乙醇柴油性能研究

刘 晓，熊 云，许世海，范林君

（后勤工程学院军事油料应用与管理工程系，重庆 400016）

乙醇柴油性能研究

刘 晓，熊 云，许世海，范林君

（后勤工程学院军事油料应用与管理工程系，重庆 400016）

以常二柴油、常三柴油、催化裂化柴油、催化加氢柴油和0号轻柴油为基础油，分别配制了不同体积分数的乙醇柴油，对乙醇柴油的互溶性、理化性能和发动机性能进行了研究。结果表明，商品柴油与乙醇的互溶性能及稳定性能良好；水分会严重影响乙醇柴油的稳定性；助溶剂可以适当改善乙醇柴油的容水性；加入乙醇后，能不同程度地降低乙醇柴油的凝点和冷滤点；乙醇柴油的腐蚀试验结果能够达到国家燃油标准；乙醇的加入使得柴油的密封性能变差，闪点降低，从而增加了柴油的着火危险性；乙醇柴油的燃料消耗率和排气烟度与商品柴油相当，但NOx排放降低。

乙醇柴油 互溶性 稳定性 助溶剂

1 前 言

从2003年起，我国开始推广使用乙醇汽油，近年来，乙醇汽油的使用量不断增加。汽油消费是享受型消费，柴油消费多为生产型消费。柴油对国民经济的发展、国家的稳定具有更重要的作用，因此，乙醇柴油有可能进入实用研究阶段［1］。为迎接乙醇柴油的大规模使用，国内从2002年起开始出现关于乙醇柴油的研究报道，研究工作主要集中在乙醇柴油助溶剂和乙醇柴油的排放特性上［2-11］。本课题以常二柴油、常三柴油、催化裂化柴油、催化加氢柴油和0号轻柴油为基础油，分别配制不同体积分数的乙醇柴油，对乙醇柴油的互溶性、理化性能和发动机性能进行研究。

2 原料及主要试剂

常二柴油（常二），取自兰州炼油厂5 M t/a常减压蒸馏二装置；常三柴油（常三），取自兰州炼油厂5 M t/a常减压蒸馏三装置；催化裂化柴油（裂化），取自兰州炼油厂1.4 M t/a催化裂化装置；催化加氢柴油（加氢），取自兰州炼油厂1.2 M t/a加氢精制装置；0号商品柴油（0号），市售；无水乙醇，市售，分析纯。

3 结果与讨论

3.1 乙醇柴油的混合性能研究

3.1.1 乙醇-柴油体系的互溶性 以不同柴油为基础油，分别按2%，4%，6%，8%，10%的体积分数与无水乙醇混合（分别记为E2，E4，E6，E8，E10），观察其互溶性，结果见表1。将配制好的乙醇柴油在室温下静置2个月，观察其稳定性（所有乙醇柴油均密封静置，以排除水分的影响），结果见表2。由表1和表2可见，2%的乙醇添加量可以保证乙醇与不同基础油实现互溶，且长期静置后不分层。

表1 不同基础柴油与无水乙醇的互溶性

表2 乙醇柴油的稳定性

3.1.2 水分对乙醇-柴油体系互溶性的影响 取20 m L配制好的E2和E4乙醇柴油，逐滴滴入水，振荡，直至体系不透明为止，测得乙醇柴油的最大容水量，结果见表3。由表3可见，水分可明显影响乙醇柴油的稳定性，少量水分即可导致乙醇柴油分层。乙醇柴油的最大容水量与基础油有关，实验中，容水性最好的基础油为常二柴油，换算最大容水量（φ）可达到1.7%（按23滴/m L计算），加氢柴油的最大容水量（φ）小于0.4%，常三、裂化和0号商品柴油的最大容水量（φ）小于0.2%。在本实验条件下，乙醇柴油的最大容水量与乙醇含量无关。静置2个月后，不同基础油不同比例乙醇柴油均维持初始状态，说明水分不影响乙醇柴油的长期稳定性。

表3 不同乙醇柴油的最大容水量 滴

3.1.3 助溶剂对乙醇柴油互溶性的影响 以高级醇的单剂或混合剂为助溶剂，分别考察助溶剂对乙醇-柴油和水-乙醇-柴油体系的影响。

（1）助溶剂对乙醇-柴油体系的影响 常二、常三和加氢柴油的最大乙醇容量偏小，本课题通过添加高级醇的方法改善乙醇与柴油的互溶性。试验结果表明，在以单剂状态添加下，正丁醇、异丁醇、异辛醇、异戊醇均能显著提高乙醇与常二柴油、常三柴油和加氢柴油的相溶性。但助溶剂的添加量都较大，在5%以上才能明显增大乙醇容量。如果将各种醇类复配使用，则可取得较好的效果，例如对于常二柴油，1.12%正丁醇＋0.37%异戊醇的配方助溶效果较好，可使乙醇柴油完全互溶不分层，长期密封存放稳定性良好。

