甲醇柴油的物化性質(zhì)研究

焦 楊，韓大明

(東北林業(yè)大學(xué)交通學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150040)

近年來，隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和汽車保有量的高速增加，石油短缺問題日益突出。柴油作驅(qū)動汽車行駛的主要燃料之一，常有供不應(yīng)求的局面出現(xiàn)。隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，全球原油資源日趨枯竭，而且柴油機(jī)尾氣中碳煙、NOX及其他有害氣體含量很高，排放污染嚴(yán)重，損害人體身體健康。燃料甲醇作為一種可再生清潔燃料成為汽車代用燃料的熱點(diǎn)之一，其中甲醇可由煤碳、石油和天然氣中提取，其中一半來自天然氣。由于甲醇含氧量高，甲醇柴油混合燃料的燃燒可以降低碳煙和CO的排放。但是甲醇與柴油的物化性質(zhì)相差很大，互溶困難。所以必需選用合適的助溶劑，來保證甲醇柴油混合燃料性質(zhì)穩(wěn)定且不分層。

甲醇柴油的研究在一些國家受到廣泛的重視，但我國對甲醇柴油的物化性質(zhì)方面的研究極少，只對其燃燒及排放性能進(jìn)行了初步的研究和試驗(yàn)。甲醇柴油混合燃料必需加入添加劑來改善本身體系的物性，來完善由于甲醇和柴油的十六烷值、粘度和閃點(diǎn)等性質(zhì)差別較大引發(fā)的一系列問題，因此對甲醇柴油物性的研究可為其推廣應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

1 混合燃料的配制和測試方法

1.1 混合燃料的配制

原料由0#柴油、天津市富宇精細(xì)化工有限公司提供的分析純和東北林業(yè)大學(xué)交通學(xué)院研發(fā)中心研制并提供的助溶劑組成。甲醇在混合燃料中的體積含量分別取0%，10%和20%，配置 M10和M20(符號M后面的數(shù)字表示甲醇在混合燃料中的體積百分比)。

1.2 測試方法

使用密度計(jì)對普通柴油和甲醇柴油的密度進(jìn)行測量。遵循GB/T265試驗(yàn)方法，采用GB265型石油產(chǎn)品運(yùn)動粘度測定儀進(jìn)行混合燃料粘溫特性試驗(yàn)。蒸餾特性試驗(yàn)按照GB/T6536試驗(yàn)方法運(yùn)用蒸餾儀進(jìn)行。

2 混合燃料的物化性質(zhì)

2.1密度

密度是與體積熱值直接相關(guān)的物性數(shù)據(jù)，燃油的大部分物化性質(zhì)都與密度存在著某種內(nèi)在關(guān)系。柴油是復(fù)雜的烴類混合物，碳原子數(shù)約為10－22，碳原子多 輸出功率大 產(chǎn)生碳煙微粒的可能性就大。

表1 不同甲醇含量的甲醇柴油實(shí)測密度 (20℃)/g·cm－3Tab.1 Measured density of methanol-diesel fuel with different methanol content(20℃)/g·cm－3

表1是燃油密度在不同甲醇體積百分含量時(shí)的數(shù)值，測試溫度是20℃。由于甲醇的密度較小，因此混合燃料的密度會隨著甲醇加入量的增大而減小。又因?yàn)橹軇┑拿芏容^大，大約為0.95左右，可以防止混合燃料密度的降低，由表1可見混合燃料的密度大于燃油密度。

混合燃料的密度隨各組成部分變化的擬合公式:

式中:ρ為溫度20℃時(shí)混合燃油的密度，ρ1表示20℃時(shí)柴油的密度，ρ2表示20℃時(shí)甲醇的密度，ρ3表示20℃時(shí)助溶劑的密度，C1是甲醇的體積含量，C2是助溶劑的體積含量。此式可以計(jì)算出在20℃時(shí)的任何百分比含量的柴油甲醇柴油混合燃料的密度值，通過實(shí)驗(yàn)也可以測得混合燃料的密度，M10和 M20分別為 0.8693g/cm3、0.8627g/cm3。計(jì)算值與測量值之問的誤差≤0.3%。

2.2粘度

粘度是燃料油最主要的性能指標(biāo)之一，它是對流動性阻抗能力的度量，它的大小表示燃料油的易流性、易泵送性和易霧化性能的好壞。燃料的粘溫曲線 (粘度隨溫度的變化關(guān)系)是燃料、特別是代用燃料重要的品質(zhì)特征［1］。在20～100℃溫度范圍內(nèi)，以0號柴油為基礎(chǔ)油，對M0、M10、M20混合燃料進(jìn)行溫粘特性試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

由試驗(yàn)結(jié)果可知，運(yùn)動粘度的變化較密度明顯。隨著溫度升高 (約100℃)，不同比例混合燃料的粘度均逐漸降低直至和0號柴油的粘溫曲線基本重合，并且隨著甲醇摻混比例的增大，混合燃料的粘度逐漸降低。這是因?yàn)椴裼偷姆悬c(diǎn)為175～360℃，而甲醇的沸點(diǎn)僅為為64.5℃，相差極大。試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)混合燃料的溫度升高達(dá)到甲醇的沸點(diǎn)64.5℃時(shí)，甲醇先由甲醇柴油混合燃料中蒸發(fā)出來;當(dāng)混合燃料的溫度繼續(xù)升高達(dá)到到80℃時(shí)，甲醇已大部分從甲醇柴油混合燃料中蒸發(fā)出來;當(dāng)溫度升高超過80℃以后，M0、M10、M20的粘溫曲線基本重合保持一致。

