生物質(zhì)能醇基燃料合成技術(shù)研究

摘" " " 要： 研究生物質(zhì)能醇基燃料的合成工藝，對于研發(fā)新型高效低成本醇基燃料、實(shí)現(xiàn)國家雙碳指標(biāo)、降低石油消耗量以減少空氣污染等具有重要意義。依據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)平臺，系統(tǒng)分析不同已發(fā)表文獻(xiàn)的醇基燃料的合成工藝以及化學(xué)試劑的添加關(guān)系，并合成新型醇基燃料，配方為：77%甲醇+18%增熱劑+3%降凝劑+2%助燃劑。研究中以甲醇作為主體燃料，能夠降低成本，同時還添加具有良好燃燒性能的異丙醇、丙烯醇、二叔丁基對甲酚、甲基叔丁基醚，不僅具有調(diào)整高性能醇基燃料的碳、氫、氧之間比例、促進(jìn)充分燃燒和增加燃燒熱值等效果，而且還能改善高性能醇基燃料體系中的互溶性，防止分層，使得高性能醇基燃料燃燒更加充分。

關(guān)" 鍵" 詞：生物質(zhì)能；醇基燃料；增效降腐

中圖分類號：TQ517.2" " " "文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A" " "文章編號： 1004-0935（2023）06-0829-05

針對單一甲醇醇基燃料使用時熱值低[1]、總體使用費(fèi)用較高的情況，為更好更充分地發(fā)揮出醇基燃料具備的含氧量高、辛烷值高、汽化潛熱大且蒸汽壓低、具有較高的活性的特點(diǎn)[2]，對單一甲醇醇基燃料進(jìn)行增熱處理，提高醇基燃料的熱值。

甲醇中少量水分對穩(wěn)定性破壞是相當(dāng)大的[3]。甲醇中含水0.5%（以混合燃料計(jì)則含水量更低）就使相分離區(qū)明顯地?cái)U(kuò)大，互溶點(diǎn)高到27.5 ℃。因此在醇基混合燃料中，甲醇含水分是引起相分離的重要原因之一[4]。通過加入添加劑，使其與其他試劑有良好互溶性，降低互溶點(diǎn)溫度，是克服這一困難的有效辦法之一。一般甲醇的相溶性能較差，其互溶點(diǎn)一般在5～35 ℃之間，環(huán)境溫度較低時，往往會產(chǎn)生分層，影響使用。由于添加劑能使其混溶點(diǎn)溫度范圍增大，同時通過復(fù)配辛烷值較高、蒸汽壓較低的復(fù)合添加劑可以同步提高醇基燃料的熱值。

本文研究針對醇基燃料這一體系，選擇能夠提高醇基燃料體系水容忍度的助溶劑使醇基燃料在常溫下不會出現(xiàn)分層現(xiàn)象，并且密封儲存不出現(xiàn)分層現(xiàn)象，且不影響混合燃料的正常使用。優(yōu)選最佳添加劑配方，分析其作用規(guī)律和機(jī)理，對最終配制的新型醇基燃料，分析其穩(wěn)定性、腐蝕、潤滑影響等問題的解決情況，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行應(yīng)用性能研究，通過油品指標(biāo)檢測、引燃溫度試驗(yàn)、熱值測定試驗(yàn)以及理化性能分析試驗(yàn)為醇基燃料的工業(yè)化推廣奠定基礎(chǔ)。

1" 試驗(yàn)部分

1.1" 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用試劑異丙醇、丙烯醇、二叔丁基對甲酚、甲基叔丁基醚、石油醚、四氯甲烷、重鉻酸鉀、無水乙醇、鹽酸、硫酸等均為分析純。試驗(yàn)用液采用蒸餾水作為溶劑。

1.2" 試驗(yàn)裝置

考慮模擬現(xiàn)場工況，盡可能縮短和簡化工藝及流程，所需試驗(yàn)儀器如下表1所示。

1.3" 試驗(yàn)方法

液體互溶遵循“相似相溶”的原理[5]，即溶劑和溶劑分子間力與溶質(zhì)和溶質(zhì)分子間力近似相等，則兩相互溶性好。極性大小相近的分子，分子間力相近。甲醇含水量、非芳烴含量和甲醇純度均會影響甲醇與汽油的互溶性。當(dāng)室溫較低時，醇基燃料往往會產(chǎn)生分層，影響燃料的正常使用。溫度越高，甲醇與非極性溶劑的互溶性越好[6]。在儲存和使用摻醇汽油時會自動從空氣中吸收水分，水分含量達(dá)到一定程度時便出現(xiàn)油水分層現(xiàn)象。

