新型环保醇基汽油抗水性能研究及其对燃料性能的影响

魏承涛（西北工业学校，陕西 兴平 713100）

1 引言

1.1 课题的意义

当前，国内国际能源日趋紧张，开发生物质新能源、充分利用可再生能源，以保护环境，减排二氧化碳及石油燃料燃烧所产生的其他污染气体，改变国民经济完全依赖石油能源的状况，是大势所趋[1]。

新型环保醇基汽油是将一定比例的甲醇（30%～40%） 和乙醇（10%） 调入基础汽油（92# 汽油或催化裂化汽油，或这前两者加入一定比例的直馏汽油或石脑油），再加入一定比例的具有抗水性、油溶性、抗爆稳定性、抗氧化安定性、抗溶胀及腐蚀抑制剂等综合性能的复合剂调合而成的高品位生物质汽油。由于甲醇可从秸秆气化、木屑干馏等制取，而乙醇更可从粮食、甘蔗、甜高粱等发酵制取，故新型环保醇基汽油是一种可再生的生物质高品位汽油。而且可大量地减排二氧化碳、一氧化碳、碳氢化物，大大地减少汽油燃烧对大气的污染。故开发新型环保醇基汽油具有革新能源结构，改变燃油百余年来完全依赖石油这种状况的能源战略意义。并且甲乙醇汽油成本将比石油汽油的低约30%，故具有很大的经济效益，对国民经济的发展、能源战略和环境保护都具有战略意义，是一项利国利民的好项目。

甲乙醇与汽油的溶解度受温度的影响很大。温度越高，互溶性越好，温度越低，互溶性越差，越易分层。由于甲醇乙醇是极性很强的物质，与水完全互溶，相对于无铅汽油，甲醇乙醇汽油的吸水性显著增强。而水分的存在会使甲醇乙醇与汽油的临界互溶温度提高，分层更为容易，即使稳定的体系，当混入水分时也会重新分层。因此，应严格控制醇基汽油中的水分含量。对此我主要考察醇基汽油的抗水性能的研究，同时研究醇基汽油的配方调油技术，及其不同甲醇、乙醇对抗水性、透光率密度的影响，以及醇基汽油综合配方燃料性能的考察研究，经过初步的醇基汽油理化特性与指标试验验证，能够指导醇基汽油的工业生产，促进醇基汽油燃料汽车产业健康、有序的发展。

1.2 国内外研究现状

当前，乙醇汽油在吉林、黑龙江、河南、安徽等省正大力推广应用。乙醇汽油是由10%无水乙醇和92%车用汽油调合而成。乙醇汽油推广应用中的主要问题是有漆膜生胶积碳、局部腐蚀、遇水（约0.5%～1%）分层及抗溶胀等问题，这些问题主要是缺少相应的功能添加剂，问题不难解决。

甲醇汽油起步较晚，但当前已有山西5 个城市于2004 年开始推广应用。甲醇汽油推广应用中的主要问题除了与乙醇汽油推广应用中存在主要问题类同外。还有，甲醇汽油的油溶性和抗水性不如乙醇汽油的问题。这些问题只要有相应的功能添加剂就可解决。克服了乙醇汽油和甲醇汽油在使用中出现的问题，在抗水性、油溶性、抗爆稳定性、抗氧化安定性、抗溶胀及腐蚀抑制等综合性能方面有了很大的改进，又拓宽了可再生车用燃油来源、大大地降低成本的显著效果[2]。

2 实验部分

2.1 主要的实验仪器装置

调速多用振荡器，HY-4 型，上海浦东物理光学仪器厂；

分光光度计，T-72 型；

微电脑自动量热计，WZR-1A 型，长沙奔特仪器设备有限公司；

电子天平梅特勒，AL104 型；

水浴（能维持在50 ℃）；

密度仪（量程0.700 0～0.800 0）；

温度计（0～400 ℃）；

50 毫升具塞量筒；

分液漏斗，250 mL；试管；漏斗；量筒，25、50 和100 mL；锥形烧瓶，100 mL 和250 mL；量筒，25、50和100 mL；锥形烧瓶，100 mL 和250 mL；

磨光材料（150 号和180 号的砂纸）；

试验弹，磨片夹钳，氧气钢瓶，万用表，腐蚀标准色板；

石油产品馏程测定器，铜片。

2.2 主要的实验试剂及药品

92#车用汽油，市售，中石油陕西销售；

无水甲醇，分析纯，天津市红岩化学试剂厂；

无水乙醇，分析纯，天津市红岩化学试剂厂；

AR 分析甲醇，分析纯，广东汕头市西陇化工厂；

氢氧化钠，分析纯，成都市科龙化工试剂厂；

三水合乙酸铅，AR 分析纯，广东汕头市西陇化工试剂厂；

升华硫，天津市河东区红岩试剂厂；

苯，分析纯，天津市永大化学试剂开发中心；

酚酞、甲基橙，指示剂；

复合剂；

洗涤溶液（1∶1 的醇苯溶液）。

2.3 实验原理

甲醇、乙醇和汽油是极性和非极性很强完全不相溶液液进行混合溶解。它们混合后在复合剂的作用下形成微乳液，分散相微粒大约呈50～100 nm 的微小颗粒。从而形成不混浊、不分层、清澈透明的微乳液。复合剂的作用在于，能够把醇基汽油中的醇分子和汽油分子结合在一起，形成一层极性和非极性分子膜，该膜的一端呈极性，与醇分子相联，而另一端呈非极性，与汽油分子相连，从而形成稳定地微乳液体系，使醇基汽油不易发生相分离。利用分子基团的作用原理，分子基团越大，它的非极性增强。实验证明，甲醇属分子氢键缔合，乙醇键较长，为极化分子，与汽油混合相溶，能够形成微乳液。

