棉籽油配比对生物柴油理化特性的影响

棉籽油配比对生物柴油理化特性的影响

0柴油替代燃料随着传统能源资源的匮乏和污染日益严重，生物柴油逐渐受到关注。20世纪80年代以来,科研工作者深入研究了植物油的特性,并将其直接或经深加工后作为发动机代用燃料。研究结果认为,生物柴油是理想的柴油替代燃料~。本试验采用物理法制备生物柴油(即将棉籽油和柴油以不同比例进行调和),依据相应国家标准或行业标准对棉籽油生物柴油的密度、粘度、十六烷值、热值、闪点、凝点、残炭量、硫含量等理化性质进行了测试和研究,为棉籽油生物柴油的进一步研究和应用提供了一系列基础数据。1棉籽油和柴油在生物柴油中的体积配比本研究采用的原料为0#柴油(B0)和石河子市143团棉籽油厂生产的棉籽油(B100),棉籽油和柴油在生物柴油中的体积配比分别为10∶90(B10),20∶80(B20),30∶70(B30),40∶60(B40),50∶50(B50)。生物柴油理化指标的测量标准和仪器见表1。2棉籽油的组合对生物柴油的物理特性的影响2.1温度对双程度系的影响密度是燃油最重要的参数之一,燃油的大部分理化性质与密度之间存在某种内在关系。生物柴油的密度与棉籽油配比的变化关系如图1所示(测试温度为20℃)。由图1可见,在一定温度条件下,生物柴油的密度比0#柴油大,且生物柴油的密度随棉籽油配比的增大而增大。由于燃油的密度对燃料从喷油嘴喷出的射程和燃油的雾化质量影响很大,因此在不改变柴油机结构的前提下,燃油密度一般不宜高于0.88g/cm3。因此,棉籽油配比控制在50%以内即可满足生物柴油的密度要求。2.2燃料的消耗量增粘度是衡量燃料流动性能及雾化性能的重要指标。燃料粘度太高,流动性就差,会使供油困难;喷出的油滴直径过大,油流射程过长,使油滴有效蒸发面积减少,蒸发速度减慢;导致混合气组成不均匀,燃烧不完全,燃料消耗量增大。燃料粘度过低,流动性过高,燃料会从油泵的柱塞和泵筒之间的空隙流出,致使喷入气缸的燃料减少,发动机效率下降;雾化后油滴直径过小,油流射程短,不能与空气均匀混合,燃烧不完全,燃料的消耗量增大。一般认为柴油机燃料粘度为1.9×10-6~6.0×10-6m2/s比较适宜。生物柴油的粘温特性见图2(测试温度为20,30,40,50,60,70,80℃)。随着棉籽油配比的增加,生物柴油粘度呈线性增加。此外,棉籽油配比越高的生物柴油,其粘温特性变化越大。在低温条件下,B100粘度远高于B0,特别是在20℃时,B100粘度是B0粘度的13倍之多,致使B100的低温流动性差,雾化效果不及B0。通常将B100以低配比与B0调合,以有效降低其粘度,并改善其低温性能。2.3燃料及低负荷的燃烧过程中,各有侧重,存在着大的问题燃烧性能是评价燃油品质的重要指标,十六烷值是衡量燃油在压燃式发动机中燃烧性能的重要指标。柴油机属于压燃式发动机,要求柴油喷入气缸与压缩空气混和后,能够在高温、高压条件下自燃,并在气缸中燃烧作功。十六烷值过低,则燃料着火困难,滞燃期长,发动机工作时容易产生爆震;十六烷值过高,则会因滞燃期太短而导致燃烧不完全,发动机功率降低,耗油增加和冒黑烟等不良后果。柴油机燃料的十六烷值为40~60较适宜。在不能用发动机试验测定十六烷值的情况下,计算十六烷指数是估计十六烷值的有效方法。根据计算得到棉籽油的十六烷指数为35.5,0#柴油的十六烷指数为54.8。