微乳化生物柴油乳化劑配制及使用性能研究

王銀山　蔣小燕

摘 要：通過配制復合乳化劑，并利用機械攪拌和超聲波粉碎的方法，獲得了一種微乳化生物柴油，增加了微乳化生物柴油的穩(wěn)定時間，HLB值控制在4～6之間，細化了乳化油的分散相。試驗結果表明，含水10%的微乳化生物柴油噴霧性能良好，在柴油機上應用其動力性與純生物柴油相當，燃油經濟性得到改善，CO和NOx的排放明顯減少，發(fā)動機高轉速區(qū)碳煙排放顯著降低。

關鍵詞：生物柴油；微乳化；乳化劑；臺架試驗

生物柴油作為車用替代燃料突出的環(huán)保性和可再生性，引起了世界各國的高度重視。大量研究證明，經乳化后的生物柴油在柴油機上應用，通過乳化油的微爆作用和水煤氣反應，不僅使燃燒更加完全，使熱能轉換效率和燃油經濟性得到顯著提高，而且能有效降低碳煙和NOx的排放[ 1 ][ 2 ]。從改善PM2.5對城市霧霾天氣的影響角度來看，在我國發(fā)展微乳化生物柴油有很大的發(fā)展和應用空間。

本文通過配制乳化劑，采用外部提供能量并結合自發(fā)乳化的方法，形成一種較為穩(wěn)定的微乳化生物柴油，研究其對柴油機性能的影響，以探討微乳化生物柴油在柴油機上應用的有效途徑。

1 微乳化生物柴油配制

1.1 乳化劑的配制

利用生物柴油與水摻混、乳化形成一種W/O型（油包水型，水為分散相即內相，油為連續(xù)相即外相）乳化油[ 3 ]。但是，這種乳化油是一種熱力學不穩(wěn)定體系，乳化油的形成會造成體系界面積增加，從而增加了界面能，引起乳化油不穩(wěn)定。根據界面張力和界面膜穩(wěn)定性理論，必須加入乳化劑和助乳化劑，即復合乳化劑，以降低水/油界面張力，形成界面膜，并產生電效應，增加微乳化生物柴油的穩(wěn)定時間[ 4 ]。

不同的乳化劑粘度和比重不同，為使復合乳化劑達到最佳效果，要綜合考慮乳化劑的品種、用量和使用溫度，要使乳化劑達到均勻一致，還必須加入分散劑。為使復合乳化劑溶于油相，其親油性要強，因此，復合乳化劑的HLB值（親水親油平衡值）要低。復合乳化劑的HLB可用下式計算[ 5 ]：

式中：Wi為第i種乳化劑的質量百分比（%）；HLBi為第i種乳化劑的HLB值。

復合乳化劑HLB值控制在3～7之間適合做W/O乳化劑。本次復合乳化劑配制方案如表1所示，所配制的復合乳化劑為半透明狀液體，HLB值控制在4～6之間。

1.2 微乳化生物柴油的配制

首先將生物柴油、水和復合乳化劑按不同比例進行預混，然后，通過機械攪拌和超聲波粉碎，使乳化劑均勻分散到生物柴油和水中，同時，分散相也得到細化 [ 6 ]。

加水比例選擇在5%～15%之間。實踐證明，加水量越多有助于提高發(fā)動機燃油經濟性和降低有害氣體排放，但乳化油的穩(wěn)定變差，需要增加乳化劑的用量，使乳化油成本提高，同時，柴油機低負荷時的燃燒惡化。因此，復合乳化劑添加比例選擇在1%～2%之間[ 7 ]。

乳化油配制過程中，還要考慮乳化油的安定性和熱穩(wěn)定性。安定性好的乳化油開口放置不應形成不容物，而熱穩(wěn)定好的不應在較高溫度下出現破乳或蛻化[ 8 ]。