2.4 实验步骤

2.4.1 醇基汽油的调合

工艺流程图如图1 所示。

图1 醇基汽油调合工艺原理流程

2.4.2 醇基汽油透光率的测定

用T-72 型分光光度计，1 cm 光槽，用4∶1 的甲乙醇做标准溶液，波长在200～600 nm 范围进行探索，找出能区分这类样品透光率的波长。

2.4.3 醇基汽油相对密度的测定

用量程范围在0.700 0～0.800 0 的密度仪进行测量。

2.4.4 醇基汽油抗水性的测定

取样品各200 mL，分别置于两只300 mL 三角瓶中，向1#样品加入2 mL 蒸馏水，剧烈摇荡30 min，2#样品不加水，将两样品置于15～20 ℃的室温中，静置72 h 后，无相分离，目测观察样品应相同，并无混浊/分层现象；或为了当时就能观测可先如下方法测试：用洗耳球对着油面吹风，置其球嘴离油面约20 mm处用手用力捏球，吹100 余下，而无混浊现象，但后一方法只作为快速测试观测方法。前一方法暂定标准名为XB-WP/T103—2006。

2.4.5 醇基汽油馏程的测定

方法概要：100 mL 试样在规定的仪器及试验条件下，按产品性质的要求进行蒸馏，系统的观察温度读数和冷凝液体积，然后从这些数据算出测定结果。

2.4.6 醇基汽油抗腐蚀性能的测定

本试验采用铜片腐蚀试验法GB 5096—85。

方法概要：把一块已磨好的铜片浸在一定量的试样中，并按产品标准要求加热到指定的温度，保持一定的时间。待试验周期结束后，取出铜片，经洗涤后与腐蚀标准色板进行比较，确定腐蚀级别。

2.4.7 醇基汽油净热值的测定

方法概要：将试样装在氧弹内的小皿中，用易燃而不透气的胶片或把试样封闭在聚乙烯管制成的管中，使试样在压缩氧气中燃烧，以测定其燃烧时所发生的热值（弹热值），作为净热值的测定基础[3]。

3 实验结果分析和讨论

3.1 不同甲醇加入量对抗水性、透光率及相对密度的影响的测定结果

以ME50（40%甲醇+10%乙醇+50%汽油（90#）+外加5%复合剂）为准，10%乙醇不变，改变甲醇的量10%、15%、20%、25%、30%、35%、40%，外加5%的复合剂不变。其测定结果如表1 所示。

表1 不同甲醇加入量对抗水性、透光率及相对密度的影响的测定结果

试验结果表明，随着甲醇量的不断增加，由于甲醇的密度较汽油大，其相对密度也随之变大，其透光率基本上保持不变，醇基汽油的抗水性随着甲醇量的增加在不断的增强（图2）。甲醇与汽油形成醇包油型微乳液，分散介质甲醇量的增加，使其微粒变小，微乳液更加稳定。当加入水时，相当于加入了破乳剂，刺破了微粒，使其不稳定而分层。所以甲醇量增多了，可容忍更多水量，使抗水性增强。

图2 甲醇加入量对醇基汽油的抗水性的影响

3.2 不同乙醇加入量对抗水性、透光率及相对密度的影响的测定结果

以ME50（40%甲醇+10%乙醇+50%汽油（90#）+外加5%复合剂）为准，40%甲醇不变，改变乙醇的量2%、4%、6%、8%、10%、12%、14%，外加5% 剂不变。其测定结果如表2 所示。

表2 不同乙醇加入量对抗水性、透光率及相对密度的影响的测定结果

试验结果表明，随着乙醇量的不断增加，由于乙醇的密度较汽油大，其相对密度也随之变大，其透光率基本上保持不变，醇基汽油的抗水性随着乙醇量的增加在不断的增强（图3）。乙醇与汽油形成醇包油型微乳液，分散介质乙醇量的增加，使其微粒变小，微乳液更加稳定。当加入水时，相当于加入了破乳剂，刺破了微粒，使其不稳定而分层。所以乙醇量增多了，可容忍更多水量，使抗水性增强。

图3 乙醇加入量对醇基汽油的抗水性的影响

3.3 醇基汽油综合配方的抗水性能的测定结果

以ME50 为基准，进行对ME30（M25E5）、ME40（M35E5）、ME50（M40E10）、ME60（M50E10）、ME70（M60E10）、ME80（M70E10）的抗水性能试验，其测定结果如表3 所示。

