一種以廢輪胎熱解油為燃料的專用發(fā)動(dòng)機(jī)油研制

唐弓斌，胡雄風(fēng)，陳一帆，黃福川

（1.廣西大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，廣西南寧530004；2.廣西石化資源加工與過程強(qiáng)化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西南寧530004）

一種以廢輪胎熱解油為燃料的專用發(fā)動(dòng)機(jī)油研制

唐弓斌1,2，胡雄風(fēng)1,2，陳一帆1,2，黃福川1,2

（1.廣西大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，廣西南寧530004；2.廣西石化資源加工與過程強(qiáng)化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西南寧530004）

針對(duì)以廢輪胎熱解油摻燃為燃料的發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒特性，提出研制一種專用發(fā)動(dòng)機(jī)油。研制油采用蓖麻基癸二酸二辛酯與油溶性聚醚的復(fù)合作為基礎(chǔ)油，不僅環(huán)境友好而且具有生物降解性；有針對(duì)性地選用多種功能添加劑。從不同添加劑配方研制的發(fā)動(dòng)機(jī)油中篩選出最優(yōu)方案。經(jīng)理化性能分析及模擬試驗(yàn)可知，所研制的發(fā)動(dòng)機(jī)油能夠滿足以廢輪胎熱解油摻燃為燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的使用性能要求。

蓖麻基癸二酸二辛酯;油溶性聚醚；廢輪胎熱解油；摻燃發(fā)動(dòng)機(jī)油

隨著化石燃料的枯竭以及過度使用化石燃料導(dǎo)致環(huán)境污染，利用廢棄物資源化以緩解能源危機(jī),尋找新的替代能源成為了能源領(lǐng)域的研發(fā)熱點(diǎn)之一。我國(guó)汽車產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展，輪胎的需求量不斷增加。越積越多的廢舊輪胎，不僅占用大量的土地資源，而且容易造成生態(tài)危害，對(duì)人體的健康和環(huán)境造成威脅。對(duì)廢輪胎進(jìn)行熱解處理，有利于減輕廢輪胎對(duì)環(huán)境造成的污染，且有較高的經(jīng)濟(jì)效益，被認(rèn)為是當(dāng)今處理廢舊輪胎的最佳途徑之一。

廢棄輪胎的熱解法是在無(wú)氧或者缺氧的條件下，將其加熱至500～1 000℃，使得廢輪胎中的有機(jī)物轉(zhuǎn)化為燃?xì)?、熱解油和炭黑三種主要產(chǎn)物[1]。廢輪胎在裂解爐中，裂解還原成餾氣，通過管道將餾氣經(jīng)過換熱器冷卻，形成液體燃料；無(wú)法冷凝的氣體，回爐作為燃料燃燒。熱解所得輕餾分油料可摻燃做柴油機(jī)燃料和鍋爐燃料；所得炭黑經(jīng)清洗后，可作輪胎的填充物，獲得再次利用；回收的鋼絲可用于煉鋼。其中，輕餾分油主要含有輕質(zhì)脂肪烴，以不飽和烴為主，烯烴占75%；而重質(zhì)脂肪烴則主要為正構(gòu)烷烴；芳烴的含量隨著熱解溫度的升高而增加；單環(huán)芳烴約占芳烴的50%，多環(huán)芳烴以稠環(huán)芳烴為主，瀝青、膠質(zhì)隨熱解溫度上升而顯著增加，同時(shí)熱解油含有含硫化合物。戴賢明[2]等利用廢輪胎熱解油與柴油混合作為發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料，其研究結(jié)果表明以是可行的。它與柴油等輕質(zhì)燃油相比，存在熱值高、粘度低、殘?zhí)恐档?、灰分含量低等特點(diǎn)[2-4]。Murugan S[5]等將廢輪胎熱解油與柴油按不同比列混合摻燒，其結(jié)果發(fā)現(xiàn)在廢輪胎熱解油與柴油按比例為9∶1摻燒時(shí)，壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)可正常運(yùn)行。

