尹國(guó)杰,孔永平,張玫姣,王文霞,郝山林,王景鵬

(1.洛陽(yáng)理工學(xué)院 環(huán)境工程與化學(xué)學(xué)院，河南 洛陽(yáng) 471023;2.鄭州星創(chuàng)能源科技有限公司，河南 鄭州 450001)

能源是當(dāng)今社會(huì)面臨的一個(gè)非常嚴(yán)峻的問題，尋找更加清潔高效的新能源迫在眉睫。甲醇是一種能夠大量生產(chǎn)使用的替代能源，是一種非常合適的清潔能源，其市場(chǎng)前景廣闊[1]。

甲醇作為結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單的飽和一元醇，屬于極性較大的溶劑。分子間存在氫鍵，氫鍵的作用力比范德華力大得多，使得甲醇的沸點(diǎn)比分子量接近的烷烴要高。同時(shí)作為碳鏈最短的醇，還可以與水形成氫鍵，使之能與水以任意比混溶。甲醇的化學(xué)性質(zhì)主要由它的羥基官能團(tuán)決定，既可以看成酸(羥基具有活潑氫)也可以看成堿(氧能提供電子對(duì))，添加表面活性劑可以調(diào)控溶液的表面張力[2-4]。

近年來，甲醇燃料作為發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)燃料已經(jīng)在我國(guó)很多城市被推廣使用[5-7]。作為車用燃料，其主要有形式兩種：一是將甲醇添加至汽油、柴油中，再加入合適的添加劑或在甲醇中摻雜其他燃料成為混合燃料；二是由甲醇合成技術(shù)衍生出來的合成甲醇燃料。目前，國(guó)內(nèi)外的研究和使用主要集中在第一種途徑上[8]。作為能源，甲醇燃燒使用技術(shù)十分有限，傳統(tǒng)蒸發(fā)汽化和簡(jiǎn)單加壓霧化方式的燃燒工藝無法使其熱效率最大化，無法滿足大功率燃燒，在這方面?zhèn)鹘y(tǒng)的石油能源占據(jù)著巨大的優(yōu)勢(shì)，因此能否解決好這個(gè)問題成了甲醇燃料發(fā)展的一個(gè)巨大阻礙[9-10]。這使得向甲醇燃料中摻雜適當(dāng)?shù)奶砑觿瑏砀纳铺嵘状既剂掀焚|(zhì)，成為了一個(gè)新的研究方向，這也是中國(guó)部分燃油工業(yè)鍋爐、窯爐、中央空調(diào)等中小型熱力裝置所在部門正在探索的道路。

本文設(shè)計(jì)的甲醇燃料是醇基燃料的一種，以粗甲醇為原料，加入適當(dāng)?shù)乃推鹋輨?，其使用方向是?yīng)用于炊具的燃燒。還有一大方向是添加適當(dāng)?shù)奶砑觿┖蠹尤氲狡突虿裼椭?，制成的一種新型清潔燃料。更低的成本以及更小的污染使之成為當(dāng)今民用燃料發(fā)展的一大熱點(diǎn)，同時(shí)這種技術(shù)的普及也得到了政府部門的高度重視。甲醇的生產(chǎn)方式有很多，天然氣、煤炭、焦炭、渣油、石腦油、乙炔尾氣等都可以作為原料生產(chǎn)甲醇。當(dāng)今甲醇生產(chǎn)技術(shù)主要使用中壓法和低壓法兩種工藝，并以低壓法為主，而高壓法的發(fā)展已處停滯狀態(tài)，這兩種工藝生產(chǎn)的甲醇約占世界甲醇總產(chǎn)量的八成以上[11]。

