HFRR法測定生物柴油及其原料油的潤滑性能研究

楊遠(yuǎn)猛，李法社,3，陳 丹，張小輝,3，李秀鳳，包桂蓉,3，杜 威

(1.省部共建復(fù)雜有色金屬資源清潔利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，昆明 650093； 2.昆明理工大學(xué)冶金與能源工程學(xué)院, 昆明 650093； 3.冶金節(jié)能減排教育部工程研究中心，昆明 650093)

油脂化學(xué)

HFRR法測定生物柴油及其原料油的潤滑性能研究

楊遠(yuǎn)猛1,2，李法社1,2,3，陳 丹1,2，張小輝1,2,3，李秀鳳2,3，包桂蓉1,2,3，杜 威2,3

(1.省部共建復(fù)雜有色金屬資源清潔利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，昆明 650093； 2.昆明理工大學(xué)冶金與能源工程學(xué)院, 昆明 650093； 3.冶金節(jié)能減排教育部工程研究中心，昆明 650093)

采用HFRR法對14種生物柴油及其原料油的潤滑性能進(jìn)行了分析研究。通過對花椒籽油生物柴油不同工況下潤滑性能的測定分析，得出分析測定生物柴油潤滑性能的試驗(yàn)溫度為60℃，箱內(nèi)溫度為22～24℃、相對濕度為40%～50%最佳，能很好地弱化平均磨斑直徑和校正磨斑直徑偏差，減小環(huán)境對試驗(yàn)結(jié)果的影響。測試結(jié)果顯示：14種生物柴油及其原料油的潤滑性能有一定的差別，生物柴油的潤滑性能差別較其原料油的潤滑性能差別??；地溝油的校正磨斑直徑在14種原料油中最大，而相應(yīng)的地溝油生物柴油的校正磨斑直徑在14種生物柴油中最小，且地溝油的校正磨斑直徑大于地溝油生物柴油的校正磨斑直徑；其他13種植物油脂的潤滑性能優(yōu)于其對應(yīng)生物柴油的潤滑性能。

生物柴油；HFRR法；潤滑性能；校正磨斑直徑

我國在2003年頒布并實(shí)施了GB/T 19147—2003《車用柴油》標(biāo)準(zhǔn)，2013年又頒布了GB/T 19147—2013《車用柴油V》標(biāo)準(zhǔn)，其中柴油潤滑性能指標(biāo)均要求磨斑直徑不大于460 μm(60℃)，測定方法均采用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SH/T 0765—2005《柴油潤滑性評定法(高頻往復(fù)試驗(yàn)機(jī)法)》。目前國內(nèi)生產(chǎn)生物柴油標(biāo)準(zhǔn)主要是GB/T 20828—2015《柴油機(jī)燃料調(diào)合用生物柴油(BD100)》和GB 25199—2015《生物柴油調(diào)合燃料(B5)》。《柴油機(jī)燃料調(diào)合用生物柴油(BD100)》標(biāo)準(zhǔn)中沒有對生物柴油潤滑性能作出要求，《生物柴油調(diào)合燃料B5》標(biāo)準(zhǔn)中要求生物柴油調(diào)合燃料B5潤滑性能指標(biāo)磨斑直徑不大于460 μm(60℃)。云南省地方標(biāo)準(zhǔn)DB 53/450—2013《生物柴油調(diào)合燃料(B10)》和DB 53/451—2013《生物柴油調(diào)合燃料(B20)》中也要求調(diào)合燃料的潤滑性能指標(biāo)磨斑直徑不大于460 μm(60℃)，檢測方法均為行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SH/T 0765—2005《柴油潤滑性評定法》。生物柴油的性能指標(biāo)如密度、酸值、運(yùn)動(dòng)黏度、氧化穩(wěn)定性及硫含量等均與生物柴油原料油的性能有關(guān)[13-17]。生物柴油的潤滑性能與其原料油的關(guān)系還未見相關(guān)報(bào)道。本文采用HFRR法對14種生物柴油及其原料油的潤滑性能進(jìn)行測定分析，為生物柴油的潤滑性研究提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