表3 综合配方抗水性能的测定结果

试验结果表明：综合配方的透光率不断增大，其抗水性在不断的增强。醇基汽油的抗水性随着甲乙醇量的增加在不断的增强（图4）。甲乙醇与汽油形成醇包油型微乳液，分散介质醇基含量的增加，使其微粒变小，微乳液更加稳定不分层。当加入水时，相当于加入了破乳剂，刺破了微粒，使其不稳定而分层。所以醇基量增多了，可容忍更多水量，抗水性增强了。

图4 综合配方抗水性能的影响

3.4 醇基汽油综合配方燃料性能考察的测定结果

3.4.1 馏程的测定结果

以ME50 为基准，进行对ME30（M25E5）、ME40（M35E5）、ME50（M40E10） 的馏程性能试验，其测定结果如下所述。

（1） ME30 馏程的测定结果。ME30（M25E5）的馏程结果如表4 所示。

表4 ME30 馏程测定结果（P=727.5 mmHg）

根据图5 可知，馏出液体积=96.8 mL，残留物体积=0.9 mL，蒸馏损失=2.3 mL。

图5 ME30 馏程图

（2） ME40 馏程的测定结果。ME40（M35E5）馏程的测定结果如表5 所示。

表5 ME40 馏程测定结果（P=728.5 mmHg）

根据图6 可知，馏出液体积=97.2 mL，残留物体积=0.8 mL，蒸馏损失=2.0 mL。

图6 ME40 馏程图

（3） ME50 馏程的测定结果。ME50 （M40E10） 馏程的测定结果如表6 所示。

表6 ME50 馏程的测定结果（P=726.3 mmHg）

根据图7 可知，馏出液体积=97.1 mL，残留物体积=0.9 mL，蒸馏损失=2.0 mL。

图7 ME50 馏程图

小结：试验结果表明，在醇基含量低于50%时从初馏点到80% 馏出体积时温度变化不大，但到90%馏出体积时温度变化很大。由于甲乙醇的沸点较低，已经馏出很多，只剩下汽油，所以温度突然变化很大。同时从以上试验可以看出10% 馏出温度均在50 ℃左右，温度较低，说明其醇基汽油所含低沸点馏分越多，蒸发性强，能使汽油机在低温下易于启动。50%馏出温度都在65 ℃左右，比较低，在温度下能很好的蒸发，从而能缩短汽油机的升温时间，同时，还可以使发动机加速灵敏、运转柔和。90%馏出温度在135 ℃左右，温度不高，说明其醇基汽油中含有重质馏分不多，可保证汽油在使用条件下可以完全蒸发和完全燃烧，可减少汽缸内的积炭，耗油率降低，HC 排放浓度减小，避免未蒸发的汽油冲刷发动机气缸壁油膜，流入曲轴箱后稀释发动机润滑油，减少了发动机润滑油的变质，使其正常润滑[4]。在醇基含量大于50%时90%馏出温度在70 ℃左右，明显低于其他90%馏出温度，说明汽油含量减少，温度上升的慢，属于正常现象。

3.4.2 抗腐蚀性能测定结果

以ME50 为基准，进行对ME30（M25E5）、ME40（M35E5）、ME50（M40E10） 的抗腐蚀性能试验，即铜片试验，其测定结果如表7 所示。

表7 抗腐蚀性能测定结果

试验结果表明：在50 ℃，3 h 恒温水浴下铜片腐蚀均达到国家一级标准。

3.4.3 净热值性能的测定结果

以ME50 为基准，进行对ME30（M25E5）、ME40（M35E5）、ME50（M40E10）的水溶性酸碱，其测定结果如表8 所示。

表8 净热值性能测定结果

试验结果表明：随着醇基含量的增加，其净热值在不断减小，由于醇类热值比较低，所产生的燃烧热较汽油燃烧值低。但由于醇类分子中含有氧，完全燃烧所需的空气质量比汽油少得多，燃烧产生的尾气带走的热量少，这就使发动机总热效率得到提高。同时醇类汽油的有效质量燃油消耗率高，可以完全燃烧。所以在实际行车中净热值是较高的。（ ）

4 结语

（1） 本文主要研究与论述了醇基汽油的调油配方技术，及其不同甲醇、乙醇对抗水性、透光率密度的影响，以及进行了醇基汽油综合配方燃料性能的考察研究。

（2）找出了甲醇、乙醇等诸因素变化时，对产品性能的影响规律，即该两个因素在配方中的比例不断增加，则其醇基汽油的密度不断的增大，其透光率基本保持不变，它的抗水性增强。

（3）在醇基汽油综合配方的研究试验中，醇基汽油能使汽油机在低温下易启动（10%馏出温度较低）。加速灵敏，缩短汽油机的升温时间，并很快能提起速度（50%馏出温度较低），同时燃烧效果也好，积炭少，对润滑油腐蚀少（90%馏出温度干点均较低）；在抗腐蚀方面符合国家车用燃油的标准，腐蚀性小；其产生的热值不太理想，但燃烧效率比普通的汽油要高。