生物柴油混合燃料预混合均一性实验研究

任亦然 韩雪峰

生物柴油混合燃料预混合均一性实验研究

任亦然 韩雪峰

通过对生物柴油与0#柴油混合燃料B20（生物柴油体积含量为20%）的密度测试来进行生物柴油混合燃料预混合均一性实验研究。通过多种方法混合且在标定温度下进行试验，结果表明，生物柴油混合燃料B20的密度最接近于0#柴油的密度标准范围，混合均一性良好。

生物柴油；0#柴油；混合燃料；均一性

一、引言

随着经济的全球化，人类对石化资源的开发利用量日益增加，造成全球能源的储量越来越少，诱发全球性能源危机，石油供需矛盾日渐突出，迫切需要世界各国加快石油替代燃料的开发步伐。[1]作为可再生资源的生物柴油，由于其独特的优势，正受到世界各国的关注。[2]世界汽车和船舶数额巨大的保有量是导致目前石化能源紧张的根本原因，也给能源需求和环境保护带来巨大挑战。车用和船用柴油发动机清洁燃料的使用对节约石油资源和保护环境意义重大，具有良好的发展前景。

生物柴油是以植物油、动物油脂或餐厨废油等为原料，经酯化等反应后生成的脂肪酸单烷基酯。生物柴油具有低硫、十六烷值高、无芳烃、润滑性好、闪点高等特点，是典型的可再生燃料，并可显著降低柴油机尾气中的炭烟和微粒；但与普通柴油相比，存在黏度高、雾化性能和低温流动性能差等缺点。研究表明，生物柴油与0#柴油混合可以较好地弥补各自的不足，形成一种适应我国国情、具有良好发展前景的替代燃料。目前，我国对生物柴油与0#柴油混合燃料的混合方法与混合均一性研究不足。本试验系统地研究了生物柴油混合燃料B20预混方式与均一性的关系，为生物柴油混合燃料B20在柴油机上的推广使用提供理论支持。

二、实验条件及方法

（一）实验燃料的选用

本实验所用原料包括在中国石油购买的0#柴油和重庆环卫集团旗下公司以餐厨废油为原料生产的餐厨生物柴油。燃料各组分的理化性质见表1。

（二）实验仪器与方法

1.实验仪器

HY-4KS调速多用振荡器（常州国华电器有限公司）、SK250LH超声波发生器（250瓦，50赫兹，上海科导超声仪器有限公司）、SY-Ⅱ型石油密度计（0.5～1.0克/立方厘米，精度0.01，南京昕航科学仪器有限公司）、250毫升定容三角瓶、250毫升量筒、玻璃棒等。

2.实验方法

本次实验的油品是来自重庆环卫集团的餐厨生物柴油和采购于中国石油重庆南坪工贸站的0#柴油，将两种燃油按照仿真试验获得的最优比例（生物柴油与0#柴油的体积比为20：80，即B20，下同）进行预混，其方法如下：

（1）直接预混

将餐厨生物柴油与0#柴油用精度为±1毫升的250毫升量筒，按1：4的体积比量取50毫升和200毫升直接倒入250毫升的定容容器混合（混合时不分先后，下同），无须任何外力作用，不做任何其他处理。

（2）搅拌预混

将餐厨生物柴油与0#柴油用精度为±1毫升的250毫升量筒，按1：4的体积比量取50毫升和200毫升直接倒入250毫升的定容容器混合，之后用玻璃棒搅拌，搅拌时间2分钟。

（3）振荡预混

将餐厨生物柴油与0#柴油用精度为±1毫升的250毫升量筒，按1：4的体积比量取50毫升和200毫升直接倒入250毫升的定容容器混合，用HY-4KS调速多用振荡器振荡预混2分钟。

（4）超声预混

将餐厨生物柴油与0#柴油用精度为±1毫升的250毫升量筒，按1：4的体积比量取50毫升和200毫升直接倒入250毫升的定容容器混合，用SK250LH超声波发生器超声预混2分钟。

3.密度的测定

密度与燃油的大多数理化特性紧密相关，是一项重要的特性参数。混合燃料的密度不但关系到油品在交接、运输及储藏过程中的计量问题，还会影响燃料的雾化和蒸发等性能。燃料中的碳原子数目越多，燃料的密度也就越大，意味着输出功率越大，而炭烟排放量也可能会相应增多。

本次试验的油品是餐厨生物柴油和0#柴油，按照仿真试验和柴油机台架试验获得的最优比例，即B20进行预混，根据相关文献，生物柴油与0#柴油按照某种事先确定的比例混合后，测定其混合是否均匀，可以用混合液密度差与结晶点的测定比较获取结果。[3]本文仅就密度差测定分析混合液的均一性。

（1）测定方法

按照原油和液体石油产品密度实验室测定方法，执行国家标准GB/T1884—2000。

①在试验温度下，把试样转移到温度稳定、清洁的密度计量筒中，避免试样飞溅和生成空气泡，并要减少轻组分挥发。

②用清洁滤纸除去试样表面形成的所有气泡。

③把装有试样的量筒垂直放在没有空气流动的地方，整个试验期间环境温度变化不大于1摄氏度，否则，应使用恒温浴。

④用温度计或搅拌棒作垂直旋转运动搅拌试样，使其密度和温度达到均匀，记录温度接近到0.1摄氏度，取出温度计或搅拌棒。

⑤用合适的密度计放入液体中，测定其密度并记录。

表1 各燃料样品的理化性质

（2）操作步骤

① 取250毫升0#柴油于250毫升量筒中，用SY-Ⅱ型石油密度计，于15摄氏度下测得密度为0.831 5克/立方厘米；取250毫升生物柴油于250毫升量筒中，于15摄氏度下测得密度为0.881 5克/立方厘米。

