孔永平，張環(huán)平，張 良，陳榮霞

（1.鄭州星創(chuàng)能源科技有限公司，鄭州 450001；2.河南隆正生物能源有限公司，河南濟(jì)源 459000）

近年來(lái)，隨著工業(yè)化進(jìn)程的加快，世界對(duì)能源的需求也在快速增長(zhǎng)，化石資源是目前人類的主要能量來(lái)源，然而大量化石燃料的消耗造成了全球燃料危機(jī)，隨之而來(lái)的還有環(huán)境污染［1-3］.開(kāi)發(fā)新能源，減少燃料燃燒產(chǎn)生的溫室氣體和污染物是目前應(yīng)對(duì)全球燃料危機(jī)和環(huán)境污染問(wèn)題的方法之一［4-6］.醇基燃料是一種新型清潔能源，其低碳性、清潔性以及可循環(huán)利用性獲得了廣泛認(rèn)可，被認(rèn)為是后石油時(shí)代主力能源之一［7-9］.

目前，市場(chǎng)上流通的醇基燃料有三類：醇水型、醇烴型和醇醚型.醇水型燃料中含有20%左右的水，熱值較低；醇烴型燃料含有10%的烴類物質(zhì)，穩(wěn)定性較差，易分層；醇醚型燃料的主要原料為二甲醚和甲醇，由于二甲醚生產(chǎn)成本高，儲(chǔ)存困難，配套的灶具生產(chǎn)困難，使得其難于推廣［10-12］.為了解決這些問(wèn)題，研究者們添加各種高熱值物質(zhì)以提高燃料熱值，增加催化劑、表面活性劑、助劑和促進(jìn)劑等來(lái)保持燃料液體的穩(wěn)定性，然而高熱值的醇基燃料由于重?zé)N類物質(zhì)的增多，穩(wěn)定性變差，不易儲(chǔ)存運(yùn)輸，且燃燒不充分，造成環(huán)境壓力［13-14］.因此，對(duì)于高熱值、環(huán)保、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)的醇基燃料還需要進(jìn)一步的研究與探討.研究發(fā)現(xiàn)，石腦油、凝析油屬于輕烴類高熱值物質(zhì)，若將其添加到醇基燃料中不僅能夠提高醇基燃料的熱值，而且能夠解決因添加重?zé)N類物質(zhì)導(dǎo)致的穩(wěn)定性差問(wèn)題.然而目前關(guān)于石腦油、凝析油作為醇基燃料增熱劑的研究較少，關(guān)于高熱值醇基燃料的經(jīng)濟(jì)、環(huán)保性能更是缺乏相關(guān)研究.

因此，本文以甲醇為原料，石腦油、凝析油為增熱劑，烷基酚聚氧乙烯醚為乳化劑，硝酸環(huán)己酯為抗暴劑來(lái)制備和探究高熱值醇基燃料的最優(yōu)制備配方以及理化性質(zhì)，并通過(guò)將制備的高熱值醇基燃料與傳統(tǒng)燃料應(yīng)用于鍋爐燃燒中，來(lái)探討高熱值醇基燃料的經(jīng)濟(jì)及環(huán)保性能.

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

凝析油（烴類C5～C11）、石腦油：青島萬(wàn)達(dá)石油化工有限公司；甲醇（純度90%、98%、99%）、丙酮（純度99%）、過(guò)氧化氫（純度30%）、叔丁醇鉀（純度98%）、苯甲酸（純度99%）：天津科密歐化學(xué)試劑有限公司；硝酸環(huán)己酯（純度99%）、烷基酚聚氧乙烯醚（純度99%）：天津大茂試劑有限公司.

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

XRY-1A型氧彈式熱量?jī)x：上海雙旭電子有限公司；電子天平：北京賽多利斯科學(xué)儀器有限公司；XF-200S液體密度天平：廈門雄發(fā)儀器儀表有限公司.

1.3 高熱值醇基液體燃料的制備

將一定分量的甲醇、水、少量表面活性劑混合，以300 r/min的速度攪拌均勻得A溶液，把生物油混合少量促進(jìn)劑以300 r/min的速度攪拌均勻得B溶液，然后把A溶液和B溶液混合得C溶液，再加入少量穩(wěn)定劑到C溶液中，在30℃下以300 r/min的速度攪拌0.5 h，即得高熱值醇基液體燃料.具體制備配比方案見(jiàn)表1.

