木质素柴油经济与动力性评价
2016-11-10李汶罡孙晓莉葛云龙赵修华祖元刚
李汶罡 孙晓莉 葛云龙 赵修华 祖元刚
(东北林业大学森林植物生态学教育部重点实验室,哈尔滨 150040)
木质素柴油经济与动力性评价
李汶罡 孙晓莉 葛云龙 赵修华 祖元刚*
(东北林业大学森林植物生态学教育部重点实验室,哈尔滨 150040)
对符合国家标准GB 252-2000《轻柴油》的木质素柴油的经济动力性进行了深入研究，发动机全负荷速度特性对比试验表明：木质素柴油和0号柴油的实测功率和扭矩基本相当；按照木质素柴油中纯柴油量折算则木质素柴油比0号柴油节油，平均节油率为10%～15%；发动机负荷特性对比试验表明：木质素柴油和0号柴油的在相同扭矩下，按照木质素柴油中纯柴油量折算则木质素柴油比0号柴油节油，平均节油率为10%～15%。发动机自由加速工况下排放对比试验表明：木质素柴油与0号柴油的尾气排放未见统计学差异。本文对木质素柴油的推广应用提供了基础数据。
木质素；发动机；新能源；木质素柴油；台架试验；节能减排
木质素(lignin)[1]是蕨类植物、裸子植物和被子植物等维管植物细胞壁的重要组分，主要沉积在输导组织(如导管或管胞)、机械组织(如纤维、厚壁组织等)和保护组织(如表皮)的细胞次生壁中，在自然界中十分丰富，含量仅次于纤维素[2]。在陆生维管植物的进化演变过程中起关键作用，具有十分重要的生物学功能[3]。木质素分子与细胞壁中的纤维素、半纤维素等多糖分子相互交连，增加植物细胞和组织的机械耐受强度[4]。
随着人类对环境污染和能源危机等问题的认识不断深入，天然高分子所具有的可再生、可降解的性质日益受到重视。在自然界中，储量仅次于纤维素的木质素，每年都以500亿吨的速度消耗[5]。制浆造纸工业每年要从植物中分离出大约1.4亿吨纤维素，同时得到5亿吨的木质素副产品。但迄今为止，超过95%的木质素仍以“黑液”直接排入江河或浓缩后烧掉，很少得到有效利用[6]。
我们前期通过微乳技术获得了一种木质素柴油[7]，为了评价其实用性，本文对符合国家标准GB 252-2000《轻柴油》的木质素柴油经济动力性进行深入研究[8～9]。依据GB/T 1105.2-1987《内燃机台架性能试验方法》与GB/T 3846-1993《柴油车自由加速烟度的测量》，对木质素柴油在内燃机中的动力性能、经济性能进行系统研究，为木质素柴油的实际应用提供基础数据。
1 材料与方法
1.1 材料
木质素：为实验室通过碱法分离林源活性物质后得到的木质素黑液。柴油：为哈尔滨中国石油加油站的0号柴油。CTAB(十六烷基三甲基溴化铵)：为天津市大茂化学试剂厂，分析纯。Span-80(司班-80)：为天津市博迪化工有限公司，分析纯。正丁醇：为天津市瑞金特化学品有限公司，分析纯。双氧水：为天津市光复精细化工研究所，分析醇。
1.2 木质素柴油的制备
根据前期优化制备条件[7]，确定木质素柴油为W/O型体系乳化柴油，将CTAB和Span-80配置成HLB值为9.3的混合乳化剂，称取19.45 kg柴油与1.5 kg的混合乳化剂、0.3 kg的正丁醇均匀混合，在高速匀浆机的高速剪切混合下加入3.75 kg的双氧水脱色的脱色木质素溶液，高速剪切15 min。所得木质素柴油中含纯柴油77.8%，其制备工艺流程图见图1。
图1 木质素柴油的制备工艺示意图[10]Fig.1 The schematic diagram of preparation of lignin diesel
1.3 木质素柴油经济动力性测试
1.3.1 木质素柴油与0号柴油台架试验对比