1.1.1 原料與試劑

去離子水和超純水由實(shí)驗(yàn)室自制。石油醚、異辛烷、丙酮、碳酸鉀、無水乙醇等均為分析純。11種植物油、1種地溝油及2種植物油料種子相關(guān)信息見表1。植物油料種子采用索氏抽提法提取植物油，采用酸堿催化法制備相應(yīng)14種生物柴油。

表1 14種生物柴油原料油相關(guān)信息

1.1.2 儀器與設(shè)備

HFRR高頻往復(fù)試驗(yàn)機(jī)，邁瑞爾實(shí)驗(yàn)設(shè)備(上海)有限公司；53X正置金相顯微鏡；超聲波清洗機(jī)；飛科電吹風(fēng)；電熱水壺。

1.2 試驗(yàn)方法

采用高頻往復(fù)試驗(yàn)機(jī)法，即HFRR法，按照SH/T 0765—2005《柴油潤滑性評定法》進(jìn)行生物柴油及其原料油的潤滑性試驗(yàn)，試驗(yàn)條件見表2。

②應(yīng)明確基層水利發(fā)展是“工業(yè)反哺農(nóng)業(yè)、城市支持農(nóng)村”的重點(diǎn)扶持對象。積極落實(shí)“工業(yè)反哺農(nóng)業(yè)、城市支持農(nóng)村”等有關(guān)政策，對城市工商業(yè)的增值稅、消費(fèi)稅和營業(yè)稅按5%的“稅中稅”稅率實(shí)施帶征，通過實(shí)行“三稅帶征”，建立農(nóng)村生態(tài)建設(shè)基金，用于農(nóng)村生態(tài)建設(shè)和基本農(nóng)田水利建設(shè)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2007年上述三項(xiàng)流轉(zhuǎn)稅總計(jì)收入24 259億元，如按5%的稅率征收，每年可征收“農(nóng)村生態(tài)建設(shè)附加”1213億元。

表2 試驗(yàn)條件

將試驗(yàn)樣品放入具有一定溫度的樣品池內(nèi)，固定在垂直夾具中的試驗(yàn)鋼球?qū)λ桨惭b的試驗(yàn)鋼片進(jìn)行加載，試驗(yàn)鋼球以一定的頻率和沖程往復(fù)運(yùn)動(dòng)，試驗(yàn)鋼球與試驗(yàn)鋼片的接觸面必須完全浸沒在液體樣品中。試驗(yàn)鋼球直徑6 mm，材質(zhì)為AISIE-52100鋼，洛氏硬度HRC為58～66，表面粗糙度Ra<0.05 μm；試驗(yàn)鋼片材質(zhì)為AISIE-52100鋼，維氏硬度HV30為190～210，表面粗糙度Ra<0.02 μm。試驗(yàn)環(huán)境溫度、樣品溫度、取樣量、承載負(fù)荷、頻率、沖程、測試時(shí)間如表2所示。環(huán)境溫度與濕度有一定的要求，調(diào)節(jié)恒溫恒濕箱溫度和濕度在可試驗(yàn)的范圍內(nèi)，依據(jù)ISO12156標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的溫濕度標(biāo)準(zhǔn)圖，如圖1所示。往復(fù)振動(dòng)試驗(yàn)時(shí)間75 min，卸下測試鋼球支架，用丙酮和石油醚反復(fù)清洗至清潔，干燥后，在顯微鏡下測定測試鋼球的磨斑直徑。

圖1 環(huán)境溫度濕度圖[18]

1.3 數(shù)據(jù)處理

在顯微鏡下測定磨斑直徑，需要按水蒸氣壓1.4×103Pa為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行校正，校正后的磨斑直徑用WS1.4表示，其計(jì)算方法參見文獻(xiàn)[18]。

2 結(jié)果與討論

2.1 影響生物柴油潤滑性能的因素分析

2.1.1 試驗(yàn)溫度

對于柴油潤滑性的評價(jià)，國外有3個(gè)試驗(yàn)方法，即ISO 121516-1:1997、CEC F-06-A-96和ASTM D6079-97，其中ISO 121516-1:1997和CEC F-06-A-96標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定試驗(yàn)溫度均為60℃，我國石化行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)按照ISO 121516-1:1997中規(guī)定試驗(yàn)溫度均為60℃。以花椒籽油生物柴油為樣品，考察了試驗(yàn)溫度對其潤滑性能的影響，結(jié)果如表3所示。

