菜籽油制备生物柴油性能试验研究与分析

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　　摘要：本文是对菜籽油制备的生物柴油的理化性能及燃烧性能进行测试研究。以菜籽油为原料，通过酯交换法制备生物柴油，与0#柴油部分理化性能指标的对比，通过对比各项指标都已达到国家指标，对三种掺混比例生物柴油混合燃料进行了发动机台架试验，结果表明:掺烧生物柴油的混合燃料时燃油消耗率、CO排放略有升高，HC排放明显低于0#柴油。菜籽油制备的生物柴油可以满足替代石化柴油的要求。
　　关键词：菜籽油；生物柴油；柴油发动机；排放
　　Abstract: in this paper the preparation of rapeseed oil is the physico-chemical properties of the biodiesel and combustion performance testing research. To rapeseed oil as raw material, through the ester exchange method for biological diesel, and 0 # diesel part of the performance indexes of physical and chemical contrast, through comparing various indicators have reached national indexes, the three kinds of the mixing proportion of biodiesel fuel mix the diesel engine test, the result shows that the content of the mixed fuel burn biodiesel fuel consumption, CO emissions when a slightly increased, HC emissions significantly lower than 0 # diesel. The preparation of rapeseed oil biodiesel can meet the requirements of the alternative petrochemical diesel.
　　Keywords: rapeseed oil; Biodiesel; The diesel engine; emissions
　　
　　
　　中图分类号：Q2-3 文献标识码：A文章编号：
　　
　　0 引言
　　 随着社会经济的发展，国民生活水平的提高，车辆在人们的日常生活当中越来越普及，大量使用石化燃料的同时也带来了许多问题，如石化柴油含有多有害物质，通过燃烧后直接排入大气层，对环境和人类的生存有着破坏作用，石化能源又是不可再生能源，面临着能源枯竭等问题。各国相继寻找清洁、安全、可再生、可替代石化柴油的新能源。生物柴油是指以油料作物、野生油料植物和工业微藻等水生植物油脂及动物油脂、废餐饮油等为原料，通过物理或化学的方法制成的甲脂或乙脂燃料，可用来替代石化燃料来满足工业、民用等要求。国内目前对生物柴油的生产和应用也进行了开发，已成功研制出利用菜籽油、光皮树油、麻风树油、大豆油、米糠油脚料、工业猪油、牛油等作为原料，经过甲醇预酯化再酯化作用，生产制备出的生物柴油，不仅可以作为代用燃料在柴油发动机上直接使用，而且还可以作为柴油清洁燃料的添加剂。从生物柴油的理化性质可以看出生物柴油对环境是友好的，生物柴油所含的双键数目少，分子中含氧量较高，含碳支链数目少或没有，这使得生物柴油有较好的燃烧特性，燃烧比较完全。石化柴油燃烧过程产生的主要污染物是：烟尘颗粒、SOX、CO、HC以及NOX等。与石化柴油相比，生物柴油的燃烧尾气中除NOX浓度稍微升高外，烟尘颗粒、SOX、CO、HC的排放明显下降[1,2]。此外，生物柴油中不含有芳香烃，燃烧后不会产生芳香烃和PAH。而且生物柴油还具有无毒、可生物降解等优点。
　　 本文对菜籽油制成的生物柴油进行理化性能指标测试、发动机燃烧试验，对排放性能进行研究。从而进行分析掺烧生物柴油尾气成分，得出更经济、更环境友好的掺烧比例。
　　1 材料与方法
　　1.1 试验材料
　　市购菜籽油、甲醇（分析纯）、磷酸（分析纯）、氢氧化钠（颗粒状）
　　1.2 实验原料和方法
　　1.2.1 生物柴油的制备
　　 本试验采用酯交换法制备生物柴油[3]，即通过甲醇将原料油中的脂肪酸甘油酯的甘油基取代下来，形成碳链较短脂肪酸甲脂和甘油。
　　 其反应原理如下：
　　C3H5(RCO0)3+3CH3OH=3RCOOCH3+C3H5(OH)3
　　 首先，取一定量的菜籽油置于烧杯中，水浴加热至60℃，将按比例混合好的甲醇氢氧化钠溶液倒入烧杯中，开始搅拌、并计时，待反应结束后将烧杯在室温的条件下静置分层，上层为生物柴油与甲醇的混合物，下层为甘油与未反应的脂肪酸甘油酯的混合物，收集上层液体并用磷酸溶液滴定至中性，加入温水洗涤3―4次，静置分层后除去下层的水相，将上层淡黄色液体在常压下进行蒸馏，以除去甲醇和水分,待蒸馏结束后，过滤除去杂质，即得淡黄色的澄清液体生物柴油。
　　1.2.2 生物柴油理化性能指标
　　试验设备：TSY―1109/1109A石油产品运动黏度测定仪、TSY-1103A石油产品半自动闪点测定仪、TSY―1115石油产品铜片腐蚀测定仪、TSY―1110原油和液体石油产品密度测定仪、TSY―1106A石油产品馏程测定仪等仪器。
　　试验方法：根据各个实验仪器使用方法及国家标准的要求进行测试。
　　1.2.3 生物柴油台架试验
　　 实验装置：ZX195柴油发动机、DSZ-2转速数字显示仪，D-150水力测功仪，FC2210智能油耗仪、NHA505废气分析仪、烟度计。
　　 试验方法：本试验是在海拔1900m，相对湿度为60%，实验室温度为25 ℃的实验室中进行的，将柴油机油箱中注入0#柴油并进行5分钟热机，让柴油发动机在2000r/min的转速下改变发动机的负荷，分别在0%、20%、50%、80%、100%五个阶段通过所接仪器对HC、CO和油耗等测试，记录所得数
　　
　　
　　据，然后将油箱中的油全部放尽；将掺混10%生物柴油的混合燃料分别加入油箱中同样空机运行几分钟，保证混合燃料充满整个油路，然后进行测试、数据采集；同样的方法将掺混20%生物柴油的混合燃料进行试验、数据采集；最后做100%生物柴油的试验，并进行数据采集。
　　2 试验结果与分析
　　2.1 部分理化性能指标对比
　　从表二中可以看出B100生物柴油的部分理化性能指标与0#柴油相接近，其中，运动黏度在石化柴油的范围内，接近于上限，所以雾化情况要略差于石化柴油；B100生物柴油的密度、铜片腐蚀接近于0#柴油；在闪点方面，生物柴油要高出0#柴油74℃，故在运输、储存过程中要比0#柴油更加安全、稳定。
　　表二B100生物柴油与0#柴油
　　
　　
　　2.2 燃油消耗率
　　从图2中可以看出在2000r/min的工况下，掺混不同比例生物柴油的混合燃料燃油消耗率总体趋势是随负荷的升高而升高，当负荷在100%时，B10、B20、B100生物柴油燃油消耗率比0#柴油燃油消耗率分别高出9.8%、9.8%、15.4%。造成这种情况是因为生物柴油的热值要比石化柴油的低，在同一工况下掺混生物柴油的比例越高燃油消耗率越高。