本文針對(duì)甲醇燃料摻雜表面活性劑進(jìn)行研究，選取十二醇、AES、十六烷基三甲基溴化銨來加入到甲醇溶液中，使甲醇溶液起泡，以泡沫狀態(tài)在爐具中燃燒。調(diào)整表面活性劑的比例，通過實(shí)驗(yàn)測(cè)定尋找低成本的最佳表面活性劑配方。研究甲醇燃料新的使用方法，使其在家庭灶具或餐飲行業(yè)中使用，從而代替?zhèn)鹘y(tǒng)的液化氣。主要方向是實(shí)現(xiàn)甲醇燃料應(yīng)用更簡(jiǎn)便、更清潔、更高效，設(shè)計(jì)出合適的工具，使配制的甲醇燃料能大規(guī)模生產(chǎn)并應(yīng)用。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

本實(shí)驗(yàn)中使用的試劑和藥品，均為化學(xué)純或分析純。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 表面活性劑的配方設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)的初始配比：在50 mL甲醇中加入20 mL去離子水，再加入0.1 g十六烷基三甲基溴化銨、1.5 g AES、0.3 g正十二醇[12]?？紤]到成本問題，實(shí)驗(yàn)的理想配比應(yīng)盡量小，起泡狀態(tài)達(dá)到預(yù)計(jì)適合燃燒的狀態(tài)即可。

實(shí)驗(yàn)采取對(duì)照法，對(duì)不同比例的表面活性劑、水的含量進(jìn)行對(duì)照實(shí)驗(yàn)，達(dá)到適合燃燒的狀態(tài)同時(shí)又能節(jié)約成本。本溶液起泡方式采用搖晃法。實(shí)驗(yàn)時(shí)，使用帶有刻度的錐形瓶，加入適量的甲醇，并根據(jù)要求加入相應(yīng)水和表面活性劑充分溶解后，急速搖晃30 s左右，觀察溶液是否起泡并記錄下停止攪拌時(shí)泡沫的體積。這種方法所用的試劑與儀器少，可以精確測(cè)量，也可以粗測(cè)表面活性劑的起泡性能，實(shí)驗(yàn)周期短，使用條件受限制較少[12]。實(shí)驗(yàn)的主要目的是使甲醇產(chǎn)生泡沫(在此不再記錄半衰期)，相對(duì)有一定的穩(wěn)定時(shí)間，適合燃燒即可。

1.2.2 摻雜表面活性劑的甲醇燃料燃燒實(shí)驗(yàn)

甲醇燃料需要一個(gè)能夠加壓的裝置讓其壓出，選擇市面上十分常見的壓力噴壺，實(shí)現(xiàn)了甲醇燃料在爐具里燃燒，并且能夠控制火焰的大小，貼近生活實(shí)際。起初的甲醇燃料以泡沫狀燃燒，待燃燒一段時(shí)間后爐具溫度升高，甲醇汽化，會(huì)產(chǎn)生更旺的火焰。

2 結(jié)果與討論

實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，直接在配制好的甲醇溶液中加入這3種表面活性劑其溶解速度非常緩慢，主要原因是AES在甲醇中溶解緩慢，十二醇在常溫下是固體加熱溶解后加入到甲醇溶液中又會(huì)凝固，十六烷基三甲基溴化銨在甲醇溶液中溶解也較為緩慢?？紤]到AES易溶于水、十二醇易溶于甲醇，將十二醇溶解在甲醇中，AES溶解在水中。十六烷基三甲基溴化銨在甲醇中溶解速度快，先加入到甲醇溶液中，最后再混合二者溶液，可以大大減少溶解的時(shí)間。甲醇燃料摻雜表面活性劑的最佳溶解方式為在甲醇中溶解十六烷基三甲基溴化銨以及十二醇，在水中溶解AES，再將二者溶液混合。

50 mL無水甲醇添加20 mL水，再添加十六烷基三甲基溴化銨0.1 g、AES1.5 g、十二醇0.3 g，在此最佳起泡配比的基礎(chǔ)上探究更為合適的低成本比例如表1所示，主要目的為降低各種添加劑的加入量。

