吴则旭++姚明傲

摘 要：多次试验生物柴油乳化和制备乳化剂，用显微镜观察乳化效果，测量颗粒直径大小，进行燃烧排放试验研究分析，选出较好的生物柴油乳化比例。

关键词：生物柴油 乳化试验 颗粒大小

前言

近3年以来我国雾霾天气日益加重，其重要原因就是越来越多的汽车排放有害气体。多项科学研究表明，使用代用燃料可以有效降低汽车尾气排放[1]。其中生物柴油可以与柴油在柴油机上混合或直接应用，是一种未来前景非常广阔的代用燃料[2]。

为了解决柴油机燃用生物柴油NOx排放增加的问题，本文中采用乳化技术，制备乳化生物柴油，实现柴油机燃用代用燃料，同时降低碳烟和NOx的目的。

1、乳化试验研究

1.1 乳化剂的制备和选择

试验目的：观察乳化液从稳定到析出的变化现象，并记录稳定时间，选择稳定性较好的乳化液。稳定时间越长证明乳化液稳定性越好[3]。

吸取之前研究经验，并查阅相关论文资料，本试验共采用以下10种复配乳化剂， 如表1所示。

试验仪器：200ml广口瓶若干；200ml烧杯若干；100ml量筒若干；温度计10只；玻璃棒10只；10ml滴管若干。

试验方法：10种乳化液配比共做10次试验，规定各试验生物柴油体积都是40ml；设定水浴加热温度为35℃，把装有生物柴油的烧杯静置在温水中加热15分钟；把10种配比乳化剂与生物柴油倒入200ml烧杯中，进行搅拌乳化，觀察10种乳化液开始分层的时间并记录整理。

由上表可知，6h稳定时间后，甲醇+乙醇乳化液仍没有明显分层现象，乳化效果较好。对比分析原因：甲醇本身氧的比例高达50%，汽化潜热值是柴油3.6倍[4]，燃烧时可以有效减少炭烟和NOx排放；乙醇作为优良的燃料和助乳剂，能促进油-水界面融合，大幅增加乳化液的稳定性。

由以上得知，在生物柴油里添加醇类燃料，可以提高乳化液稳定性，又从国内外的研究表明，在生物柴油-乙醇体系中添加一部分水，使生物柴油燃烧更充分。故在以下实验中，将利用甲醇、乙醇和水一定比例复配乳化剂的效果。

1.2 乳化剂颗粒大小分析

查阅资料得知，在生物柴油乳化液稳定性影响因素中，油包水粒径大小可以排在前几位。如果乳液的粒径小且均匀分布，那乳液的稳定时间越长。本次试验利用一台显微镜来观察记录乳化剂颗粒直径大小并做数据分析。

试验设备：三目生物显微镜XSP-BM8A型，放大倍数为40X-1000X。

相关科学试验表明，乳化液中不能超过10%的含水量：比例过高会在诸多方面都造成消极影响，比如燃料的十六烷值、热值及着火燃烧特性；但比例过少，也起不到乳化效果。综合以上因素，本试验选取3种试剂进行对比研究：第一种为100%含量的生物柴油，第二种为含水量2.5%的乳化液（生物柴油40ml，甲醇3ml，乙醇15ml，水1.5ml），第三种为含水量5%的乳化液（生物柴油40ml，甲醇3ml，乙醇15ml，水3ml）。在显微镜下观察这3种乳化液粒径大小，记录相关数据。

由显微镜观察看到，第一种试剂纯生物柴油呈颗粒状分布，粒径大小不一，只有一部分融合在一起。含水量2.5%乳化液和含水量5%乳化液在显微镜下都呈细胞状分布，整体都为均匀分布，为油包水结构。其中 5%含水乳化液与2.5%含水乳化液相比，颗粒直径略短，且都小于10μm，分布均匀，综合来说乳化效果较好。

通过以上研究，本试验选取含水量2.5%乳化液（简称乳2.5）和5%的乳化液（简称乳5）试剂和生物柴油（简称B100）进行下一阶段发动机台架试验。

2、 NOx排放分析

试验工况设定：本次试验对以上3种燃料分别进行1200r/min，1400r/min，1600r/min，1800r/min和2000r/min转速下的负荷特性实验和30N·m，50 N·m，70 N·m，90 N·m和极限负荷下的速度特性试验。由于篇幅所限，仅取70 N·m负荷下的燃烧排放数据作曲线分析。

试验条件设定：保证柴油机进行速度特性试验研究时负荷一直处于70 N·m ，其它柴油机性能参数始终不变。在整个试验过程中，同一台柴油机机依次燃用生物柴油、乳2.5和乳5，设定转速和负荷均为前文提及的10个测量点，利用专业设备AVL-4000排放分析仪进行检测分析排放的尾气，记录相关排放数据。整理数据并绘制以下排放曲线图。

从图中我们可以看出随转速的提高，乳2.5和乳5的NOx的排放在不断的降低。乳化油可燃混合气的焰前反应时间延长，使燃料和空气的混合更均匀。由于水的加入，降低了混合气的浓度。微爆效应提高了混合气的均匀度，减少了局部富氧现象，缩短了燃烧持续期和高温持续时间，从而减少了 NOx的生成和排放量。

3、结论

经过生物柴油乳化试验、颗粒大小分析以及排放试验，对比分析得到以下结论：

（1）在乳化试验中，加入甲醇和乙醇后，乳化液稳定时间最长，通过显微镜的观察，相比于乳2.5，乳5的颗粒分布更加均匀，颗粒直径较小。

（2）在排放试验中，随转速的提高，相比于B100，乳2.5和乳5的NOx排放在不断的降低。。

（3）综合考虑乳化效果、颗粒大小以及尾气排放，乳5为比较优良的实际应用比例。

参考文献：

[1]汤湘华，李雪峰，罗艳托，等.国内车用替代燃料的发展现状及展望[J].石油规划设计，2012，03：15-18：40-42.

[2]李攀，王贤华，李允超.生物柴油研究现状及其进展[J].能源与节能，2012，10：31-32.

[3]楼狄明，石健，赵杰，等.共轨柴油机燃用不同配比生物柴油的性能与排放特性[J].内燃机工程，2009，30（6）：21-25.

[4]黄勇成，韩旭东，王丽.生物柴油-生物油乳化油的燃烧排放特性[J].工热物理学报，2011，32（8）：1418-1420.

作者简介：

吴则旭（1988—），男，硕士，助教，主要研究方向，汽车代用燃料。