經過多次對比試驗，選出加水比例為10%和復合乳化劑比例為1%的微乳化生物柴油，其穩(wěn)定性好。通過生物顯微鏡觀測，這種微乳化油的內相直徑在0.5～8μm之間。在噴嘴測試儀上對其進行了噴霧試驗，當噴射壓力為105bar時能獲得較好的噴射效果。

2 微乳化生物柴油使用性能研究

在CW160型電渦流測功機上，對含水10%的微乳化生物柴油進行了臺架試驗。發(fā)動機為玉柴機器股份有限公司生產的YC4F100-20增壓柴油機，油耗儀為上海同圓Toceil-c3900發(fā)動機瞬時油耗測量儀，尾氣測試為BOSCH公司的DiGas4000廢氣分析儀和DiSmoke4000煙度計。

在發(fā)動機不同負荷下，對含水10%的微乳化生物柴油和純生物柴油進行了速度特性對比試驗，下面以該發(fā)動機扭矩為90Nm負荷為例，對這種微乳化生物柴油的使用性能進行分析，試驗結果如圖1～6所示。

含水量10%的微乳化生物柴油與純生物柴油的發(fā)動機輸出功率幾近相同。由于油包水狀微乳化生物柴油燃燒時的微爆作用，使乳化生物柴油燃燒的更加完全，這可以基本抵消因加水其熱值降低對功率的影響。

微乳化生物柴油的油耗量略高于純生物柴油，但若按等熱值當量比油耗計算，10%的微乳化生物柴油的燃油經濟性要好于純生物柴油。

含水10%微乳化生物柴油的CO排放有了較明顯降低。微乳化生物柴油的二次霧化，使燃料與氧氣混合更加均勻，燃燒更為徹底，另外，乳化油里含有水分，能夠在燃燒過程中反應生成水煤氣，使CO繼續(xù)燃燒，從而減少了CO的排放。

含水10%的微乳化生物柴油的NOx排放顯著減少。由于微乳化生物柴油汽化潛熱大，燃燒時能降低氣缸內的最高燃燒溫度，從而有助于減少了NOx的排放。

10%含水量的乳化柴油的HC排放增加了。由于缸內的低溫會使壁面淬熄效應明顯，另外，乳化油的配比也會影響HC的生成。

微乳化生物柴油碳煙排放在發(fā)動機高轉速區(qū)得到明顯改善。微乳化油的含氧量增加和最高燃燒溫度的降低，能有效減少碳煙的生成。

3 結論

1）配制的復合乳化劑，能降低水/油界面張力，形成界面膜，并產生電效應，增加了微乳化生物柴油的穩(wěn)定時間。

2）復合乳化劑HLB值控制在4～6之間，使復合乳化劑能溶于油相。

3）通過復合乳化劑的自發(fā)乳化，并利用機械攪拌和超聲波粉碎的方法，使乳化油的內相直徑達到了0.5～8μm之間，且均勻的分散在生物柴油中，達到微乳化生物柴油效果。

4）含水10%的微乳化生物柴油穩(wěn)定性能好，且在規(guī)定的噴射壓力下，具有良好的噴霧性能。

5）柴油機燃用含水10%的微乳化生物柴油，其動力性與純生物柴油相當，燃油經濟性得到改善，CO和NOx的排放明顯減少，高轉速區(qū)碳煙的排放顯著降低，但HC的排放有一定提高。

參考文獻：

[1] S ALTUN.Performance and emission characteristics ofa diesel engine fueled with biodiesel obtained from ahybrid feedstock. Energy Educ Sci Technol . 2011.

[2] M Senthil Kumar，J Bellettre，and M Tazerout，The use of biofuel emulsions as fuel for diesel engines： A review，Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers， Part A： Journal of Power and Energy， November 1， 2009； vol. 223，7：729-742.

[3] 李蘊穎，孫堅，楊敬一.不同類型乳化劑復配在微乳化生物柴油中的研究可再生能源2015-08-20.

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[8] 黃亞繼，仲兆平，金保昇，等.生物質油 /柴油乳化油的穩(wěn)定性與燃燒試驗研究.東南大學學報，2010年7月第40卷第4期.