表3 不同試驗(yàn)溫度下花椒籽油生物柴油的潤滑性能

由表3可知，隨著試驗(yàn)溫度升高，花椒籽油生物柴油的平均磨斑直徑和校正磨斑直徑均增大，這是因?yàn)樵囼?yàn)溫度越高，樣品燃料油的運(yùn)動(dòng)黏度降低，試驗(yàn)鋼球與試驗(yàn)鋼片之間粘敷的油層變薄，加重了其之間的摩擦，導(dǎo)致磨損增加，磨斑直徑增大。在試驗(yàn)溫度為60℃時(shí)校正磨斑直徑和平均磨斑直徑相差很小，所以試驗(yàn)溫度選擇60℃。

2.1.2 箱內(nèi)溫度

考察了恒溫恒濕箱箱內(nèi)溫度對花椒籽油生物柴油潤滑性能的影響，結(jié)果見表4。

由表4可知，試驗(yàn)開始時(shí)和試驗(yàn)結(jié)束時(shí)恒溫恒濕箱箱內(nèi)溫度相差不大，均在2℃以內(nèi)。平均磨斑直徑和校正磨斑直徑隨箱內(nèi)溫度升高而增大，平均磨斑直徑和校正磨斑直徑的偏差先減小后增大，箱內(nèi)溫度在23℃時(shí)，平均磨斑直徑和校正磨斑直徑偏差最小，只有0.06 μm，所以在試驗(yàn)過程中應(yīng)將環(huán)境溫度控制在22～24℃之間為宜，可以縮小環(huán)境因素對試驗(yàn)結(jié)果的影響。

表4 不同箱內(nèi)溫度下花椒籽油生物柴油的潤滑性能

2.1.3 環(huán)境濕度

濕度對生物柴油潤滑性能測定有一定的影響。以花椒籽油生物柴油為研究對象，在不同環(huán)境濕度下對其潤滑性能進(jìn)行分析，結(jié)果如表5所示。

表5 不同環(huán)境濕度下花椒籽油生物柴油的潤滑性能

由表5可知，花椒籽油生物柴油的平均磨斑直徑和校正磨斑直徑均隨環(huán)境濕度的增加而增大，且影響較大。同時(shí)，平均磨斑直徑和校正磨斑直徑偏差在相對濕度45%時(shí)較小，符合該試驗(yàn)機(jī)的要求。在環(huán)境溫度23℃時(shí)合適相對濕度范圍是30%～70%(見圖1)，建議在此范圍內(nèi)取相對濕度40%～50%，以最大地縮小環(huán)境濕度對試驗(yàn)結(jié)果的影響。

2.2 14種生物柴油及其原料油的潤滑性能分析

在環(huán)境溫度23℃、相對濕度45%、試驗(yàn)溫度60℃、沖程1 mm條件下，分析測定了14種生物柴油及其原料油的潤滑性能，結(jié)果如表6所示。由表6可知，生物柴油原料油的校正磨斑直徑WS1.4 介于130～190 μm范圍內(nèi)，最小的是花椒籽油，WS1.4為137.96 μm，最大的是地溝油，WS1.4達(dá)到186.38 μm，植物油中最大的是大豆油，WS1.4為175.80 μm。生物柴油原料油WS1.4相差較大。相應(yīng)的生物柴油的校正磨斑直徑WS1.4介于150～190 μm 范圍內(nèi)，小于生物柴油原料油的校正磨斑直徑WS1.4范圍，不同生物柴油的WS1.4有一定的區(qū)別，但是差別不是很大。多環(huán)芳烴、含氧雜質(zhì)、含氮雜質(zhì)和含硫化合物是影響液體燃料自身潤滑性的主要物質(zhì)，潤滑性的強(qiáng)弱取決于其中抗磨物質(zhì)的含量。多環(huán)芳烴、含氮化合物都具有良好的抗磨作用，而硫化物不僅不抗磨，反而促進(jìn)磨損。因?yàn)橹参镉椭泻卸喹h(huán)芳烴，且含有含氧、氮化合物，制備生物柴油過程中使多環(huán)芳烴、含氧、氮化合物轉(zhuǎn)換成其他物質(zhì)，其含量降低，導(dǎo)致植物油的WS1.4相對其生物柴油較小。因具體植物油和其生物柴油含有的多環(huán)芳烴、含氧、氮、硫化合物含量不同，導(dǎo)致不同植物油及其生物柴油的WS1.4有一定的差別。地溝油生物柴油成分復(fù)雜，且含有較多的含硫化合物雜質(zhì)，導(dǎo)致地溝油WS1.4較大，而制備地溝油生物柴油過程使其含硫雜質(zhì)含量降低，減弱了硫化物的促進(jìn)磨損作用，同時(shí)脂肪酸甲酯含量較高，促進(jìn)了地溝油生物柴油的抗磨作用，導(dǎo)致地溝油生物柴油的WS1.4變小，也是幾種生物柴油WS1.4中最小的。從表中數(shù)據(jù)可知植物油的潤滑性能優(yōu)于其對應(yīng)的生物柴油，也說明植物油主要成分甘油三酯的潤滑性能優(yōu)于生物柴油主要成分脂肪酸甲酯的潤滑性能，即甘油三酯的抗磨作用優(yōu)于脂肪酸甲酯。