因?yàn)閺U輪胎熱解油的物理化學(xué)特性不同于普通柴油，所以普通的發(fā)動(dòng)機(jī)油無(wú)法完全滿足對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻、潤(rùn)滑、防銹、密封等作用。因此開發(fā)以廢輪胎熱解油摻燃為燃料的發(fā)動(dòng)機(jī)油十分必要，也有利于廢棄物的資源化利用。

1 研制油的主要功能及性能要求

1.1 優(yōu)良的清凈、分散性以及粘溫特性

由于廢輪胎熱解油含硫量較高，在發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)燃燒后給機(jī)油帶來(lái)酸性物質(zhì)，酸性物質(zhì)的存在易加速機(jī)油氧化變質(zhì)；廢輪胎含有較高的膠質(zhì)和瀝青質(zhì)；此外，熱解油含有較多的芳烴類物質(zhì)。當(dāng)燃燒不完全時(shí)，會(huì)流入機(jī)油中，也會(huì)加速發(fā)動(dòng)機(jī)油的失效。最終導(dǎo)致產(chǎn)生大量的油泥、積炭并使煙炱排放量增大。因此，研制油應(yīng)具有優(yōu)良的中和性、清凈性、分散性、及增溶性和過濾性。

1.2 良好的抗磨性、防腐、防銹性以及低溫流動(dòng)擴(kuò)散性

在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行的過程中，由于廢輪胎熱解油含有較多的雜質(zhì)，加之零部件的高速運(yùn)動(dòng)，會(huì)磨損發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部零件，因此良好的抗磨性是發(fā)動(dòng)機(jī)油所必須具有的；廢輪胎熱解油燃燒后的生成物具有一定的酸性，能腐蝕發(fā)動(dòng)機(jī)的零部件，這就要求發(fā)動(dòng)機(jī)油需要良好的防銹防腐性能。

1.3 良好的抗高溫氧化安定性、剪切安定性、堿值保持能力

發(fā)動(dòng)機(jī)油的氧化變質(zhì)是一個(gè)復(fù)雜的過程，與自身的化學(xué)組成和外界溫度等相關(guān)。發(fā)動(dòng)機(jī)油氧化后，導(dǎo)致粘度增大、酸性物質(zhì)增多，且會(huì)產(chǎn)生沉淀物或膠狀物。這些會(huì)腐蝕金屬、堵塞油路等。因此所研制的發(fā)動(dòng)機(jī)油需具有良好的抗高溫氧化安定性。

2 基礎(chǔ)油的選擇

潤(rùn)滑油由基礎(chǔ)油和各類添加劑組成。選擇合適的基礎(chǔ)油是研發(fā)發(fā)動(dòng)機(jī)油的關(guān)鍵步驟之一。根據(jù)廢輪胎熱解油摻燃在發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)的燃燒工況，選擇合適的基礎(chǔ)油。廢輪胎熱解油在燃燒過程中，與普通柴油相比，排放物中含硫化物、NOX較高；粘度大，著火時(shí)間長(zhǎng)，燃燒不完全產(chǎn)生較多的積炭、煙灰、漆膜，磨損、腐蝕也較嚴(yán)重。綜合考慮，經(jīng)試驗(yàn)篩選后，最終選擇蓖麻基癸二酸二辛酯與油溶性聚醚合成類基礎(chǔ)油的復(fù)合作用研制油的基礎(chǔ)油。

2.1 蓖麻基癸二酸二辛酯的選擇

以礦物油為基礎(chǔ)油的發(fā)動(dòng)機(jī)油，泄漏流入環(huán)境后，直接污染水體和土壤，對(duì)人類的生存環(huán)境構(gòu)成巨大的威脅。而以蓖麻基為原料的癸二酸二辛酯具有良好的生物降解性，既能緩解能源緊張的壓力,且環(huán)境友好[6,7]。除此外，針對(duì)以廢輪胎熱解油摻燃為燃料的發(fā)動(dòng)機(jī)而言，具有以下特性：