表2 生物柴油混合燃料B20不同混合方法的密度测定结果

从预混结果可知，直接混合与搅拌混合后测得的密度相差不大，且上、中、下三层的密度之差小于0.000 6克/立方厘米，说明混合均匀；振荡混合与超声混合后测得的密度较接近，且上、中、下三层的密度之差小于0.000 6克/立方厘米，说明混合均匀。

总体来看，虽然生物柴油与0#柴油是两种不同的物质，有一定的密度差，但经过试验发现两种物质的混合物均一性较好。4种预混方法的结果略有差异，即超声混合的均一性＞振荡混合的均一性＞搅拌混合的均一性＞直接混合的均一性，超声混合的均一性更接近于生物柴油与0#柴油按1：4混合后的密度理论值0.841 5克/立方厘米。

根据国家车用柴油标准规定，密度在820～860千克/立方米范围内为达标产品。[5]从试验结果来看，生物柴油的密度大于0#柴油的密度，B20振荡混合后的密度为0.841 5克/立方厘米，接近于0#柴油。

（3）结论

生物柴油与0#柴油互溶性好，任何助溶添加剂都是没有必要的。重型汽车或船用发动机使用生物柴油与0#柴油混合比例不大于20：80时，其雾化性能与蒸发能力均能得到满足。若将B20运用于船舶柴油机，两种油液的预混只需采取直接混合的方式即可满足均一性要求，不需添加额外的设备，只需注意预混时的先后顺序即可。

三、讨论

1.生物柴油独具的特性使其与0#柴油互溶

实验证明，该混合燃料在实验期间内没有分层，表明生物柴油混合燃料B20均匀性、稳定性均能达到理想的效果。

2.B20可供实际应用参考的几种混合方式

（1）燃油系统前预混

将两种燃料按1：4体积比加入汽车发动机油箱或船舶日用油柜，汽车行驶在路上或船舶航行在水域，由于道路不平或弯道等路况导致车辆的颠簸，水域中的风浪加之船舶本身的振动等因素均会使生物柴油混合燃料均匀混合，但该操作应尽量在生物柴油的凝点以上进行。

（2）燃油系统中预混

将需要预混的两种燃油按照既定的比例分别以较高的流速或压力注入到总管，按照体积比核算出进入总管的单位流量应该为1：4，方可达到最好的混合效果。

（3）真空泵吸预混

利用真空泵的原理，将0#柴油作为动力源，将生物柴油作为真空抽吸对象，使其在管路中预混前行，管内燃料会由于湍流/紊流运动达到均匀预混的目的。这种预混需要额外的设备和相应的计量仪器，价格昂贵。

3.混合时密度的影响

生物柴油的密度比柴油大，在预混时必须强调先后顺序和燃油进入的部位。

（1）车载燃料预混

先行注入预混容器的燃油应为密度较小的油液——0#柴油，生物柴油次之。

（2）船舶燃料预混

船舶燃油系统要比车辆复杂，基本都有储存柜、沉淀柜和日用油柜，这样船舶燃料的预混在三个场所均可完成，推荐预混场所选择储存柜，主要原因在于混合燃料在此经过船舶的摇晃和机械的振动，基本达到均匀混合的目的，再经过驳油泵将燃油泵入沉淀柜，再泵入日用柜。船舶的颠簸和振动、6个自由度的摇荡以及管路中的紊流等让燃油混合更加均匀。

（3）预混不良的后果

生物柴油对某些材料有溶解作用，会导致管路、喷油系统和油箱等设备出现漏泄，甚至失压，从而导致异常停车，危害极大；高浓度生物柴油会引起油柜、油管等处的沉渣溶解，堵塞系统滤器甚至喷油器，温度越高，这种情况发生的可能性越大。[4]

因此，生物柴油作为一种重要的环境友好和可再生能源，国家要制定生物柴油标准和一系列优惠措施，规范行业标准和保证生物柴油的市场份额，大力提倡使用生物柴油，为全球能源的合理利用提供经验。

[1]周后波,张庆英,曹顺.生物柴油制备技术研究进展及展望[J].广东化工,2015(7):91-93.

[2]吴谋成.生物柴油[M].北京:化学工业出版社,2008.

[3]魏秋兰.柴油-生物柴油混合燃料互溶性与溶胀性研究[J].公路与汽车,2008(5):11-13.

[4]丁泠然.生物柴油的特性及其与石化柴油的调合和储运[J].石油库与加油站,2016(5):19-25.

[5]耿莉敏,董元虎,边耀璋,等.生物柴油与轻柴油混合燃料的理化特性[J].长安大学学报(自然科学版),2008(3):88-91.

10.16176/j.cnki.21-1284.2017.11.007

任亦然（1974—），男，重庆交通大学，实验师，轮机长。

韩雪峰（1961—），男，重庆交通大学，副教授。