（2）助溶剂对乙醇柴油容水性的影响 以异辛醇为助溶剂，考察当水含量（φ）为0.17%时，可使乙醇柴油体系完全互溶的助溶剂最小用量，结果见表4。虽然乙醇和柴油的互溶性能较好，且有一定的容水性。但高级醇类助溶剂（不管是以单剂使用还是复配使用）对乙醇柴油的助溶性能和容水性能的提高效果并不好。为达到较理想的助溶效果和容水效果，助溶剂的用量通常很大，在实际使用时会导致成本大幅度提高。

表4 含水量（φ）为0.17%时的助溶剂最小用量

目前还没有乙醇柴油的国家标准，因此无法判断将来可能会应用的乙醇柴油的水含量指标。但是，考虑到乙醇汽油和乙醇柴油在储存和使用中面临的外界环境（吸水性）相差不大，则参考GB 18351—2004《车用乙醇汽油》的相关内容，乙醇燃料中允许的含水量应小于0.20%（质量分数）。

从水对乙醇柴油的影响及醇类助溶剂对乙醇柴油互溶性和稳定性的作用效果来看，由于乙醇强烈的吸水性，在使用乙醇柴油时必然会从周围环境（油罐、管线的空间等）吸水。根据本研究结果，一旦乙醇柴油吸水，会影响乙醇柴油的互溶性和稳定性；而且，通过常规的添加醇类助溶剂的方法来解决互溶性和稳定性下降的问题，将会导致成本大幅度提高，从而限制乙醇柴油的大规模应用。因此，若大规模使用乙醇柴油，首先要解决乙醇柴油和水的互溶性问题，可能的方法如下：①研究高效助溶剂；②生产中严格控制产品的水含量；③使用中严格限制水分的混入。

3.2 乙醇柴油的蒸发性

图1 乙醇柴油的馏程

3.2.1 馏程 根据GB/T 6536—97方法分别测定了以0号柴油为基础油配制的乙醇柴油在97.8 kPa下的馏程，结果见图1。由图1可见，乙醇主要会影响乙醇柴油的初馏点和10%馏出温度。在添加了乙醇后，与0号基础柴油相比较，乙醇柴油初馏点降低至乙醇的沸点（78.3 ℃）附近。因此在后续试验中只测定以各中间柴油产品为基础油配制的乙醇柴油的初馏点和10%馏出温度，结果见表5。由表5可见，在添加了乙醇后，乙醇柴油的初馏点降低，其原因可能是由于生成了共沸物，导致乙醇柴油的初馏点低于无水乙醇的沸点。另外，乙醇柴油的10%馏出温度下降，且随着乙醇添加量的增加，乙醇柴油的10%馏出温度下降程度增加。

在使用中，乙醇柴油的这种特性可能会影响发动机的正常工作。在发动机的启动和预热过程中，由于发动机温度低，只有那些轻组分才有可能在较低的温度下汽化，并和空气形成可燃混合气。通常情况下，10%馏出温度越低，则实际使用时发动机启动和预热越容易。但对于乙醇柴油而言，由于乙醇会早于柴油单独蒸发出来，则可能导致低温下汽化出来的轻组分中含有大量乙醇；又由于乙醇本身压燃性能差于柴油，导致使用中可能出现启动困难和预热时间加长等不良后果。

表5 不同基础柴油配制的乙醇柴油的初馏点和10%馏出温度 ℃

3.2.2 雷德法饱和蒸气压 按照GB/T 8017—87方法测定了以0号柴油为基础油的乙醇柴油的雷德法饱和蒸气压，结果见图2。由图2可以看出，掺入乙醇后，乙醇柴油的雷德法饱和蒸气压增加；乙醇掺入量（φ）为10%时，乙醇柴油的雷德法饱和蒸气压增加幅度增大。

雷德法饱和蒸气压主要反映油品中轻组分的蒸发性能，在柴油中添加了低沸点的乙醇后，乙醇柴油的饱和蒸气压迅速升高。根据乙醇汽油的研究结果，当乙醇的添加量（φ）为10%时，乙醇汽油的饱和蒸气压会上升5 kPa左右［12］。这一结果与乙醇柴油相似。

由乙醇柴油的馏程和饱和蒸气压结果可知，加入乙醇后，乙醇柴油变得易蒸发，但由于柴油本身的蒸发性远远差于汽油，且乙醇对柴油饱和蒸气压和馏程的影响绝对值并不大，因此，加入乙醇后，对柴油蒸发损失和行车气阻的影响可以忽略，乙醇的加入主要会影响柴油的着火危险性。