（1）廢輪胎熱解油在缸內(nèi)著火時(shí)間長(zhǎng)，以蓖麻基癸二酸二辛酯為基礎(chǔ)油的發(fā)動(dòng)機(jī)油在此工況下具有良好的穩(wěn)定性。

（2）以蓖麻基為原料的發(fā)動(dòng)機(jī)油，具有優(yōu)異的熱氧化安定性能，能有效減緩熱解油在發(fā)動(dòng)機(jī)油內(nèi)高溫燃燒時(shí)氧化變質(zhì)。

（3）廢輪胎熱解油含有一定的雜質(zhì)，以癸二酸二辛酯為基礎(chǔ)油的發(fā)動(dòng)機(jī)油能減低發(fā)動(dòng)機(jī)零部件的磨損。

（4）蓖麻基發(fā)動(dòng)機(jī)油還具有良好的抗剪切性能、空氣釋放值、閃點(diǎn)高、揮發(fā)性低等。

蓖麻基癸二酸二辛酯的典型理化指標(biāo)見表1。

表1 蓖麻基癸二酸二辛酯的典型性能指標(biāo)Table1 Castor base dioctyl sebacate

2.2 油溶性聚醚的選擇

選用油溶性聚醚與蓖麻基癸二酸二辛酯復(fù)合作為研制油的基礎(chǔ)油，是由于油溶性聚醚具有以下優(yōu)點(diǎn)[8-12]:

（1）可使發(fā)動(dòng)機(jī)油具有控制油泥、積炭等沉積物的性能。

（2）有效改善空氣釋放值。

（3）可改善發(fā)動(dòng)機(jī)油的水解安定性等。

油溶性聚醚典型理化指標(biāo)如表2。

表2 油溶性聚醚的典型性能指標(biāo)Table2 Typical performances of oil-soluble polyether

通過大量的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：以蓖麻基癸二酸二辛酯與油溶性聚醚復(fù)合研制的發(fā)動(dòng)機(jī)油，不僅具有普通發(fā)動(dòng)機(jī)油的各項(xiàng)使用性能，而且具有生物可降解性。調(diào)和兩種物質(zhì)所得復(fù)合基礎(chǔ)油，其理化性能見表3。

表3 復(fù)合基礎(chǔ)油的性能Table3 Performances of compound base oil

3 添加劑的選擇

綜合分析以廢輪胎熱解油摻燃為燃料的發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒工況，選擇蓖麻基癸二酸二辛酯和油溶性聚醚復(fù)合作為基礎(chǔ)油。此外，還需添加一定量的添加劑方能滿足使用工況的要求。研發(fā)的這種專用發(fā)動(dòng)機(jī)油時(shí)，通常還應(yīng)考慮添加一定的清凈劑、分散劑、抗氧劑、抗氧防腐劑、油性劑、金屬減活劑、摩擦改進(jìn)劑、防銹劑、抗泡劑、粘度指數(shù)改進(jìn)劑和補(bǔ)強(qiáng)劑等，才能確保其使用性。

3.1 清凈劑、分散劑的選擇

廢輪胎熱解油燃燒時(shí)，相比普通石化柴油而言，容易產(chǎn)生積炭、煙炱、漆膜和油泥，且因含硫量較高，燃燒時(shí)易生產(chǎn)酸性物質(zhì)。清凈劑、分散劑不僅能夠減少或防止沉淀物的生成，而且還可以中因氧化產(chǎn)生的酸性物質(zhì)。因此，在添加劑選擇中，特選用中堿值合成磺酸鈣、環(huán)烷酸鎂與超高堿值合成酸鎂的復(fù)合作為清凈劑、聚異丁烯雙丁二酰亞胺與聚異丁烯多丁二酰亞胺復(fù)合作為分散劑，以中和發(fā)動(dòng)機(jī)油使用過程成產(chǎn)生的酸性物質(zhì)、控制分散和增溶廢輪胎熱解油燃燒時(shí)產(chǎn)生的油泥和膠質(zhì)。

