利用地溝油制備新型燃料及其穩(wěn)定性研究＊

王曉丹，王康茂，汪繼超，成曉軍，邱樹毅*

(1.貴州大學(xué) 釀酒與食品工程學(xué)院，貴州 貴陽 550025;2.貴州聯(lián)和能源清潔燃料有限公司，貴州 貴陽 550000)

地溝油，主要指生活中存在的各類劣質(zhì)油，如回收的食用油、反復(fù)使用的煎炸廢油等。長期食用可能會引發(fā)癌癥，對人體的危害極大。而現(xiàn)有的潔凈能源水煤漿具有熱值低、黏度高、穩(wěn)定性差的缺點。在地溝油中添加適量的煤粉與少量水，通過添加劑的作用，制備得到新型燃料，與水煤漿相比具有熱值高、黏度低、穩(wěn)定性高的特點，可用于水煤漿點火、代替柴油用于柴油機以及各種小型燃油鍋爐，達到減少煤炭用量，節(jié)約能源的目的。同時還能夠有效治理回收油加工食用油的非法行為，解決餐廚廢棄物引發(fā)的食品安全問題以及資源浪費和環(huán)境污染問題。

1 實驗材料與方法

1.1 實驗試劑

單甘脂(AR)，司盤20(CP)，羧甲基纖維素鈉(CP)，黃原膠(USP)，十二烷基苯磺酸鈉(AR)，木質(zhì)素磺酸鈉(AR)，吐溫80(CP)市售。

試驗用水煤漿由某企業(yè)提供，具體參數(shù)見表1。

表1 試驗用水煤漿煤樣基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

試驗用煤樣由某企業(yè)提供，其具體參數(shù)見表2。

表2 試驗用煤樣基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

地溝油:實驗過程中使用的地溝油主要為來源于市場的廢棄油，含有較多的反式脂肪酸，苯并芘等致癌物質(zhì)，其熱值約為:8800 kCal/kg，黏度約為:90 mPa·s。

1.2 實驗儀器

高速勻漿機XHF－D，恒溫振蕩器THZ－82A，電動離心機80－2，煤質(zhì)工業(yè)分析儀XL－100。

1.3 實驗方法

1.3.1 水煤漿新型燃料的制備

(1)按照乳化劑配比，將添加劑先溶于少量水中，再添加地溝油;

(2)微熱，高速攪拌乳化一定時間;

(3)乳化液中加入水煤漿，高速攪拌混合均勻。

按照一定的比例，將添加劑先溶于少量水中，再添加地溝油;微熱，攪拌乳化一定時間后加入水煤漿，利用高速勻漿機混合均勻。轉(zhuǎn)速約為10000 r/min 至15000 r/min，時間20～40 min。其地溝油含量為40%～55%，水煤漿含量為44%～59%，添加劑含量為1%。制備出的新型燃料樣品隨著地溝油含量增加，其流動性增加，粘性減小。制備樣品時使用高速勻漿機攪拌的時間隨著油含量的增加而增加，其中1#樣品約需要攪拌20 min，2#與3#樣品需要攪拌25～35 min，4#樣品需要攪拌40 min。

1.3.2 煤粉新型燃料的制備

(1)將各種煤粉利用粉碎機粉碎至0.075 mm以下;

(2)稱取適量添加劑(單甘脂含量30%，司盤20 含量45%，CMC 含量3%，黃原膠含量2%，十二烷基苯磺酸鈉含量20%)溶于一定比例的水中，倒入地溝油，微熱，利用高速勻漿機乳化均勻;

(3)添加適量的煤粉制成不同煤和地溝油比例的新型燃料。

1.3.3 乳化劑配方的選擇

由于地溝油成分復(fù)雜，有植物油、動物油以及大量雜質(zhì)，而且每個地方、每次回收的地溝油成分都不完全相同。因此在實驗研究過程中穩(wěn)定的乳化劑配方研究十分重要和關(guān)鍵，要使乳化劑的穩(wěn)定范圍大，能夠適合于成分復(fù)雜的地溝油，達到較好的乳化、穩(wěn)定效果，從而提高新型燃料的穩(wěn)定性。

乳化劑的使用是制作新型燃料的重要方面，具有兩親性，由疏水基和親水基組成。常用的乳化劑主要為陰離子型和非離子型，幾種乳化劑復(fù)配，具有協(xié)同效應(yīng)，可以提高新型燃料濃度，降低黏度，同時還可降低總添加劑用量，達到價廉、高效的目的。煤是疏水性物質(zhì)，把乳化劑加入燃料體系后其疏水基與煤粒表面疏水基結(jié)合，親水基深入水中，水分子被吸附在煤粒表面，變疏水性為親水性，對煤粒起到良好的分散作用，使其穩(wěn)定性增加。