表1 不同配比的表面活性劑

甲醇溶液的起泡效果隨著水量的減少而降低，也隨著添加的表面活性劑量的減少而降低，如圖1所示。考慮到成本以及水量對(duì)后期燃燒的影響，確定使用比例為1.0 W的甲醇添加水0.375 W(約27.27%含水量)、0.001 9 W十六烷基溴化銨、0.028 1 W AES、0.005 6 W十二醇(注：W表示為質(zhì)量比)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果中燃料含水量略高于工業(yè)粗甲醇，只需在工業(yè)粗甲醇中再添加少量的水即可達(dá)到配制需求。

圖1 甲醇燃料起泡效果對(duì)比

在不點(diǎn)燃的情況下進(jìn)行流量控制實(shí)驗(yàn)，如圖2所示。氮?dú)獾膲毫? MPa開始向下調(diào)整，直至能控制甲醇流速穩(wěn)定，不至于壓力過大噴射飛濺，最終確定充入壓力為3 MPa左右。在流速穩(wěn)定并能根據(jù)爐具的閥門調(diào)節(jié)控制流量大小后進(jìn)行了燃燒實(shí)驗(yàn)，如圖3所示。甲醇燃料與小試結(jié)果一樣順利燃燒，并在燃燒一段時(shí)間后爐具的溫度升高，甲醇汽化燃燒火焰溫度會(huì)大幅度提高，但是會(huì)有較多水流出。結(jié)果表明本燃料用于烹飪是可以滿足需求的，但還需要對(duì)爐具進(jìn)行改造，增加自動(dòng)點(diǎn)火裝置、熄火自動(dòng)停止燃料流出裝置、流量調(diào)節(jié)裝置等，使其更加安全，更加便捷。

圖2 甲醇燃料流速測(cè)試裝置 圖3 甲醇燃料燃燒測(cè)試

3 甲醇燃料市場(chǎng)調(diào)查研究

3.1 生產(chǎn)成本

本燃料使用的甲醇對(duì)純度要求不高，一般工業(yè)粗甲醇含量80%～90%，剩余物質(zhì)主要是水,還含有少量其他醇、醚、醛、酸等有機(jī)物。 工業(yè)粗甲醇價(jià)格在1 500～1 900元/t。按照實(shí)驗(yàn)結(jié)果，1 t粗甲醇需添加十六烷基三甲基溴化銨1.6 kg、AES 23.9 kg、十二醇4.8 kg，十六烷基三甲基溴化銨市場(chǎng)價(jià)為220元/kg、AES為7元/kg、十二醇為12.5元/kg，粗略估算本甲醇燃料成本約為2 100～2 600元/t。

3.2 甲醇燃料與液化氣、天然氣價(jià)格對(duì)比

目前市場(chǎng)上天然氣價(jià)格在3.5元/m3左右，液化氣價(jià)格6～7元/kg。摻雜表面活性劑后的甲醇燃料價(jià)格在2.5元/kg左右。甲醇燃料的熱值約30.6～37.7 MJ/kg，天然氣的熱值約為31～37 MJ/m3，液化氣的熱值45.22～50.23 MJ/kg。從單價(jià)以及理論燃燒熱值來說，甲醇燃料的價(jià)格與天然氣比較接近，二者相對(duì)于液化氣便宜的多。所以從價(jià)格方面甲醇燃料是值得推廣發(fā)展的能源。

4 結(jié) 語(yǔ)

隨著能源結(jié)構(gòu)的變化以及政府對(duì)環(huán)境治理力度的加強(qiáng)，甲醇燃料這種高效而又清潔的能源是極具發(fā)展?jié)摿Φ?。隨著生產(chǎn)技術(shù)的成熟提高，甲醇的生產(chǎn)成本使其更具市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，相信很快會(huì)成為市場(chǎng)的主導(dǎo)產(chǎn)品。本文設(shè)計(jì)出醇基燃料的新型使用方法，其成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于液化氣的成本,值得大力推廣。