3.2 抗氧劑、抗氧防腐劑的選擇

熱氧化安定性較差的發(fā)動(dòng)機(jī)油，是促使發(fā)動(dòng)機(jī)油質(zhì)量惡化、使用壽命縮短的重要原因之一。選用二烷基二硫代氨基甲酸鑭與硫磷丁辛基鋅鹽復(fù)合作為抗氧防腐劑；選用2,6-二叔丁基混合酯與苯三唑衍生物復(fù)合作為抗氧劑。

3.3 防銹劑的選擇

為減少發(fā)動(dòng)機(jī)零部件被腐蝕，提高研制油的防銹、防腐蝕能力，減少發(fā)動(dòng)機(jī)各運(yùn)動(dòng)副因腐蝕而產(chǎn)生的失效，在研制油中選用烷基磷酸咪唑啉鹽與苯并三氮唑復(fù)合作為防銹劑。

3.4 其他功能添加劑的選擇

選用磷酸酯作為摩擦改進(jìn)劑；二甲基硅油作為抗泡劑；乙丙共聚物作為粘度指數(shù)改進(jìn)劑；油酸乙二醇作為油性劑；苯三唑衍生物2-疏基苯并咪唑復(fù)合作為金屬減活劑；硫化烷基酚鈣與石油磺酸鈉復(fù)合作為補(bǔ)強(qiáng)劑。

4 研制油的調(diào)合生產(chǎn)

研制油的配方確定后，利用模糊層次分析法得出一組較優(yōu)的添加劑配方。通過試驗(yàn)測(cè)得其典型理化指標(biāo)，見表4。

5 結(jié)語(yǔ)

選擇用蓖麻基癸二酸二辛酯和油性劑的復(fù)合作為研制油的基礎(chǔ)油，不僅能滿足以廢輪胎熱解油為燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的工況要求，而且環(huán)境友好，具有生物可降解性，能減少煙炱排放和碳?xì)浠衔锏纳伞?/p>

針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)以廢輪胎熱解油為燃料的工況，通過對(duì)基礎(chǔ)油和功能添加劑的合理復(fù)配，研制了相應(yīng)的發(fā)動(dòng)機(jī)油。經(jīng)潤(rùn)滑油理化性能分析可知，其具有優(yōu)良的清凈分散性、良好的抗高溫氧化安定性、良好的抗磨性、防腐防銹性。

表4 研制油的典性能指標(biāo)Table4 Typical performances of developed oil

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Development of a Special Lubricant for the Engine Using Waste Tire Pyrolysis Oil as Fuel

TANG Gong-bin1,2,HU Xiong-feng1,2,CHEN Yi-fan1,2,HUANG Fu-chuan1,2
（1.School of Chemistry and Chemical Engineering,Guangxi University,Guangxi Nanning 530004,China; 2.Key Laboratory ofGuangxiPetrochemicalResource Processing and Process Intensification Technology,GuangxiNanning 530004,China）

Based on combustion characteristics of the waste tire pyrolysis oil,a new type of engine oil was developed. Castor base dioctyl sebacate and oil soluble polyether compound were used as base oil,which is not only environmentally friendly,but also has biodegradability.And then a variety of functional additives were selected.The best scheme was determined through analyzing properties of the engine oil produced by different additives.The performance analysis and simulation tests show that the engine oil can meet the performance requirements of engine using the waste tire pyrolysis oil as fuel.

Castor base dioctyl sebacate;Oil soluble polyether;Waste tire pyrolysis oil;Engine lubricant

TE 624

A

1671-0460（2017）03-0539-03

廣西石化資源加工及過程強(qiáng)化技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金，項(xiàng)目號(hào)：2016K012。

2017-01-18

唐弓斌（1991-），男，湖南永州人，碩士研究生，研究方向：主要從事廢棄物資源化利用的研究。E-mail:tanggongbin@sina.com。

黃福川（1963-），男，教授，博士，主要從事機(jī)械摩擦與潤(rùn)滑材料的研發(fā)。E-mail:huangfuchuan@gxu.edu.cn。