圖1 混合燃料的溫粘特性Fig.1 Viscosity characteristics of the mixed fuel

表2 燃料在不同溫度下的粘度Tab.2 Viscosity of the blends in different temperatures

由表2可見，混合燃料的運(yùn)動粘度變化較大，但仍符合0號柴油運(yùn)動粘度的國家標(biāo)準(zhǔn)，對使用性能的影響很小。

2.3 十六烷值

十六烷值是表示柴油發(fā)火性能的指標(biāo)，代表柴油在發(fā)動機(jī)中發(fā)火性能的一個(gè)約定量值。混合燃料的十六烷值將根據(jù)甲醇的摻混比例來確定，因?yàn)榧状既剂系氖橹递^低僅為3。燃料的十六烷值應(yīng)該在一個(gè)合適的范圍內(nèi)，十六烷值過高，則柴油機(jī)排氣冒黑煙，經(jīng)濟(jì)性下降;如果過低，則起動困難，運(yùn)轉(zhuǎn)粗暴。一般柴油機(jī)燃油的十六烷值在40～60范圍之內(nèi)。甲醇柴油混合燃料的十六烷值隨甲醇體積百分含量的變化如圖2所示。

由圖2可見，隨著甲醇摻混比例的增加，甲醇柴油混合燃料的十六烷值逐漸下降。因而為改善混合燃料的十六烷值過低的問題，提高甲醇柴油混合燃料的發(fā)火性能，適當(dāng)添加著火促進(jìn)劑是有必要的。

圖2 混合燃料十六烷值隨甲醇體積含量的變化關(guān)系Fig.2 Cetane of the blends with the methanol volume content

2.4餾程

餾程是評定液體燃料蒸發(fā)性的最重要的質(zhì)量指標(biāo)。它既能說明液體燃料的沸點(diǎn)范圍，又能判斷油品組成中輕重組分的大體含量，對生產(chǎn)、使用、貯存等各方面都有著重要的意義。本文以0號柴油為基礎(chǔ)油，用M0、M10、M20混合燃料進(jìn)行蒸餾特性試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3 燃料的蒸餾特性Fig.3 Distillation characteristics of the fuel

由圖3可以看出，隨著溫度的升高，混合燃料的餾出率不斷的增加。并且混合燃料中甲醇摻混比例越大，相同餾出率所對應(yīng)的餾出溫度越低。由試驗(yàn)結(jié)果可知，在40%餾出率以下，混合燃料與基礎(chǔ)油餾出曲線相差很大，隨著餾出率的增大，混合燃料與基礎(chǔ)油的蒸餾曲線逐漸接近，最終基本重合到相同的終餾點(diǎn)。通過燃料的蒸餾特性試驗(yàn)得知，不同餾出率所對應(yīng)的混合燃料的餾出溫度始終低于基礎(chǔ)油的餾出溫度，且混合燃料中摻混甲醇比例越高，相對餾出溫度越低。甲醇柴油混合燃料餾程范圍符合國家標(biāo)準(zhǔn)。

2.5 腐蝕性

甲醇對金屬材料具有腐蝕性，因此本文進(jìn)行了混合燃料銅帶腐蝕試驗(yàn)。試驗(yàn)按照《石油工業(yè)新技術(shù)及標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范手冊－油氣分析測試化驗(yàn)新技術(shù)及標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范》中的測試方法。即在規(guī)定條件和試驗(yàn)流程下，觀察燃料使銅片所產(chǎn)生的顏色變化來判斷試驗(yàn)燃料的腐蝕性［2］。不同甲醇體積含量混合燃料的試驗(yàn)結(jié)果見表4。

表4 混合燃料銅帶腐蝕試驗(yàn)結(jié)果Tab.4 Experiment results of blends of copper with corrosion

將試驗(yàn)結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)的腐蝕級別進(jìn)行對照，可以得出結(jié)論，甲醇柴油混合燃料的腐蝕級別為1級。隨著甲醇的含量提高，腐蝕級別略有上升，但從總體來看腐蝕性并不強(qiáng)，混合燃料滿足標(biāo)準(zhǔn)ISO 2160－1998對燃料的要求。

3 結(jié)論

(1)通過溫粘特性試驗(yàn)可知，隨著甲醇摻混比例的增加，甲醇混合燃料的粘度值降低，但仍符合0號柴油運(yùn)動粘度的國家標(biāo)準(zhǔn)。

(2)隨著甲醇摻混比例的增加，甲醇混合燃料的十六烷值降低，所以適當(dāng)添加著火促進(jìn)劑是有必要的。

(3)通過蒸餾特性試驗(yàn)可知，甲醇柴油混合燃料的低溫蒸餾特性較強(qiáng)，餾程范圍符合國家標(biāo)準(zhǔn)。

(4)甲醇柴油混合燃料能夠滿足標(biāo)準(zhǔn)ISO 2160－1998對燃料腐蝕性的要求。

】

［1］ Miyamoto N，Ogawa H.Improvement of Diesel Combusition and E-missions with Addition of Various Oxygenated Agents to Diesel Fuels［C］.SAE962115.

［2］魏象儀.內(nèi)燃機(jī)燃燒學(xué)［M］.大連理工大學(xué)出版社，1992.