试验依据《GB/T1105-2-87内燃机台架性能试验方法》为标准建立台架试验平台[11]，其中发动机自动测控系统采用长沙湘仪动力测试仪器有限公司生产的湘仪FC2000发动机测控系统，发动机采用未做任何改动的485QB柴油机(直列、水冷、四缸，额定功率32.3 kW，转速2 600 r·min-1)，电涡流测功机为长沙湘仪动力测试设备厂生产的CW160电涡流测功机，智能油耗仪为长沙湘仪动力测试设备厂生产的FC2210智能油耗仪。在发动机全负荷速度特性对比试验中分别在发动机转速分别为999、1 199、1 399、1 599、1 799、1 999、2 199和2 398 r·min-1时测定了功率、扭矩和耗油量等指标。在发动机负荷特性对比试验中分别在不同负荷条件下对功率、扭矩和耗油量等指标进行了测定。
1.3.2 木质素柴油与0号柴油排放对比试验
烟度的测量：用广东南华仪器有限公司生产的YD-1型全自动烟度计测试尾气烟度。试验依据《GB/T3846-1993柴油车自由加速烟度的测量》进行测试[12]，测试3次，取平均值。
1.3.3 木质素柴油经济效益评价
以2015年5月份原料报价为依据，不考虑人工、水电成本，计算木质素柴油配料表中各种物质含量的生产成本。通过成本核算对木质素柴油进行经济性分析。
2 结果与分析
2.1 发动机全负荷速度特性对比试验结果
在发动机全负荷速度特性对比试验中根据木质素柴油中纯柴油的含量为77.8%，通过不同转速下的实测小时耗油量折算出两种柴油中纯柴油的小时耗油量，通过两种柴油的燃油耗油率推算出纯柴油的燃油耗油率进行对比(n=3)见表1。
表1 发动机全负荷速度特性对比试验结果
表2 发动机负荷特性对比试验结果
图2 发动机全负荷速度特征曲线(n=3) a.扭矩；b.功率；c.耗油量；d.耗油率Fig.2 Engine full-load velocity characteristic curves(n=3) a.Torque; b.Power; c.Consumption of diesel samples; d.Consumption rate of diesel samples
发动机全负荷速度特性对比试验曲线(n=3)见图2。一般乳化柴油的实际油耗率高于纯柴油，随着含水率增大而增加。木质素柴油密度大，因此它的实际油耗率比纯柴油高。考虑到木质素柴油中替代物质占总质量的25%，为了便于直观比较，我们将折算木质素柴油中纯柴油的量与0号柴油对比耗油率。
由图2(a～b)可知：木质素柴油和0号柴油的实测功率和扭矩基本相当；图2(c～d)中按照木质素柴油中纯柴油的量折算则木质素柴油比0号柴油节油，平均节油率为10%～15%。
2.2 发动机全负荷特性对比试验结果
在发动机负荷特性对比试验中根据木质素柴油中纯柴油的含量为77.8%，通过不同负荷下的实测小时耗油量折算出两种柴油中纯柴油的小时耗油量，通过两种柴油的燃油耗油率推算出纯柴油的燃油耗油率进行对比(n=3)见表2。
发动机负荷特性对比试验曲线(n=3)见图3～4。由图3～4可知：木质素柴油和0号柴油的在相同扭矩下，按照木质素柴油中纯柴油量折算则木质素柴油比0号柴油节油，平均节油率为10%～15%。
图3 发动机负荷特性油耗量—扭矩曲线(n=3)Fig.3 Engine full-load characteristic torque and oil consumption curves(n=3)
图4 发动机负荷特性油耗率—扭矩曲线(n=3)Fig.4 Engine full-load characteristic torque and oil consumption rate curves (n=3)
柴油机燃用木质素柴油有一定的节油效果，这是因为在木质素柴油的微乳化体系中，水的沸点较低、比柴油蒸发速度快，纳米级的水滴在雾化的木质素柴油液滴中由于高温瞬间气化，产生微爆效应使油滴进一步细化并释放木质素分子，增大与空气的接触面积从而使柴油与木质素共同燃烧做功，使油滴与木质素分子在空气中的分布更加均匀，缩短了木质素和柴油的燃烧持续时间，提高了燃烧效率。同时水在燃烧过程中起到媒介作用，提高了能量传递速率，使燃烧更充分，从而提高了燃油的能量利用率和热效率，降低了油耗率，取得了一定的节油效果。