　　
　　图2 2000r/min不同负荷燃油消耗率
　　2.3 HC排放
　　从图3中可以看出HC排放在满负荷情况下随转速增加而下降，且HC排放明显低于0#柴油的排放，在2000r/min满负荷的工况下B10、B20、B100HC排放比0#柴油分别低了48.7%、52.4%、66.8%，且随着生物柴油掺混比例的升高而降低，造成这种现象是因为生物柴油中芳香烃含量很少，十六烷值比较高，理论上讲芳香烃含量越少，则其滞燃期越短，HC排放越低；十六烷值较高时，燃油着火性能较好，滞燃期短，其未燃烧碳氢和裂解碳氢均少。另外，生物柴油含有10%的氧，使生物柴油燃料比石化柴油更有利于燃烧，从而减少HC化合物的排放。因此，掺混生物柴油的混合燃料由于芳香烃含量减少、十六烷值高、含氧量增加，使得混合燃料在柴油机中燃烧的HC排放相对降低[5～8]。
　　
　　图32000r/min满负荷HC排放
　　2.4 CO排放
　　从图4中可以看出掺混生物柴油比例越高时CO排放在2000r/min的工况下随负荷升高而升高，当负荷达到100%时CO排放高于石化柴油，CO是燃油燃烧的中间产物，根据发动机CO形成的机理[3,4]：当混合气过浓(大负荷时或者发动机启动时)，将因缺氧所致；或者燃烧温度过低(混合气过稀)，CO进一步氧化的速度减慢，虽然生物柴油含有10%的氧，但由于生物柴油的黏度远远大于石化柴油，严重影响了生物柴油在柴油机中的雾化性能，使其燃烧不完全，从而造成CO排放增加。而且，当燃用生物柴油和柴油混合燃料时，生物柴油里面仍有一定的甲醇、甘油和钠盐等杂质未除净，也会造成燃料燃烧的不充分。高负荷时，CO的排放急剧上升是因为在高负荷高转速时，柴油机的喷油量增加使局部缺氧加剧，燃油不能充分燃烧，从而生成更多的CO[9～11]，因而导致了在2000r/min满负荷工况下混合燃料的CO排放比石化柴油的要高，且掺混比例越高排放比例也越高。
　　
　　图4 满负荷CO排放
　　3 结论
　　1）通过部分理化性能指标的对比，生物柴油闪点比0#柴油高，可以看出生物柴油在运输储存方面要比石化柴油0#柴油安全；由于运动黏度比0#柴油的高，所以在雾化方面要比0#柴油差些。
　　 2）通过ZX195柴油机燃用0#柴油和分别掺混20%、50%、100%生物柴油的混合燃料的排放对比试验可知：菜籽油为原料油制备的生物柴油在燃油消耗率方面比0#柴油略有升高；在HC排放方面明显低于0#柴油，CO排放量略高于0#柴油，综合测试显示掺混比例为20%生物柴油的混合燃料最为理想[12,13]。
　　参考文献：
　　 [1] 吴贵福，贾元华，姜东华.柴油机燃用生物柴油混合燃料排放性能试验研究[J].内燃机，2009,6：43-45.
　　 [2] 范焱虎. 三种生物柴油理化性能指标对比分析及柴油机试验研究[D].云南农业大学硕士论文，2011（6）.
　　[3] 玄伟东. 桐油制备生物柴油工艺研究及柴油机性能试验分析[D].云南农业大学硕士论文，2009（6）.
　　 [4] 孟祥梅.废油脂制取生物柴油的工艺优化及发动机试验[D].天津大学硕士论文,2006(2).
　　 注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。

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