煤制乙醇調(diào)配乙醇汽油相穩(wěn)定性的研究

拓宏兵，賀 剛，王小莉，何 偉，宣雙慶

（陜西延長(zhǎng)石油能源科技有限公司，陜西西安 710068）

我國(guó)當(dāng)初生產(chǎn)燃料乙醇主要是用陳化糧和木薯甘蔗等原料，隨著乙醇汽油的發(fā)展和試點(diǎn)范圍的擴(kuò)大，勢(shì)必會(huì)消耗越來越多的糧食，增加糧食需求，出現(xiàn)“人車爭(zhēng)糧”的現(xiàn)象，引發(fā)糧食戰(zhàn)略安全問題。

而煤化工路線制乙醇是以煤氣化的合成氣為原料，經(jīng)化學(xué)合成得到乙醇。與生物制乙醇生產(chǎn)工藝相比，成本有明顯優(yōu)勢(shì)，且符合我國(guó)當(dāng)前能源“貧油、富煤、少氣”的發(fā)展需求，煤制乙醇有望降低我國(guó)對(duì)石油的依賴，促進(jìn)我國(guó)能源多元化變革。

但是，乙醇汽油容易發(fā)生相分離現(xiàn)象，使發(fā)動(dòng)機(jī)在使用過程中啟動(dòng)困難、輸出功率低，甚至導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)損壞。目前大多數(shù)學(xué)者研究了生物制乙醇調(diào)制乙醇汽油的相穩(wěn)定性問題，而對(duì)煤制乙醇調(diào)制車用乙醇汽油的相穩(wěn)定性研究極少[1-6]。

本文則采用低溫抗相分離實(shí)驗(yàn)方法研究乙醇汽油的穩(wěn)定性，系統(tǒng)研究了溫度、煤制乙醇含量、水含量、添加劑對(duì)相穩(wěn)定性的影響。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)主要原料為：92#組分油（陜西延長(zhǎng)永坪煉油廠）、無(wú)水乙醇（陜西興化的煤制乙醇，乙醇含量為99.6%）、添加劑（Ⅰ）（實(shí)驗(yàn)室自制）、添加劑（Ⅱ）（實(shí)驗(yàn)室自制）、水。

1.2 低溫抗相分離實(shí)驗(yàn)方法

本實(shí)驗(yàn)方法通過相分離溫度來反應(yīng)乙醇汽油的相穩(wěn)定性，相分離溫度越高則表示乙醇汽油相穩(wěn)定性越差，相分離溫度越低則表示乙醇汽油相穩(wěn)定性越好。實(shí)驗(yàn)方法如下：

（1）細(xì)口磨砂比色管若干，按照乙醇、水、汽油、添加劑的順序配制一定比例的混合溶液，搖晃均勻后靜置 10 min，觀察現(xiàn)象。

（2）將存有樣品的細(xì)口磨砂比色管放入冰箱。室溫開始降溫，每降1℃，儲(chǔ)存7 d后觀察相穩(wěn)定性現(xiàn)象，且記錄實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

（3）直至出現(xiàn)相分離現(xiàn)象，記錄相分離溫度，并做重復(fù)性實(shí)驗(yàn)。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 溫度對(duì)相穩(wěn)定性的影響

溫度是影響乙醇汽油相穩(wěn)定性的重要因素。實(shí)驗(yàn)在室溫下配制好乙醇汽油，放置到冰箱緩慢降溫，觀察乙醇汽油混合燃料的相分離現(xiàn)象。E10分別加0.3%和0.4%水的混合燃料在不同溫度下相分離現(xiàn)象（見表1）。

由表1實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：隨著溫度的降低，乙醇汽油混合燃料越來越不穩(wěn)定，直至溫度降到相分離溫度以下時(shí)，乙醇汽油混合燃料發(fā)生分層現(xiàn)象，分層現(xiàn)象隨著溫度降低越來越明顯。

機(jī)理分析：油水界面的表面張力大小決定了乙醇汽油相分離難易程度，而溫度的高低決定油水界面的表面張力大小。溫度越低，油水的表面張力變大，越容易發(fā)生相分離現(xiàn)象。

2.2 煤制乙醇含量對(duì)相穩(wěn)定性的影響

乙醇含量是影響乙醇汽油相穩(wěn)定性的重要因素之一。實(shí)驗(yàn)用E10、E15、E20分別加入0.3%和0.4%水來降低相分離溫度，進(jìn)行不同乙醇含量的相分離實(shí)驗(yàn)。不同乙醇含量對(duì)應(yīng)相分離溫度（見表2）。