表1 高熱值醇基燃料的配比方案Tab.1 Proportioning scheme of high calorific value alcohol-based fuel 單位：kg

1.4 高熱值醇基液體燃料理化性質(zhì)分析

高熱值醇基液體燃料密度、凝點(diǎn)、引燃溫度、pH值、機(jī)械雜質(zhì)含量、醇含量分別按照GB/T 611—2006、GB/T 510—2018、GB/T 5332—2007、精密pH試紙、GB/T 511—2010以及GB 16663—1996測(cè)得［15-19］.

50%餾出溫度：將100 mL樣品注入250 mL的蒸餾支架燒瓶中進(jìn)行緩緩蒸餾，餾出物達(dá)50 mL時(shí)，記下溫度計(jì)的度數(shù)，此溫度即為餾出溫度［20］.

1.5 高熱值醇基液體燃料穩(wěn)定性分析

低溫抗相分離實(shí)驗(yàn)：分別移取樣品50 mL于100 mL的錐形瓶中，瓶口作密封處理后置于-20℃的低溫環(huán)境中，在4、8、12、24 h后觀察燃料是否分層［21］.

1.6 熱值測(cè)定

用天平稱取一定質(zhì)量的試樣，擰開(kāi)氧氮蓋，放入試樣；取螺旋狀引燃鐵絲并將引燃鐵絲的螺旋部分與試樣接觸，將引燃鐵絲與氧彈儀的二電極連接；連接完成后，旋緊氧彈蓋，充氧，將溫差儀探頭插入氧彈儀中，并取3 L水于水桶中，打開(kāi)氧彈儀的點(diǎn)火按鈕，將氧彈儀放入水桶中，蓋上蓋子，記錄起始溫度；根據(jù)燃燒后釋放出的熱量使水溫升高的情況，計(jì)算出試樣的燃燒熱值，燃燒測(cè)定值即為彈熱值［14］.

2 結(jié)果與討論

2.1 不同配比的高熱值醇基燃料的優(yōu)化

依據(jù)表1配比制備各種不同組成的高熱值醇基燃料，并通過(guò)氧彈熱量計(jì)以及低溫抗相分離試驗(yàn)測(cè)定燃料熱值及穩(wěn)定性.由表2可知，M-5的熱值最高，且低溫抗相分離試驗(yàn)未見(jiàn)分層現(xiàn)象出現(xiàn)，較穩(wěn)定.M-5成本較低，為2.0元/kg.綜合熱值、成本及穩(wěn)定性綜合考慮，本試驗(yàn)選擇M-5作為最優(yōu)的高熱值醇基燃料進(jìn)行后續(xù)研究.

表2 高熱值醇基燃料的優(yōu)化Tab.2 Optimization of high calorific value alcohol-based fuels

2.2 高熱值醇基燃料的理化性質(zhì)研究

對(duì)最優(yōu)配比的高熱值醇基燃料M-5進(jìn)行理化性質(zhì)測(cè)試，由表3可知，本研究制備的高熱值醇基燃料的密度、凝點(diǎn)、引燃溫度、pH值、50%餾出溫度、雜質(zhì)含量以及醇含量均符合國(guó)家醇基液體燃料標(biāo)準(zhǔn)GB 16663—1996.

pH值是一個(gè)重要的理化指標(biāo)，其值高低直接影響儲(chǔ)存設(shè)備的選擇，過(guò)高或過(guò)低均會(huì)損壞儲(chǔ)存設(shè)備，增加成本.本研究制備的高熱值醇基燃料M-5的pH值為7.2中性，表明不需要昂貴儲(chǔ)存設(shè)備，正常儲(chǔ)存即可，大大節(jié)約了儲(chǔ)存成本［22］.凝點(diǎn)和引燃溫度對(duì)燃料的運(yùn)輸儲(chǔ)存也十分重要，M-5較低的凝點(diǎn)以及較高的引燃溫度，可增加燃料在運(yùn)輸中的穩(wěn)定性，安全性高，便于推廣應(yīng)用.

表3 高熱值醇基燃料的理化性質(zhì)分析Tab.3 Analysis of physical and chemical properties of high calorific value alcohol-based fuels

2.3 鍋爐燃燒

為了進(jìn)一步評(píng)價(jià)醇基燃料的實(shí)用效果，本研究將高熱值醇基燃料M-5應(yīng)用于鍋爐燃燒中，通過(guò)與煤炭、柴油、天然氣、生物質(zhì)燃料、重油以及液化石油氣對(duì)比，綜合評(píng)價(jià)該高熱值醇基燃料的經(jīng)濟(jì)效益與環(huán)保性能.