图2 不同比例乙醇柴油的雷德法饱和蒸气压

3.2.3 蒸发改进剂对乙醇柴油饱和蒸气压的影响在乙醇柴油中加入两种类型的蒸发改进剂，考察其对雷德法饱和蒸气压的影响，结果见表6，其中改进剂A的相对分子质量低于改进剂B。由表6可知，蒸发改进剂可降低乙醇柴油的饱和蒸气压；低相对分子质量改进剂的效果好于高相对分子质量改进剂。

蒸发改进剂是大相对分子质量、低挥发性的有机化合物，加入到乙醇柴油中后，与乙醇形成沸点更高的共沸物，从而降低乙醇的挥发性，达到降低乙醇柴油饱和蒸气压的目的。蒸发改进剂的挥发性好坏和相对分子质量的大小，会影响其使用效果：相对分子质量过小，则挥发性大，有可能会生成更低沸点的共沸物，从而导致混合体系的蒸发性进一步增大；而相对分子质量过大时，共沸物的稳定程度降低，从而使效果变差。

表6 添加蒸发改进剂后乙醇柴油的雷德法饱和蒸气压 kPa

3.3 乙醇柴油的低温性能

通过GB/T 510—91方法和SH/T 0248—92方法分别测定了不同基础柴油及其乙醇柴油的凝点和冷滤点，结果见表7。从表7可知，加入乙醇后，乙醇柴油的凝点和冷滤点降低，说明加入乙醇可以在某种程度上改善车用柴油的低温性能。

表7 乙醇柴油的低温流动性 ℃

3.4 乙醇柴油的着火性

3.4.1 闪点 通过GB/T 261—1983方法测定了不同基础柴油及其乙醇柴油的闪点，结果见表8。由表8可见，加入乙醇后，乙醇柴油的闪点降低；乙醇添加量的多少，对闪点的变化影响不大。乙醇柴油的闪点降低说明在储存和运输中，乙醇柴油将更容易在储罐和管线的空间中蒸发出来，从而达到燃料的爆炸极限，导致闪火、爆炸等事故发生。

表8 乙醇柴油的闪点 ℃

3.4.2 蒸发改进剂对闪点的影响 用前述两种蒸发改进剂和一种无机盐作为蒸发改进剂，通过降低乙醇柴油蒸发性的办法降低乙醇柴油的闪点。蒸发改进剂对闪点的影响见表9。由表9可以看出，蒸发改进剂虽然可以降低乙醇柴油的蒸发性，但对乙醇柴油的闪点影响不大，加剂后的闪点仍远远达不到车用乙醇柴油标准的规定值（不小于45 ℃）。由于乙醇本身具有很强的蒸发性，要解决乙醇柴油闪点的问题难度很大。因此必须在储运时加强管理，防止发生安全事故。

表9 蒸发改进剂对闪点的影响 ℃

3.5 乙醇柴油的金属腐蚀性 通过GB/T 5096—85方法测定了乙醇柴油的铜片腐蚀，结果见表10。由表10可知，当乙醇的含量（φ）不高于4%时，乙醇柴油的铜片腐蚀能够达到国家标准，满足乙醇柴油的使用要求。

表10 乙醇柴油的铜片腐蚀 级

3.6 乙醇柴油的密封适应性指数 以0号柴油为基础油配制了乙醇柴油，通过SH/T 0305—93方法测定了乙醇柴油的橡胶腐蚀性，结果见表11。由表11可知，随着乙醇含量的增加，乙醇柴油的密封适应性指数呈上升趋势。密封适应性指数与汽车油路中橡胶的相容性有关，密封适应性指数的上升，说明乙醇的加入使得油品的密封性能变差，使普通橡胶溶胀、收缩、硬化、龟裂的可能性变大。在使用乙醇柴油作为发动机燃料时，应尽量选择特种橡胶（如硅橡胶、氟橡胶）作为发动机的密封件。

表11 乙醇柴油的密封适应性指数

3.7 乙醇柴油的发动机性能

采用军队大量装备的维柴WD61550型柴油机作为试验用发动机，根据GB T 18297—2001《汽车发动机性能试验方法》中的总功率试验部分进行试验。

3.7.1 动力性 图3给出了0号柴油和E2、E4乙醇柴油的外特性试验动力性试验结果。由图3可以看出，加入乙醇后，乙醇柴油的扭矩降低、功率降低。乙醇柴油动力性下降的原因主要是由于油耗量降低引起的。从燃料消耗率的角度看，乙醇柴油和基础柴油的燃料消耗率相差不大。