因此,B100的燃烧性能不如B0。通常须调整供油提前角来改善B100的着火性能,还可通过与柴油适量配比,提高生物柴油的十六烷值,以改善其燃烧性能。2.4燃油体积热值比b0低,密度较低热值是生物柴油应用于发动机的基本衡量指标,与发动机的动力性能密切相关。生物柴油热值与棉籽油含量的关系见图3。B100的热值比B0低14.16%,但其密度高于B0,这使其体积热值仅比B0低5.73%,而且进入柴油机缸内的能量正是以燃油系统每个循环所供给的燃油体积热值来计算的。因此,将B100及其生物柴油直接应用于柴油机,在每个循环供油量不变的情况下,柴油机的功率只比燃用柴油略低,黑烟排放量大幅降低。随着棉籽油含量的增加,生物柴油的热值逐渐降低,二者之间存在线性回归关系。2.5现行的生物柴油类型和活动比为500闪点是燃料贮运和使用时的安全指标,我国轻柴油标准(GB252-87)规定轻柴油的闪点不低于65℃。由于植物油分子及其酯化物的碳链平均长度比矿物柴油分子长,因此植物油的闪点比矿物柴油高。闪点的测定方法有闭口杯法和开口杯法2种。采用开口杯法测得的生物柴油闪点与棉籽油配比的关系见图4。B100的闪点远大于其它生物柴油的闪点,而且其它生物柴油的闪点均为100℃左右。这表明生物柴油挥发出的轻质馏分为生物柴油中B0的轻质馏分,即低配比棉籽油生物柴油的闪点在很大程度上受B0轻质馏分的影响。2.6棉籽油生物柴油的凝点凝点是用来评价燃料低温流动性的重要指标之一。燃料的低温流动性能不仅关系到柴油机燃料供给系统能否正常供油,而且与燃料在低温下的贮藏、运输等有着密切的关系。生物柴油的凝点与棉籽油含量的关系见图5。B100的凝点为-5℃,比B0高2℃,说明B100的低温流动性比B0差一些。随着B100配比的变化,棉籽油生物柴油的凝点在-7~-5℃变化。当B100配比低于20%时,棉籽油生物柴油的凝点受B0的流动性影响,其凝点并不比B0低;当B100配比为30%~50%时,B100对棉籽油生物柴油流动性的影响增大,使棉籽油生物柴油的凝点升高1℃。由于B100和B0的凝点相差不大,这使得B100的配比对棉籽油生物柴油凝点的影响并不十分明显。2.7沥青质、多环芳烃及灰分油脂在隔绝空气的情况下加热时会蒸发、裂解和缩合,生成一种具有光泽鳞片的焦炭状残留物即残炭,残炭主要是由油品中的胶质、沥青质、多环芳烃及灰分等物质形成的。残炭量的多少直接影响到油品的稳定性、柴油机积炭状况等。不同配比的生物柴油的残炭量见图6。残炭量随棉籽油配比的增加而近似成线性增加,B100的残炭量为0.66%,是B0的60倍,因此B100的配比不宜过高。因此,直接燃用棉籽油通常会产生喷油嘴积炭问题,将B100与B0以适当配比进行调合,可以有效解决积炭问题。2.8b00的硫含量硫含量是影响燃油燃烧产物构成的一个重要指标。不同配比的棉籽油生物柴油的硫含量见图7。B0的硫含量最高,随着B100配比的增加,生物柴油中的硫含量逐渐减少。与B0比较,B100的硫含量大幅度降低。燃料中的硫含量对柴油机的PM排放影响较大,在燃烧过程中硫除生成硫酸盐固体颗粒外,还促使碳烟的生成。随着B100配比的增加,棉籽油生物柴油的硫含量呈线性下降趋势,有利于降低柴油机的PM排放量。3棉籽油配比对生物柴油质量的影响①棉籽油生物柴油的密度、粘度、十六烷值、热值、残炭量及硫含量等理化特性与棉籽油配比呈明显的线性关系