要改善醇基燃料的穩(wěn)定性，須尋找一種既能與甲醇相互作用又與非極性溶劑相溶的助溶劑[7-8]。添加液體高碳醇、丙酮、乙醚、苯類等成分的助溶劑，能降低互溶點(diǎn)溫度，提高醇基燃料的互溶性[9-10]。但是一般助溶劑與甲醇、汽油相比都比較昂貴，在實(shí)際使用中會降低醇基燃料的經(jīng)濟(jì)性，因此考慮通過復(fù)配動態(tài)調(diào)整降低添加劑的成本。

2" 結(jié)果和討論

2.1" 醇基燃料增熱劑種類及加量優(yōu)選

市場調(diào)研常用醇基燃料增熱劑有：增熱劑A、增熱劑B、硝酸異辛酯、甲基叔丁基醚、乙酸酯、二茂鐵、異丙醇、硝化纖維素、乙醇、烴化物、重油、碳五、異辛烷、正丁醇、乙二醇、丁酮等。

2.1.1" 增熱劑種類優(yōu)選

以甲醇燃料為基礎(chǔ)配方，以燃料熱值為主要評價標(biāo)準(zhǔn)，同時以單位熱值提升率為輔助參考指標(biāo)，優(yōu)選增熱劑種類，增熱劑的加量均為1.0 g。依據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)優(yōu)選出增熱劑，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

由試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，當(dāng)增熱劑加量一致，增熱劑為A與B時，溶液熱值增加幅度明顯，且單位熱值增加率較高，二者結(jié)合均為最優(yōu)結(jié)果，對于國標(biāo)二級要求，增熱劑為C與D時，溶液熱值增加幅度明顯，且單位熱值增加率較高，二者結(jié)合均為最優(yōu)結(jié)果，由于硝化纖維素的市場價格過高，故不考慮添加該增熱劑試劑。

2.1.2" 增熱劑加量優(yōu)選

增熱劑種類優(yōu)選試驗(yàn)完成后，對增熱劑的加量進(jìn)行優(yōu)選，以燃料燃燒后的熱值以及混合后燃料-20 ℃下穩(wěn)定性為協(xié)同評價指標(biāo)，確定加量。試驗(yàn)結(jié)果及數(shù)據(jù)分析如表3、圖1所示。

由試驗(yàn)數(shù)據(jù)及試驗(yàn)結(jié)果分析可知，當(dāng)增熱劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于18%時，燃料穩(wěn)定性能出現(xiàn)變化，溶液低溫穩(wěn)定性降低。因此，增熱劑加量不宜過多，以18%加量為宜。

2.2" 醇基燃料降凝劑種類及加量優(yōu)選

市場調(diào)研常用醇基燃料降凝劑包括：降凝劑A、降凝劑B、丙三醇、烴基亞乙基二膦酸、水楊酸鈉、氯化鐵、N' N二亞水楊基丙二胺、環(huán)烷酸等。

2.2.1" 降凝劑種類優(yōu)選

以甲醇與優(yōu)選出的增熱劑為基礎(chǔ)配方，在配方中加入降凝劑，增加配制后燃料的低溫穩(wěn)定性，保證燃料的基本性能。其中降凝劑的加量準(zhǔn)照國標(biāo)，需保證燃料-20 ℃下的穩(wěn)定性。對于國內(nèi)北方省份甚至需要燃料在-50 ℃下依然保證良好溶液流動性，因此選擇4種溫度區(qū)域，分別為-50、-40、-30、-20 ℃。

針對劃分的4種溫度區(qū)域，特異性地進(jìn)行降凝劑加量的適應(yīng)性調(diào)整，同時對兩級燃料熱值指標(biāo)，進(jìn)行4種溫度下的穩(wěn)定性試驗(yàn)。試驗(yàn)中降凝劑加量為10%。試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

由試驗(yàn)結(jié)果可知，當(dāng)溫度為-50 ℃、加量為10%時，對于兩種熱值等級分類，降凝劑A與降凝劑B對于溶液的穩(wěn)定性提升效果最好，可以良好地保證燃料的低溫穩(wěn)定性。因此以降凝劑A與降凝劑B為首選降凝劑。

