不明顯，溫度起到主要作用。在90℃時(shí)可以看出，隨著摻水率的增大，而粘度并沒(méi)有反生多大的變化，說(shuō)明溫度高時(shí)溫度對(duì)粘度的影響比摻水率對(duì)粘度的影響更加重要。由此看出在高溫度下可以取得易于乳化的重油。

隨著摻水率的增加，乳化重油的粘度隨摻水率的增加而降低，這可能是由于一方面摻水率升高而使重油能夠進(jìn)行充分的乳化，因?yàn)樵谥赜椭車(chē)乃趾吭龆?，能夠更易于乳化重油。另一方面可能是由于超聲波儀器對(duì)重油所起的乳化作用，摻水率高一些有助于對(duì)重油進(jìn)行乳化，能得到較好的乳化重油，使重油乳化更均勻，更充分，水滴更細(xì)，水包油的效果較好。還有一方面可能是對(duì)重油的乳化時(shí)間有一些差別，而導(dǎo)致乳化效果不同。

3.2 乳化重油液滴分布

保持溫度在80℃時(shí)，從超聲波儀器中取出少許的乳化重油，放在載玻片上，然后按照正確的方法蓋上蓋玻片，放在載物臺(tái)上用顯微鏡進(jìn)行觀察，得到CS8、CS10和CS12的乳化顯微圖片見(jiàn)圖2。

圖2 乳化重油顯微照片

從圖2中可以看出，隨著乳化重油中的摻水率從8%～12%變化，乳化重油中水微粒密度增加，并且水微粒分布變得均勻，但水微粒并沒(méi)有隨著摻水率增加而半徑增大?？赡苡捎陲@微鏡的問(wèn)題，或者油膜厚度大而不能使水微粒清晰的顯示出來(lái)，但可明顯的看到水微粒分布較均勻，并且圖中沒(méi)有大量的油膜或油滴使圖片灰暗。從10% 到12%的圖片可以看出，大部分12%的水微粒是細(xì)小均勻的，但是仍有較大顆粒存在，可能是超聲波對(duì)重油的乳化不均勻，乳化時(shí)間不足夠，或者摻水重油在乳化過(guò)程中損失較多的水，又或者是在用顯微鏡觀察時(shí)觀察不細(xì)致等原因造成的。

3.3 NO排放

圖3中D0表示柴油，此圖為柴油機(jī)在18kW的功率下，尾氣中NO的體積分?jǐn)?shù)隨燃燒時(shí)間變化曲線。從圖中可以看出，摻水乳化重油經(jīng)柴油機(jī)燃燒后排放的NO與柴油相比有較大幅度的降低，同一乳化重油燃燒排放NO隨時(shí)間變化不大，說(shuō)明重油乳化效果較好。同時(shí)，隨著摻水率的比例提高，NO排放體積分?jǐn)?shù)降低，主要是因?yàn)椴裼蜋C(jī)燃燒時(shí)乳化重油中的水吸收熱量，使柴油機(jī)內(nèi)平均溫度降低，加速燃燒進(jìn)程，從而降低NO生成，并且摻水率越高，吸收熱量越多，NO降低的越多。

圖3 NO排放體積分?jǐn)?shù)變化曲線

3.4 SO2排放

圖4為尾氣中SO2的體積分?jǐn)?shù)隨燃燒時(shí)間變化曲線。由圖可見(jiàn)，由于柴油燃燒時(shí)SO2排放基本沒(méi)有，乳化重油使其排放增大。隨著摻水率的升高，SO2排放量逐漸減小，并且其減小幅度不大，同一摻水率下，SO2排放量的變化也不大。說(shuō)明乳化重油含水量對(duì)SO2的排放影響不大。這是由于SO2的形成受燃燒狀況的影響不大，重油中的含S組分可在氧氣適中，溫度較低條件下形成SO2，乳化重油中的水只起到稀釋煙氣的作用。

圖4 SO2排放體積分?jǐn)?shù)變化曲線

4 結(jié)論

(1)當(dāng)摻水率在8%～12%時(shí)重油的超聲波乳化具有良好的效果，水微粒半徑細(xì)小，分布較均勻，并且粘度隨著溫度的升高而減小，隨著摻水率的升高粘度下降。乳化后的重油能滿足柴油機(jī)或者其他機(jī)械的燃燒使用。綜合來(lái)看在摻水率為12%時(shí)的重油乳化效果較好。

(2)相對(duì)柴油而言，乳化重油經(jīng)柴油機(jī)燃燒后，可降低NO排放量，同時(shí)，隨著重油中摻水率的增大而NO排放量大幅度降低。

(3)乳化重油燃燒可使SO2排放增加，雖然隨著摻水率升高SO2排放量減小，但摻水率多少對(duì)于SO2排放量影響不大。