正丁醇在柴油機(jī)上的應(yīng)用研究探討

程艷 (廣西職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電與信息工程學(xué)院，廣西 南寧 530026)

0 引言

正丁醇燃燒后不會(huì)產(chǎn)生氮化物和硫化物，且還能降低溫室氣體的排放。相關(guān)研究表明，正丁醇是一種較理想的可再生替用燃料。可以說(shuō)，正丁醇將是繼乙醇后極富潛力的另一種新型可再生生物燃料。因此,研究正丁醇在柴油機(jī)上的應(yīng)用具有重要的實(shí)用價(jià)值和戰(zhàn)略意義。

1 正丁醇燃料的理化特性及作為替用燃料的優(yōu)勢(shì)分析

1.1 正丁醇燃料的理化特性分析

正丁醇是丁醇的4 種同分異構(gòu)體中最有代表性的一種，4種同分異構(gòu)體的分子結(jié)構(gòu)(羥基位置和碳鏈結(jié)構(gòu))存在著明顯差異。相對(duì)而言，正丁醇、異丁醇被研究得較多。常溫常壓下，正丁醇呈液態(tài)，有酒氣味而無(wú)色，其毒性和乙醇的相當(dāng)。[1]其主要理化特性如表1 所示。

表1 正丁醇與汽油、柴油的主要理化特性

1.2 正丁醇作為替用燃料的優(yōu)勢(shì)分析

根據(jù)其物化特性及現(xiàn)有相關(guān)研究分析可知正丁醇的一些優(yōu)勢(shì)：首先，正丁醇中的含氧量達(dá)21.6%，這可有效促進(jìn)燃料在缸內(nèi)燃燒，并有利于尾氣的排放；其次，正丁醇燃料的汽化潛熱高達(dá)430，這可有效提高發(fā)動(dòng)機(jī)的充氣系數(shù)；此外，正丁醇是易于汽化的高十六烷值、高熱值，且其空燃比范圍大、閃點(diǎn)高、安全性好，這些都是它作為替用燃料的突出優(yōu)勢(shì)。[2]

由表1 對(duì)比分析正丁醇與汽油、柴油的特性可知，正丁醇的理化特性與柴油的物化特性更接近,故燃用正丁醇無(wú)需對(duì)柴油機(jī)的結(jié)構(gòu)和燃油供給系統(tǒng)做太多的改動(dòng)就可使用，因而正丁醇更適合與柴油混合應(yīng)用在柴油機(jī)上，這也吸引了國(guó)內(nèi)外眾多研究人員對(duì)正丁醇柴油燃料的研究。

2 正丁醇在柴油機(jī)上的應(yīng)用研究分析

研究表明：在常溫常壓下，正丁醇和柴油可在(40%的)高混合比例、無(wú)助溶劑條件下快速溶合，且其混合物能在長(zhǎng)達(dá)1星期之久的時(shí)間也不分層，可見(jiàn)正丁醇和柴油混合燃料穩(wěn)定性、互溶性非常好。正因正丁醇和柴油直接混合相溶性良好，故正丁醇是一種與柴油摻燒混合的良好潛用燃料，因而目前對(duì)于正丁醇柴油混合燃料的研究比起它與汽油的混合燃料的研究要相對(duì)較廣泛而深入一些。

西華大學(xué)的趙家輝等利用正丁醇柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)，針對(duì)不同的潛代率對(duì)柴油機(jī)燃料狀態(tài)參數(shù)及排放影響進(jìn)行了研究，得出結(jié)論：隨著正丁醇替代率的增加，缸壓上升速度和壓力最大值均增加，峰值相位后移；CO 和HC 則隨著正丁醇柴油替代率的增加而增加，而CO 在正丁醇柴油替代率28.6%后不再增加，NOx的排放最低，約降低1g/kW·h，Soot 的排放最低，能降低0.0108g/kW·h。[3]

西華大學(xué)的田維等對(duì)不同質(zhì)量濃度的正丁醇預(yù)混合氣對(duì)正丁醇/柴油復(fù)合燃燒及排放的影響規(guī)律進(jìn)行了研究，得出結(jié)論：在平均有效壓力PB≤0.50MPa 時(shí)，NOx和soot 排放均小幅度降低，HC 和CO 排放隨正丁醇預(yù)混合氣的質(zhì)量濃度的增大呈線性增加；在PB＞0.78MPa 時(shí)，HC、CO 和NOx的排放與純柴油燃燒排放的相當(dāng)，但soot 排放大幅度降低。[4]

河南牧業(yè)經(jīng)濟(jì)學(xué)院的劉博對(duì)正丁醇添加于柴油-生物柴油后對(duì)柴油機(jī)性能及顆粒物排放的影響進(jìn)行研究，得出結(jié)論：生物柴油(PME)以20%Vol 添加于柴油中，然后分別按5%，10%，15%Vol 的比例添加正丁醇。隨著正丁醇比例的增加，相對(duì)于B20 而言，發(fā)動(dòng)機(jī)在中高負(fù)荷下排放的顆粒物質(zhì)量和數(shù)量濃度明顯減少，顆粒物平均幾何直徑呈減小趨勢(shì)，顆粒相的多環(huán)芳香烴(PAHs)總數(shù)減少，而有效熱效率則顯著提高。[5]