2.2.2" 降凝劑加量優(yōu)選

基于降凝劑種類試驗(yàn)結(jié)果，對降凝劑最優(yōu)加量進(jìn)行試驗(yàn)與結(jié)果分析，結(jié)果見表4至表7。

由試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，-50 ℃時當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于3%時，溶液穩(wěn)定性增加，燃料靜置不再分層。-40 ℃時當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于2.5%時，溶液穩(wěn)定性增加，燃料靜置不再分層。-30 ℃時當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于2%時，溶液穩(wěn)定性增加，燃料靜置不再分層。-20 ℃時當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于2%時，溶液穩(wěn)定性增加，燃料靜置不再分層。

2.3" 醇基燃料助燃劑種類及加量優(yōu)選

市場調(diào)研常用醇基燃料助燃劑包括：助燃劑A，助燃劑B、過氧化氫、正丁醇和正辛醇、蓖麻油（屬脂肪酸三甘油酯）、麻風(fēng)樹果油、食用油、油酸、天那水（香蕉水）、高錳酸鉀。

2.3.1" 助燃劑種類優(yōu)選

在配方基礎(chǔ)上，測試燃料的燃燒效率，對助燃劑種類進(jìn)行優(yōu)選。助燃劑試驗(yàn)加量為5%。試驗(yàn)結(jié)果如表8、圖3所示。

由試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，助燃劑加量為5%時，加入助燃劑A與助燃劑B后，燃料整體燃燒效率提升最高，同時經(jīng)過熱值測試后，助燃劑A與助燃劑B加入后，燃料的熱值提升也均較高，因此確定助燃劑選擇A與B兩種。

2.3.2" 助燃劑加量優(yōu)選

通過助燃劑種類優(yōu)選試驗(yàn)，分別確定了兩種燃料助燃劑A與助燃劑B，對兩種助燃劑進(jìn)行加量優(yōu)選試驗(yàn)，以溶液的低溫穩(wěn)定性為評價指標(biāo)，最終確定最優(yōu)加量。試驗(yàn)結(jié)果如表9所示。

由試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，在醇基燃料基礎(chǔ)配方中添加不同百分比的助燃劑，以靜止均勻后燃料的低溫穩(wěn)定性以及燃料的熱值為評價標(biāo)準(zhǔn)，可以看出，當(dāng)助燃劑種類為A與B，加量為分別為2.0%和1.5%時，溶液穩(wěn)定性增加，靜置無分層。

3" 結(jié) 論

針對單一甲醇醇基燃料面臨的使用問題，依次在甲醇醇基燃料中添加增熱劑、降凝劑、助燃劑，以此提高醇基燃料的熱值，增加試劑的溶解性能以及醇基燃料低溫穩(wěn)定性，最終提高醇基燃料的燃燒效率。

1）增熱劑種類針對一級國標(biāo)要求，選擇增熱劑A（雙氧水），單位熱值提升率較高，加量優(yōu)選18%為宜。

2）降凝劑選擇降凝劑A（MTBE）。針對不同區(qū)域溫度，-50 ℃地區(qū)質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于3%時不再分層，-40 ℃地區(qū)質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于2.5%時不再分層，-30 ℃地區(qū)質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于2%時不再分層，-20 ℃地區(qū)質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于2%時不再分層。

3）助燃劑選擇助燃劑A，加量優(yōu)選為2%。

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Abstract：" The research on the synthesis process of biomass alcohol based fuel is of great significance for the development of new high-efficiency and low-cost alcohol based fuel， the realization of the national double carbon index， the reduction of oil consumption and the reduction of air pollution. According to the laboratory test platform， the synthesis process of alcohol based fuel in different published literatures and the addition relationship of chemical reagents were systematically analyzed， and finally a new alcohol based fuel was synthesized. The formula was as follows： 77% methanol +18% heat increasing agent +3% pour point depressant +2% combustion supporting agent. In this study， methanol， as the main fuel， could reduce the cost. At the same time， isopropanol， propylene alcohol， di-tert-butyl p-cresol and methyl-tert-butyl ether with good combustion performance were added， which not only could adjust the ratio of carbon， hydrogen and oxygen of high-performance alcohol based fuel， promote full combustion and increase combustion calorific value， but also could improve the mutual solubility in high-performance alcohol based fuel system and prevent stratification， so that high-performance alcohol based fuel could be burned more fully.

Key words： Biomass energy; Alcohol based fuel; Increasing efficiency and reducing corruption