高热值醇基燃料的制备及经济环保效益分析

孔永平，张环平，张 良，陈荣霞

（1.郑州星创能源科技有限公司，郑州 450001；2.河南隆正生物能源有限公司，河南济源 459000）

近年来，随着工业化进程的加快，世界对能源的需求也在快速增长，化石资源是目前人类的主要能量来源，然而大量化石燃料的消耗造成了全球燃料危机，随之而来的还有环境污染［1-3］.开发新能源，减少燃料燃烧产生的温室气体和污染物是目前应对全球燃料危机和环境污染问题的方法之一［4-6］.醇基燃料是一种新型清洁能源，其低碳性、清洁性以及可循环利用性获得了广泛认可，被认为是后石油时代主力能源之一［7-9］.

目前，市场上流通的醇基燃料有三类：醇水型、醇烃型和醇醚型.醇水型燃料中含有20%左右的水，热值较低；醇烃型燃料含有10%的烃类物质，稳定性较差，易分层；醇醚型燃料的主要原料为二甲醚和甲醇，由于二甲醚生产成本高，储存困难，配套的灶具生产困难，使得其难于推广［10-12］.为了解决这些问题，研究者们添加各种高热值物质以提高燃料热值，增加催化剂、表面活性剂、助剂和促进剂等来保持燃料液体的稳定性，然而高热值的醇基燃料由于重烃类物质的增多，稳定性变差，不易储存运输，且燃烧不充分，造成环境压力［13-14］.因此，对于高热值、环保、稳定、经济的醇基燃料还需要进一步的研究与探讨.研究发现，石脑油、凝析油属于轻烃类高热值物质，若将其添加到醇基燃料中不仅能够提高醇基燃料的热值，而且能够解决因添加重烃类物质导致的稳定性差问题.然而目前关于石脑油、凝析油作为醇基燃料增热剂的研究较少，关于高热值醇基燃料的经济、环保性能更是缺乏相关研究.

因此，本文以甲醇为原料，石脑油、凝析油为增热剂，烷基酚聚氧乙烯醚为乳化剂，硝酸环己酯为抗暴剂来制备和探究高热值醇基燃料的最优制备配方以及理化性质，并通过将制备的高热值醇基燃料与传统燃料应用于锅炉燃烧中，来探讨高热值醇基燃料的经济及环保性能.

1 实验方法

1.1 实验材料

凝析油（烃类C5～C11）、石脑油：青岛万达石油化工有限公司；甲醇（纯度90%、98%、99%）、丙酮（纯度99%）、过氧化氢（纯度30%）、叔丁醇钾（纯度98%）、苯甲酸（纯度99%）：天津科密欧化学试剂有限公司；硝酸环己酯（纯度99%）、烷基酚聚氧乙烯醚（纯度99%）：天津大茂试剂有限公司.

1.2 实验仪器

XRY-1A型氧弹式热量仪：上海双旭电子有限公司；电子天平：北京赛多利斯科学仪器有限公司；XF-200S液体密度天平：厦门雄发仪器仪表有限公司.

1.3 高热值醇基液体燃料的制备

将一定分量的甲醇、水、少量表面活性剂混合，以300 r/min的速度搅拌均匀得A溶液，把生物油混合少量促进剂以300 r/min的速度搅拌均匀得B溶液，然后把A溶液和B溶液混合得C溶液，再加入少量稳定剂到C溶液中，在30℃下以300 r/min的速度搅拌0.5 h，即得高热值醇基液体燃料.具体制备配比方案见表1.

表1 高热值醇基燃料的配比方案Tab.1 Proportioning scheme of high calorific value alcohol-based fuel 单位：kg

1.4 高热值醇基液体燃料理化性质分析

高热值醇基液体燃料密度、凝点、引燃温度、pH值、机械杂质含量、醇含量分别按照GB/T 611—2006、GB/T 510—2018、GB/T 5332—2007、精密pH试纸、GB/T 511—2010以及GB 16663—1996测得［15-19］.

50%馏出温度：将100 mL样品注入250 mL的蒸馏支架烧瓶中进行缓缓蒸馏，馏出物达50 mL时，记下温度计的度数，此温度即为馏出温度［20］.

1.5 高热值醇基液体燃料稳定性分析

低温抗相分离实验：分别移取样品50 mL于100 mL的锥形瓶中，瓶口作密封处理后置于-20℃的低温环境中，在4、8、12、24 h后观察燃料是否分层［21］.

1.6 热值测定

用天平称取一定质量的试样，拧开氧氮盖，放入试样；取螺旋状引燃铁丝并将引燃铁丝的螺旋部分与试样接触，将引燃铁丝与氧弹仪的二电极连接；连接完成后，旋紧氧弹盖，充氧，将温差仪探头插入氧弹仪中，并取3 L水于水桶中，打开氧弹仪的点火按钮，将氧弹仪放入水桶中，盖上盖子，记录起始温度；根据燃烧后释放出的热量使水温升高的情况，计算出试样的燃烧热值，燃烧测定值即为弹热值［14］.