3.7.2 排气烟度 通过滤纸式烟度计测定了发动机外特性下的排气烟度，结果见图4。由图4可见，乙醇柴油的排气烟度与基础柴油相当。

图3 0号柴油与E2、E4乙醇柴油的外特性动力性能

图4 0号柴油与E2、E4乙醇柴油的外特性排气烟度

3.7.3 NOx排放 通过五气分析仪测定了发动机外特性下的NOx排放，结果见图5。由图5可见，乙醇柴油的NOx排放低于基础柴油，与基础柴油相比，E2乙醇柴油的NOx排放平均下降了6.2%，E4乙醇柴油的NOx排放平均下降了4.1%。使用乙醇柴油后，在保证发动机的燃料消耗率不变的前提下，发动机的NOx排放降低。因此，从节能和环保的角度出发，大力发展乙醇柴油是可行的。

图5 0号柴油与E2、E4乙醇柴油的外特性NOx排放

4 结 论

（1）商品柴油和乙醇的互溶性能和稳定性能良好，中间产品柴油和乙醇的互溶性能和稳定性受柴油加工工艺的影响。

（2）水分会严重影响乙醇柴油的稳定性；助溶剂可以适当改善乙醇柴油的容水性。

（3）加入乙醇后能不同程度地降低乙醇柴油的凝点和冷滤点。

（4）乙醇柴油的腐蚀试验结果能达到国家燃油标准；乙醇的加入使得柴油的密封性能变差。

（5）乙醇的加入可导致柴油的闪点降低，从而增加柴油的着火危险性。

（6）乙醇柴油的燃料消耗率和排气烟度与商品柴油相当，但NOx排放降低。

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Abstract Ethanol diesel fuel sam p les w ith various ethanol blended ratios w ere prepared using distillates of 2nd and 3rd atmospheric column side cuts,catalytic cracking diesel fraction,hydrotreated diesel fraction and commercial 0#diesel fuel as base oil respectively.The mutual solubility of ethanol and diesel,physical and chem ical properties,longtim e stability and engine test performance w ere investigated.Results showed that the mutual solubility and stability of ethanol and 0#diesel fuel were excellent;the existence of w ater could significantly affect the stability of ethanol diesel;adding coso lvent could im prove the w ater tolerance o f ethanol diesel in some ex tent.The low tem perature performance of diesel fuel was improved a little by adding ethanol.The copper strip corrosion test result of ethanol diesel could meet the requirement of National Standard for diesel fuel,yet its flash point and seal compatibility were dropped a bit.As compared w ith diesel fuel,the fuel consum ption and smoke exhaust of ethanol diesel were sim ilar to those of conventional diesel and its NOxexhaust was lower.

Key Words: ethanol diesel；mutual solubility；stability；co-solvent

生物基丙烯酸装置将于2013年投产

位于美国柯罗拉多州的OPX生物技术公司（OPX Biotechnologies）于2010年2月28日宣布，在中型规模装置运行6个月之后，最近已达到成本降低85%的目标，预计商业化规模生物基丙烯酸装置将于2013年投产。OPX生物技术公司设定的丙烯酸成本商业化目标是50美分/lb（1 lb≈0.453 6 kg，下同），将低于常规的烃类基丙烯酸。生物基丙烯酸通过优化的微生物生产路径，使用糖类包括葡萄糖为原料来生产。

该公司预计于2010年下半年完成中型规模运行，并交付Merrick & Company公司设计验证装置，定于2011年投运，并设计商业化规模装置。该公司商业化规模丙烯酸装置能力将为1.0×108～3.0×108lb/a。

目前石油基丙烯酸的全球市场需求约为8.0×109lb/a，历年来平均增长率为4%。丙烯酸主要用于生产宽范围的工业和消费产品，包括涂料、胶粘剂、一次性尿布和去污剂。

一些大公司，包括现有的丙烯酸生产商，均已投资研发从可再生原料生产丙烯酸技术。嘉吉公司和诺维信公司自2008年起已联合开发从萄葡糖或另外的碳水化合物来源来生产丙烯酸。诺维信公司表示，其微生物菌株将于2013年进行技术转让，该菌株将可生产3-羟基丙酸（3HPA），3-羟基丙酸可再转化成丙烯酸。预计在可再生基丙烯酸被大规模生产之前，丙烯酸生产商将需在其下游加工方面开展工作。

日本催化合成公司于2009年11月表示，其已处于基于甘油的丙烯酸制造工艺的加快开发阶段，该公司的技术使用高性能催化剂，通过甘油气相脱水来制取生产丙烯酸的中间体丙烯醛，丙烯醛再通过气相氧化技术被氧化成丙烯酸。

[章文摘译自Chemical Week，2010-02-28]

STUDY ON THE PERFORMANCE OF ETHANOL DIESEL FUEL

Liu Xiao,Xiong Yun,Xu Shihai,Fan Linjun
(M ilitary Oil Application and Management Engineering Department, Logistical Engineering College,Chongqing 400016)

2009-09-29；修改稿收到日期：2010-01-13。

刘晓（1974—），男，博士，主要从事油品应用和节能技术方面的研究工作。

重庆市科委基金重点项目（CSTC2008BA 0019）。