此外，廣西大學(xué)的鐘文[6]、長(zhǎng)安大學(xué)的陳陽(yáng)[7]、江蘇大學(xué)的劉旋[8]和單泳[9]等也對(duì)正丁醇柴油混合燃料在不同條件下的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究，在動(dòng)力性、排放性及經(jīng)濟(jì)性方面得出了相應(yīng)的結(jié)論。

綜合比較分析相應(yīng)的這些成果結(jié)論可得出：正丁醇與柴油混合燃料在不同條件下,在一定程度上能改善尾氣NOx、HC、CO 及碳煙的排放；在動(dòng)力性能方面，在正丁醇比例小于B30 時(shí),中轉(zhuǎn)速時(shí)動(dòng)力優(yōu)于或稍低于純柴油模式的動(dòng)力輸出，正丁醇比例大于B30 至B40 時(shí)，(相比純柴油模式)動(dòng)力下降顯著，達(dá)10.5%。因此在綜合考慮不影響動(dòng)力輸出，確保排放環(huán)保和經(jīng)濟(jì)性能方面的因素情況下，是可推行正丁醇柴油燃料的。

3 正丁醇燃料生產(chǎn)發(fā)展應(yīng)用前景

正丁醇柴油已在國(guó)內(nèi)外得到了深入而廣泛的研究，研究表明把它應(yīng)用于柴油機(jī)上是可行的。其實(shí)它是一種重要的可再生生物燃料,由可再生的乙醇制備正丁醇的催化轉(zhuǎn)化反應(yīng)已獲得了廣泛的關(guān)注。

正丁醇是丁醇的其中一種，其制取方法來(lái)源較多，傳統(tǒng)制備方法主要是從石油中萃取，但隨著石油資源的緊缺，取而代之的是更為環(huán)保的可再生生物發(fā)酵制備方法，目前正丁醇抽取來(lái)源方法主要的有以下幾種[10]：

(1)廚余垃圾發(fā)酵制取正丁醇。此方法不但彌補(bǔ)了生產(chǎn)原料費(fèi)用昂貴及來(lái)源單一的不足，而且解決了廚余垃圾嚴(yán)重污染這一難題。但目前國(guó)內(nèi)與國(guó)外極少有利用廚余垃圾發(fā)酵制備丁醇的完整流程和商業(yè)行為。

(2)用藻類和甘油抽取。與其他原料相比，藻類有著增長(zhǎng)率較高、對(duì)水的需求第量較少、高效二氧化碳減排等優(yōu)勢(shì)，是作為ABE 生產(chǎn)的潛在型環(huán)保原料；此外，正丁醇還可由甘油來(lái)生產(chǎn)。

(3)用維生素抽取。纖維素是較為實(shí)際且經(jīng)濟(jì)性能良好的制備丁醇的一種不可食用的可再生原料，同時(shí)具備極大的商業(yè)潛能。

(4)用淀粉類植物抽取?？蓪⒌矸垲愔参镒鳛樵线M(jìn)行生物丁醇的發(fā)酵與制備。

正丁醇作為新一代的生物可替代燃料，替代汽柴油用于發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒的諸多優(yōu)良特性得到世界的廣泛認(rèn)可，是一種良好的汽柴油潛代燃料。但就目前而言，其生物法制備及提純方法的成本仍較高且產(chǎn)量低，如能進(jìn)一步提高生物丁醇的產(chǎn)量及降低制造成本的問(wèn)題，完善其燃燒的排放問(wèn)題，正丁醇將會(huì)獲得極大的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

4 結(jié)語(yǔ)

以上分析可見(jiàn)，正丁醇燃料是一種很有潛力的新型石油替用生物燃料。因較好的理化特性，正丁醇已被研究應(yīng)用于汽油發(fā)動(dòng)機(jī)，更多的已被研究應(yīng)用于柴油機(jī)上。在較低混合比例情況下(約30%)，正丁醇柴油混合燃料能使發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力下降不到純柴油狀態(tài)的10%，且能有效的改善NOx、HC 及碳煙的排放。因此，如果按B20～B30 的比例摻燒柴油中投入使用，并進(jìn)一步改善尾氣的排放，長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看這樣則能節(jié)省大量的柴油資源，達(dá)到有效節(jié)約柴油資源的效果。因此，正丁醇柴油燃料在節(jié)約石油資源方面有著良好的發(fā)展前景。今后如能進(jìn)一步提高生物丁醇的產(chǎn)量及降低制造成本的問(wèn)題，完善其燃燒的排放問(wèn)題，正丁醇燃料就會(huì)得到更廣泛的應(yīng)用與推廣，人類對(duì)石油資源的依賴程度將會(huì)降低。