2 结果与讨论

2.1 不同配比的高热值醇基燃料的优化

依据表1配比制备各种不同组成的高热值醇基燃料，并通过氧弹热量计以及低温抗相分离试验测定燃料热值及稳定性.由表2可知，M-5的热值最高，且低温抗相分离试验未见分层现象出现，较稳定.M-5成本较低，为2.0元/kg.综合热值、成本及稳定性综合考虑，本试验选择M-5作为最优的高热值醇基燃料进行后续研究.

表2 高热值醇基燃料的优化Tab.2 Optimization of high calorific value alcohol-based fuels

2.2 高热值醇基燃料的理化性质研究

对最优配比的高热值醇基燃料M-5进行理化性质测试，由表3可知，本研究制备的高热值醇基燃料的密度、凝点、引燃温度、pH值、50%馏出温度、杂质含量以及醇含量均符合国家醇基液体燃料标准GB 16663—1996.

pH值是一个重要的理化指标，其值高低直接影响储存设备的选择，过高或过低均会损坏储存设备，增加成本.本研究制备的高热值醇基燃料M-5的pH值为7.2中性，表明不需要昂贵储存设备，正常储存即可，大大节约了储存成本［22］.凝点和引燃温度对燃料的运输储存也十分重要，M-5较低的凝点以及较高的引燃温度，可增加燃料在运输中的稳定性，安全性高，便于推广应用.

表3 高热值醇基燃料的理化性质分析Tab.3 Analysis of physical and chemical properties of high calorific value alcohol-based fuels

2.3 锅炉燃烧

为了进一步评价醇基燃料的实用效果，本研究将高热值醇基燃料M-5应用于锅炉燃烧中，通过与煤炭、柴油、天然气、生物质燃料、重油以及液化石油气对比，综合评价该高热值醇基燃料的经济效益与环保性能.

2.3.1 经济效益研究 1 t蒸汽锅炉的发热量为6×105kcal/h，煤炭的热值是5600 kcal/kg，热效率为50%，若使用煤炭作为锅炉的燃烧燃料，煤炭的消耗量为：6×105÷5600÷50%=214 kg/h，使用成本为：214×0.9=192元/h.其他几种燃料M-5醇基燃料、柴油、天然气、生物质燃料、重油以及液化石油气的使用成本分别为175、431、241、225、196、495元/h，见表4.综合几种燃料来看，本研究制备的高热值醇基燃料的使用成本最低，仅为柴油成本的2/5，有助于经济效益的提升.

表4 醇基液体燃料与其他燃料综合成本比较Tab.4 Comparison of comprehensive costs between alcohol-based liquid fuels and other fuels

2.3.2 环保性能研究

1）高热值醇基燃料与传统燃料燃烧CO2排放量对比：各种燃料燃烧CO2的排放量见图1，与其他几种燃料比较，高热值醇基燃料及生物质燃料的CO2排放量较低，每千克高热值醇基燃料燃烧后仅排放1.36 kg CO2.

2）高热值醇基燃料与传统燃料燃烧SO2排放量对比：由图2可知，高热值醇基燃料、天然气及液化石油气的SO2排放量远低于煤炭及重油，且符合锅炉大气污染物国家限制排放标准GB 13271—2014（＜50 mg/m3）.

3）高热值醇基燃料与传统燃料燃烧NOx排放量对比：各种燃料燃烧NOx的排放量见图3，高热值醇基燃料的NOx排放量最低，每立方米高热值醇基燃料燃烧后仅排放32 mg NOx，符合锅炉大气污染物国家限制排放标准GB 13271—2014（＜150 mg/m3），其他几种燃料燃烧排放的NOx远高于本项目制备的高热值醇基燃料，是其4.25～8.03倍.

图1 高热值醇基燃料与传统燃料燃烧CO2排放量对比Fig.1 Comparison of CO2 emissions from burning high calorific value alcohol-based fuels and traditional fuels

图2 高热值醇基燃料与传统燃料燃烧SO2排放量对比Fig.2 Comparison of SO2 emissions from burning alcohol-based fuels with high calorific value and conventional fuels

图3 高热值醇基燃料与传统燃料燃烧NOx排放量对比Fig.3 Comparison of NOx emissions from burning alcohol-based fuels with high calorific value and conventional fuels

4）高热值醇基燃料与传统燃料燃烧烟尘排放量对比：由图4可知，高热值醇基燃料、天然气、柴油及液化石油气的烟尘排放量符合锅炉大气污染物国家限制排放标准GB 13271—2014（＜20 mg/m3），且远低于煤炭、生物质燃料及重油燃料.

综合CO2、SO2、NOx以及烟尘排放量四个方面来看，高热值醇基燃料燃烧排放的大气污染物较低，是人类需要的环境友好型燃料.贾伟艺等［23-24］研究显示，醇基燃料污染小、成本低，可作为煤炭、汽油的替代燃料，与本研究结果一致.

图4 高热值醇基燃料与传统燃料燃烧烟尘排放量对比Fig.4 Comparison of soot emissions from combustion of high calorific value alcohol-based fuels and traditional fuels

3 结论

本研究以甲醇为原料，通过调节轻烃类高热值添加物、表面活性剂和助剂比例，制备出热值高达7228 kcal的清洁型醇基燃料，其理化指标符合国家标准.通过锅炉燃烧实际应用，高热值醇基燃料的使用成本及锅炉污染物排放量远低于其他传统燃料，达到了节能减排的效果.