表6 14種生物柴油及其原料油的潤滑性能

3 結(jié) 論

(1)通過對花椒籽油生物柴油不同工況下潤滑性能的測定分析，得出分析測定生物柴油潤滑性能的試驗(yàn)溫度為60℃，箱內(nèi)溫度為22～24℃、相對濕度為40%～50%最佳，能很好地弱化平均磨斑直徑和校正磨斑直徑偏差，減小環(huán)境對試驗(yàn)結(jié)果的影響。

(2)13種植物油的WS1.4小于其對應(yīng)生物柴油的WS1.4，即13種植物油的潤滑性能優(yōu)于其對應(yīng)生物柴油的潤滑性能，且不同植物油與其生物柴油的潤滑性能也有一定的差別。

(3)地溝油的校正磨斑直徑WS1.4大于地溝油生物柴油的校正磨斑直徑WS1.4，即地溝油生物柴油的潤滑性能優(yōu)于地溝油的潤滑性能。

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Lubrication properties of biodiesel and its raw oil measured by HFRR

YANG Yuanmeng1,2, LI Fashe1,2,3, CHEN Dan1,2, ZHANG Xiaohui1,2,3，LI Xiufeng2,3, BAO Guirong1,2,3, DU Wei2,3

(1.State Key Laboratory of complex Nonferrous Metal Resources Clean Utilization, Kunming 650093,China; 2.Faculty of Metallurgical and Energy Engineering, Kunming University of Science and Technology, Kunming 650093, China; 3.Engineering Research Center of Metallurgical Energy Conservation & Emission Reduction, Ministry of Education，Kunming 650093，China)

The lubrication properties of 14 kinds of biodiesels and their raw oils were analyzed by HFRR. Through the determination and analysis of the lubrication performance of Chinese prickly ash oil biodiesel under different working conditions, the measurement conditions were obtained as follows: test temperature 60℃, temperature inside the box 22-24℃ and test humidity 40%-50%. Under these conditions, the deviation of average grinding spot diameter and corrected grinding spot diameter could be reduced, and the influence of the environment on the test results could be reduced. The results showed that the lubrication performances of 14 kinds of biodiesels and raw oils had some differences, and the lubrication performance difference of biodiesel was less than the lubrication performance difference of raw oil. The corrected grinding spot diameter of waste oil among 14 kinds of raw oils was the maximum, while the corresponding corrected grinding spot diameter of waste oil biodiesel among 14 kinds of biodiesels was the minimum. Meanwhile, the corrected grinding spot diameter of waste oil was greater than that of waste oil biodiesel. Additionally, the lubrication performances of the other 13 kinds of vegetable oils were superior to that of the corresponding biodiesels.

biodiesel; HFRR; lubrication performance; corrected grinding spot diameter

2016-08-03；

2016-09-21

云南省自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(2015FB128)；973前期研究專項(xiàng)(2014CB460605)

楊遠(yuǎn)猛(1994)，男，在讀本科，研究方向?yàn)樯镔|(zhì)能轉(zhuǎn)換利用(E-mail)2569637191@qq.com。

李法社，副教授，博士(E-mail)asan97@qq.com。

TQ645;TK63

A

1003-7969(2017)05-0065-04