2.3 发动机自由加速工况下排放对比试验结果
排放对比试验结果表明木质素柴油与0号柴油的尾气排放未见统计学差异(表3)。发动机排放主要来源于缓燃期中扩散燃料的燃烧及高温缺氧条件下燃油的裂解、析碳及速燃期中预混燃料的高温燃烧。一方面由于木质素柴油中加入了木质素，木质素碳密度较大在燃烧过程中可能产生相对较多的碳；另一方面由于微爆效应木质素柴油中的柴油在发动机中燃烧时减少了碳烟和NOX的产生机会。综合上述两点木质素柴油与0号柴油的尾气排放未见统计学差异。微爆效应的具体原理体现在以下的几个方面：(1)水在缸内的升温和汽化吸热，降低了燃烧正常柴油后的峰值温度和局部高温，从而减少了碳烟微粒的形成和NOX的生成。(2)着火延迟期增长，使燃油和空气有更加充裕的时间进行混合，使油滴和空气混合更均匀，减少了缸内局部缺氧和富氧现象发生，从而减少了碳烟和NOX的生成。(3)作用也加快了燃烧速度，缩短了高温持续时间，从而抑制了NOX的生成。
表3发动机自由加速工况下排放对比试验结果
Table3Comparisonresultsoftheenginefreeaccelerationsmokeintensity(n=3)
样品Sample烟度Smokeintensity(Rb)第一次Firsttime第二次Secondtime第三次Thirdtime平均值Averagevalue0号柴油No．0diesel4．824．134．414．45±0．35木质素柴油Lignindiesel3．654．665．434．58±0．89
3 结论
发动机全负荷速度特性对比试验表明：木质素柴油和0号柴油的实测功率和扭矩基本相当；按照木质素柴油中纯柴油量折算则木质素柴油比0号柴油节油，平均节油率为10%～15%。发动机负荷特性对比试验表明：木质素柴油和0号柴油的在相同扭矩下，按照木质素柴油中纯柴油量折算则木质素柴油比0号柴油节油，平均节油率为10%～15%。发动机自由加速工况下排放对比试验表明：木质素柴油与0号柴油的尾气排放无明显差异。如果不考虑木质素实际节油效果，仅以22.2%的能源替代来讲，可以替代2.775亿吨的柴油；按照木质素柴油使用时实际节油率为10%计算，则可以节约1.25亿吨的柴油，在能源生态的角度减少了化石能源的消耗速率，对能源的可持续供应提供了新的途径。
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EconomicDynamicsPerformanceEvaluationofLigninDiesel
LI Wen-Gang SUN Xiao-Li GE Yun-Long ZHAO Xiu-Hua ZU Yuan-Gang*
(Key Laboratory of Forest Plant Ecology,Northeast Forestry University,Ministry of Education,Harbin 150040)
We studied the economic dynamics performance of the lignin diesel conforming to the national standard
lignin;engine;new energy;lignin diesel;bench test;energy saving
林业公益性行业科研专项(201304601)
李汶罡(1986—)，男，博士研究生，主要从事植物资源高效利用研究。
* 通信作者：E-mail:yuangangzu@163.com
2015-07-25
Q539
A
10.7525/j.issn.1673-5102.2016.01.021