1.3.4 新型燃料的穩(wěn)定性判定

新型燃料的穩(wěn)定性主要是通過靜置一定時間后其是否產(chǎn)生沉淀來判斷。沉淀可分為硬沉淀(通過攪拌不可能使?jié){體重新恢復(fù)均勻態(tài)的沉淀)與軟沉淀(通過攪拌能使?jié){體重新恢復(fù)均勻態(tài)的沉淀)。但通過靜置形成沉淀來判斷新型燃料的穩(wěn)定性時間太長，因此利用離心法來觀察新型燃料的穩(wěn)定性。離心法是指設(shè)置一定的轉(zhuǎn)速梯度后，利用35 mm 離心管對新型燃料進行離心，觀察是否出現(xiàn)油水分離，軟沉淀，硬沉淀。

離心條件:35 mm 直徑離心管 離心時間:10 min

穩(wěn)定:離心后，不發(fā)生油水分離，離心管底部也沒有出現(xiàn)軟沉淀，保持離心前的穩(wěn)定狀態(tài)。

基本穩(wěn)定:離心后，離心管上部基本無變化，離心管底部出現(xiàn)少量軟沉淀，稍加攪拌后可以恢復(fù)原狀。

開始出現(xiàn)分層現(xiàn)象:離心后，離心管上部為較稀的漿體，底部為較多的沉淀。

1.3.5 新型燃料燃燒效果檢測方法

根據(jù)GB/T 212－2008 煤的工業(yè)分析方法測定新型燃料的水分、灰分和揮發(fā)分;

根據(jù)GB/T 214－2007 煤中全硫的測定方法測定新型燃料的全硫含量;

根據(jù)GB/T 213－2008 煤的發(fā)熱量測定方法測定新型燃料的發(fā)熱量;

根據(jù)GB/T 18856.4－2008 水煤漿試驗方法第4 部分:表觀黏度測定新型燃料的黏度。

2 結(jié)果與討論

2.1 乳化劑配方

在選擇乳化劑時要考慮其HLB 值，HLB 小于10為親油性，大于10為親水性。HLB 值為3.5～6的乳化劑，適合作為油包水(W/O)型乳化劑;HLB值為8～18 的，可作為水包油(O/W)型乳化劑。

根據(jù)上述原理，通過反復(fù)實驗，不斷進行配方對比研究，最終篩選得到三種乳化添加劑配方，其中添加劑含量占新型燃料總質(zhì)量的1%，三種配方中各種組份的比例見表3。

表3 制備新型燃料乳化劑配方

2.2 利用水煤漿制備新型燃料及其穩(wěn)定性分析

2.2.1 離心法水煤漿新型燃料的穩(wěn)定性

通過離心可以得出各個比例的產(chǎn)品在多少轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定，不發(fā)生油水分離和出現(xiàn)沉淀，并且與水煤漿的穩(wěn)定性對照比較，觀察新型燃料樣品的穩(wěn)定性是否優(yōu)于水煤漿。所得結(jié)果見表4。

表4 新型燃料離心效果

三種添加劑相比，地溝油含量50%至45%時產(chǎn)品的離心效果相差不大，均在1500 r/min 時出現(xiàn)分層，上層為油，下層為粘狀煤漿的軟沉淀。1200 r/min 以下離心后穩(wěn)定，不出現(xiàn)油水分離和沉淀。地溝油含量在40%時，添加劑A 在1200 r/min下離心后穩(wěn)定，添加劑B 和添加劑C 在900 r/min以下離心后才能穩(wěn)定。地溝油含量在35%時，添加劑A 和添加劑B 在900 r/min 以下離心后能穩(wěn)定存在，而添加劑C 在900 r/min 下離心后出現(xiàn)軟沉淀。因此，在三種添加劑配方中，A 配方效果最好，B 配方其次，C 配方再次。相同條件下對水煤漿離心，1500 r/min 下，水煤漿分層明顯，有硬的塊狀沉淀。1200 r/min 下離心后也是硬沉淀，在900 r/min下出現(xiàn)軟沉淀，800 r/min 下穩(wěn)定。利用三種添加劑制備的新型燃料樣品的離心效果均好于水煤漿。

2.2.2 水煤漿制備新型燃料的燃燒效果

按照新型燃料的制備方法，制備出不同比例的樣品，并對其燃燒效果進行檢測，其結(jié)果見表5。

表5 新型燃料燃燒檢測結(jié)果

由表5 可知:

(1)隨著含油量的增加，1#至4#的灰分、全硫含量和黏度都降低，揮發(fā)份和發(fā)熱量增加。1#樣品的黏度偏高，可能是因樣品長時間保存后其水分含量減少導(dǎo)致。

(2)與對照樣5#水煤漿相比，新型燃料的灰分減少，全硫含量降低明顯，黏度降低，流動性增強。揮發(fā)份增加，同時1#至4#樣品發(fā)熱量與5#水煤漿發(fā)熱量4030 kcal/kg 相比均明顯提高。