從表2實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出：無(wú)論水含量為0.3%的乙醇汽油還是水含量為0.4%的乙醇汽油，乙醇汽油混合燃料的相分離溫度都隨著乙醇含量增大而升高。在乙醇體積百分比相同時(shí)，水含量0.3%乙醇汽油比水含量0.4%乙醇汽油的相分離溫度升高了很多。這與生物制乙醇結(jié)論吻合。

機(jī)理分析：乙醇具有親水親油能力，增大乙醇含量有利于汽油、乙醇、水三種物質(zhì)形成穩(wěn)定的復(fù)合體系，從而抑制乙醇汽油發(fā)生相分離現(xiàn)象。

2.3 水含量對(duì)相穩(wěn)定性的影響

水含量是乙醇汽油發(fā)生相分離現(xiàn)象的重要因素之一。本實(shí)驗(yàn)考察不同水含量對(duì)乙醇汽油的相分離現(xiàn)象。不同水含量對(duì)應(yīng)相分離溫度（見表3），表3中水含量為體積百分?jǐn)?shù)。

表3實(shí)驗(yàn)表明：水含量與乙醇汽油混合燃料的相分層現(xiàn)象密切相關(guān)，E10乙醇汽油的相分離溫度隨著水含量增大而提高，即相穩(wěn)定性變差。乙醇汽油分層量隨著水含量的升高而增大。

機(jī)理分析：乙醇分子形成氫鍵的能力比水分子弱，乙醇分子和水分子會(huì)形成復(fù)雜的締合體，當(dāng)乙醇汽油含有少量的水也會(huì)因?yàn)樗謱?duì)乙醇巨大的作用力使乙醇被從汽油中拖出，導(dǎo)致乙醇汽油發(fā)生相分離現(xiàn)象。

表1 不同溫度下乙醇汽油混合燃料相分離現(xiàn)象

表2 不同乙醇含量下乙醇汽油的相分離溫度

表3 不同含水量下乙醇汽油的相分離溫度

2.4 添加劑對(duì)相穩(wěn)定的影響

乙醇汽油的相分離問題可以通過添加助溶劑來改善，本實(shí)驗(yàn)用E10加入體積百分含量為0.4%的水，分別加入體積百分?jǐn)?shù)為0.2%的添加劑，不同添加劑對(duì)乙醇汽油相分離溫度的影響（見表4）。

表4 不同添加劑與乙醇汽油的相分離溫度

表4實(shí)驗(yàn)表明：通過加添加劑可以明顯改善乙醇汽油的相分離問題，且效果較明顯。

機(jī)理分析：添加劑既具有可以與乙醇和水作用的極性基團(tuán)，又具有可以與組分油作用的非極性基團(tuán)的化合物。只要加入適量的添加劑就能提高乙醇汽油的相穩(wěn)定性。

3 結(jié)論

（1）在煤制乙醇調(diào)配的乙醇汽油中，水分含量、乙醇含量、溫度都是影響乙醇汽油相分離問題的重要因素。水分含量越高相穩(wěn)定性越差，并且水分的存在就會(huì)導(dǎo)致相分層現(xiàn)象。煤制乙醇含量越高則乙醇汽油的相穩(wěn)定越好。環(huán)境溫度越高越有助于互溶，相反溫度越低越易分層。

煤制乙醇調(diào)配的E10乙醇汽油，甚至E15及E20乙醇汽油，都可以解決相分離問題，也使中國(guó)大范圍推廣乙醇汽油成為可能。

（2）通過加添加劑能起到抗水、抗低溫的助溶效果，提高乙醇汽油的相穩(wěn)定性，解決乙醇汽油南方怕水北方怕冷的問題，使得乙醇汽油不受地區(qū)環(huán)境的制約。

［1］孟迎，白曉宇，李凱，等.我國(guó)乙醇生產(chǎn)技術(shù)及煤制乙醇技術(shù)研究進(jìn)展［J］.煤炭與化工，2017，40（8）：21-23.

［2］曾清湖，高亞娜.乙醇制備工藝路線研究進(jìn)展［C］.第十屆全國(guó)工業(yè)催化技術(shù)及應(yīng)用年會(huì)論文集，2013：98-100.

［3］羅馬吉，劉云鵬，李忠照，等.含水乙醇汽油穩(wěn)定性研究［J］.武漢科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2016，39（5）：361-364.

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［6］李金朋.中比例甲醇汽油制備及性能研究［D］.北京：北京化工大學(xué)，2015.