2.3.1 經(jīng)濟(jì)效益研究 1 t蒸汽鍋爐的發(fā)熱量為6×105kcal/h，煤炭的熱值是5600 kcal/kg，熱效率為50%，若使用煤炭作為鍋爐的燃燒燃料，煤炭的消耗量為：6×105÷5600÷50%=214 kg/h，使用成本為：214×0.9=192元/h.其他幾種燃料M-5醇基燃料、柴油、天然氣、生物質(zhì)燃料、重油以及液化石油氣的使用成本分別為175、431、241、225、196、495元/h，見(jiàn)表4.綜合幾種燃料來(lái)看，本研究制備的高熱值醇基燃料的使用成本最低，僅為柴油成本的2/5，有助于經(jīng)濟(jì)效益的提升.

表4 醇基液體燃料與其他燃料綜合成本比較Tab.4 Comparison of comprehensive costs between alcohol-based liquid fuels and other fuels

2.3.2 環(huán)保性能研究

1）高熱值醇基燃料與傳統(tǒng)燃料燃燒CO2排放量對(duì)比：各種燃料燃燒CO2的排放量見(jiàn)圖1，與其他幾種燃料比較，高熱值醇基燃料及生物質(zhì)燃料的CO2排放量較低，每千克高熱值醇基燃料燃燒后僅排放1.36 kg CO2.

2）高熱值醇基燃料與傳統(tǒng)燃料燃燒SO2排放量對(duì)比：由圖2可知，高熱值醇基燃料、天然氣及液化石油氣的SO2排放量遠(yuǎn)低于煤炭及重油，且符合鍋爐大氣污染物國(guó)家限制排放標(biāo)準(zhǔn)GB 13271—2014（＜50 mg/m3）.

3）高熱值醇基燃料與傳統(tǒng)燃料燃燒NOx排放量對(duì)比：各種燃料燃燒NOx的排放量見(jiàn)圖3，高熱值醇基燃料的NOx排放量最低，每立方米高熱值醇基燃料燃燒后僅排放32 mg NOx，符合鍋爐大氣污染物國(guó)家限制排放標(biāo)準(zhǔn)GB 13271—2014（＜150 mg/m3），其他幾種燃料燃燒排放的NOx遠(yuǎn)高于本項(xiàng)目制備的高熱值醇基燃料，是其4.25～8.03倍.

圖1 高熱值醇基燃料與傳統(tǒng)燃料燃燒CO2排放量對(duì)比Fig.1 Comparison of CO2 emissions from burning high calorific value alcohol-based fuels and traditional fuels

圖2 高熱值醇基燃料與傳統(tǒng)燃料燃燒SO2排放量對(duì)比Fig.2 Comparison of SO2 emissions from burning alcohol-based fuels with high calorific value and conventional fuels

圖3 高熱值醇基燃料與傳統(tǒng)燃料燃燒NOx排放量對(duì)比Fig.3 Comparison of NOx emissions from burning alcohol-based fuels with high calorific value and conventional fuels

4）高熱值醇基燃料與傳統(tǒng)燃料燃燒煙塵排放量對(duì)比：由圖4可知，高熱值醇基燃料、天然氣、柴油及液化石油氣的煙塵排放量符合鍋爐大氣污染物國(guó)家限制排放標(biāo)準(zhǔn)GB 13271—2014（＜20 mg/m3），且遠(yuǎn)低于煤炭、生物質(zhì)燃料及重油燃料.

綜合CO2、SO2、NOx以及煙塵排放量四個(gè)方面來(lái)看，高熱值醇基燃料燃燒排放的大氣污染物較低，是人類需要的環(huán)境友好型燃料.賈偉藝等［23-24］研究顯示，醇基燃料污染小、成本低，可作為煤炭、汽油的替代燃料，與本研究結(jié)果一致.

圖4 高熱值醇基燃料與傳統(tǒng)燃料燃燒煙塵排放量對(duì)比Fig.4 Comparison of soot emissions from combustion of high calorific value alcohol-based fuels and traditional fuels

3 結(jié)論

本研究以甲醇為原料，通過(guò)調(diào)節(jié)輕烴類高熱值添加物、表面活性劑和助劑比例，制備出熱值高達(dá)7228 kcal的清潔型醇基燃料，其理化指標(biāo)符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn).通過(guò)鍋爐燃燒實(shí)際應(yīng)用，高熱值醇基燃料的使用成本及鍋爐污染物排放量遠(yuǎn)低于其他傳統(tǒng)燃料，達(dá)到了節(jié)能減排的效果.