(3)與水煤漿相比，水煤漿的灰分為10.82%，而樣品的灰分為4.76%至8.41%，其灰分大大降低，能夠提高新型燃料的燃燒效率;同時樣品的揮發(fā)分較水煤漿也明顯提高，有利于新型燃料的燃燒;全硫含量只有0.15%至0.19%，燃燒后對環(huán)境的污染更小，同時可以減輕對設(shè)備的腐蝕性。

(4)由于使用的水煤漿熱值本身較低，只有4030 kcal/kg，因此制成新型燃料后熱值最高為6984 kcal/kg，如果使用熱值更高的水煤漿為原料，可以使其熱值更高。

2.3 利用煤粉制備新型燃料及其穩(wěn)定性分析

2.3.1 離心法水煤漿新型燃料的穩(wěn)定性

利用35 mm 離心管對新型燃料進行離心，觀察是否出現(xiàn)油水分離，結(jié)果見表6。

表6 新型燃料中各組分比例

圖1 無煙煤的穩(wěn)定轉(zhuǎn)數(shù)與地溝油比例關(guān)系

圖2 煙煤的穩(wěn)定轉(zhuǎn)數(shù)與地溝油比例關(guān)系

從圖1 可以看出，兩種無煙煤制備的樣品穩(wěn)定性相差不大，穩(wěn)定性最高都為1200 轉(zhuǎn)，地溝油比例為50%;穩(wěn)定性最低為1000 轉(zhuǎn)，地溝油比例為60%;在地溝油比例為55%處，無煙煤①的穩(wěn)定性1100 轉(zhuǎn)高于無煙煤②的1050 轉(zhuǎn)。從圖2 煙煤穩(wěn)定性數(shù)據(jù)可以看出，紅旗煙煤和大丫口煙煤的穩(wěn)定性在地溝油比例40%至55%時穩(wěn)定性相同，地溝油比例60%時，大丫口煙煤的穩(wěn)定性為950 轉(zhuǎn)，高于紅旗煙煤900 轉(zhuǎn);而小河橋煙煤穩(wěn)定性在地溝油比例40%至50%時穩(wěn)定性比另外兩種略差，在地溝油比例50%至60%時穩(wěn)定性比另外兩種略高，其整體穩(wěn)定性相差不大。對比煙煤和無煙煤，可以看出利用無煙煤制備的新型燃料穩(wěn)定性效果好于煙煤。

2.3.2 利用不同煤粉制備新型燃料的燃燒效果

利用煤質(zhì)工業(yè)分析儀對制備的新型燃料樣品進行檢測，其結(jié)果見表7～11。

表7 利用無煙煤1號制備的新型燃料

表8 利用無煙煤2號制備的新型燃料

表9 利用煙煤1號制備的新型燃料

表10 利用煙煤2號制備的新型燃料

表11 利用煙煤3號制備的新型燃料

利用同種煤樣制備的新型燃料，其灰分和硫分隨著地溝油含量的增加而減少，能有效提高燃料的燃燒效率，硫分的降低可以減輕對設(shè)備的腐蝕性，燃燒后對環(huán)境的污染更小;揮發(fā)分和發(fā)熱量則隨地溝油含量的增加而增加，有利于其燃燒。不同種煤樣制備的相同比例的新型燃料，其灰分、揮發(fā)分、硫分以及發(fā)熱量與原料煤樣呈對應(yīng)關(guān)系，例如原料煤樣的發(fā)熱量高的，制備出的新型燃料的發(fā)熱量也高。從表7～11 可以看出利用大丫口煙煤和小河橋煙煤制備的新型燃料，其硫分較低，但其灰分較高，發(fā)熱量較低，而紅旗煙煤制備的樣品具有較高的熱值和較低的灰分，硫分只比上述兩種樣品稍高。利用無煙煤①和②制備的樣品中，①的樣品具有較低的灰分和較高的熱值，但其硫分比②的樣品稍高。

3 結(jié)論

首先利用離心法對用水煤漿制備的新型燃料穩(wěn)定性進行了檢測，從三組添加劑配方中得到效果最好的添加劑配方A(單甘脂含量30%，司盤20含量45%，CMC 含量3%，黃原膠含量2%，十二烷基苯磺酸鈉含量20%)，并對其燃燒效果進行檢測，其結(jié)果與水煤漿相比，新型燃料具有更高的熱值、穩(wěn)定性以及較低的黏度，同時全硫含量的降低比水煤漿更加環(huán)保。然后再利用不同煤樣制備新型燃料，對其離心后穩(wěn)定性以及燃燒效果進行檢測，5 種煤樣制備的樣品中，無煙煤①的燃燒效益最高，而無煙煤②的環(huán)境效益則較高;紅旗煙煤在3 種煙煤中的燃燒效益最好，大丫口煙煤和小河橋煙煤的硫分雖然較低，但其熱值也較低，不適合用來制備新型燃料。綜上，無煙煤①和紅旗煙煤表現(xiàn)較好，具有較高的熱值和穩(wěn)定性，可用于水煤漿點火、代替柴油用于柴油機以及各種小型燃油鍋爐，是一種應(yīng)用前景廣闊的新能源。

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