生物柴油低溫流動(dòng)性和燃燒特性的研究.pdf

1、生物柴油作為石油柴油的重要補(bǔ)充，因其可再生、基本不含硫和芳烴、能生物降解、無(wú)毒、對(duì)環(huán)境友好而日趨產(chǎn)業(yè)化和市場(chǎng)化。但成本偏高、低溫流動(dòng)性和氧化安定性較差、NOx排放較高是目前制約生物柴油發(fā)展的主要問(wèn)題。本文主要研究了生物柴油的組成、冷濾點(diǎn)(CFPP)、結(jié)晶行為、揮發(fā)性、著火性和燃燒性能。
　　 首先利用氣-質(zhì)聯(lián)用儀(GC-MS)分析生物柴油的組成。生物柴油主要由C、H和O三種元素組成，主要為由14～24個(gè)偶數(shù)碳原子組成的飽和脂肪酸

2、甲酯(SFAME)C14：0～C24：0，不飽和脂肪酸甲酯（UFAME）C16：1～C22：1、C18：2和C18：3。不同原料制備的生物柴油，其組成含量差異較大，花生油生物柴油(PNME)、棕櫚油生物柴油(PME)、棉籽油生物柴油(CSME)、廢棄油脂生物柴油(WME)、葵花籽油生物柴油(SFME)、芝麻油生物柴油(SME)、大豆油生物柴油(SBME)、玉米油生物柴油(CME)和菜籽油生物柴油(RME)的C16：0含量分別為10.87

3、、26.95、24.04、19.73、7.91、11.42、11.09、11.96和9.35w％; C18：1分別為38.87、42.13、38.87、36.80、27.90、29.70、28.56、33.20和40.33w%;C18:2分別為32.09、18.20、23.32、21.18、52.96、41.30、42.95、45.84和25.25w%。
　　 運(yùn)用雜化軌道理論研究生物柴油主要組成的分子結(jié)構(gòu)。生物柴油中SFAME

4、分子的碳鏈按109.5°角呈直線“之”字形結(jié)構(gòu)排列；UFAME分子C-C的碳鏈按109.5°角呈直線“之”字形結(jié)構(gòu)排列，C=C使碳鏈發(fā)生彎曲，且彎曲程度隨著不飽和度的增加而增加。
　　 其次利用低溫性能測(cè)試儀和差示掃描量熱法（DSC）研究生物柴油的冷濾點(diǎn)和結(jié)晶行為。RME、CME、SBME、SFME、SME、WME、CSME、PME和PNME的CFPP分別為-7、-7、-5、-3、-3、3、6、8和13℃，生物柴油中SFAME的

5、含量越高和碳鏈越長(zhǎng)，生物柴油越易結(jié)晶，CFPP越高，建立了基于組成的生物柴油CFPP預(yù)測(cè)模型。
　　 創(chuàng)新性地提出了生物柴油的雙分子層片狀結(jié)晶機(jī)理：生物柴油可近似為由高熔點(diǎn)的SFAME和低熔點(diǎn)的UFAME組成的偽二元組分溶液；生物柴油的結(jié)晶過(guò)程分為過(guò)飽和溶液的形成、成核和晶體生長(zhǎng)三個(gè)階段；溶液的過(guò)飽和度是生物柴油中SFAME成核和晶體生長(zhǎng)的驅(qū)動(dòng)力；生物柴油的晶體結(jié)構(gòu)為雙分子層片狀結(jié)構(gòu)；建立了成核及晶體生長(zhǎng)的速率方程。
　　

6、 提出并驗(yàn)證了降低生物柴油CFPP的措施：與石油柴油調(diào)合、添加低溫流動(dòng)性改進(jìn)劑(CFI)和結(jié)晶分餾。與-10號(hào)柴油(-10PD)調(diào)合，CFPP最低可降到-12℃。調(diào)合油的CFPP主要取決于生物柴油的組成和調(diào)合比例，SFAME≥C20：0含量較低的PME、CSME、WME、SBME和RME分別與-10PD調(diào)合時(shí)能形成最低共熔物，CFPP為-12℃，且調(diào)合油的最低CFPP范圍隨著生物柴油中SFAME含量的減少向生物柴油調(diào)合比例增大的方向偏

7、移。SFAME≥C20：0含量較高的PNME與-10PD調(diào)合時(shí)，CFPP隨著PNME調(diào)合比例的增加而增高。建立了基于生物柴油調(diào)合比例的調(diào)合油CFPP預(yù)測(cè)模型。在Flow Fit、Flow Fit K和T818三種CFI添加量小于1.5v%時(shí)，PME、WME、SBME、RME和調(diào)合油的CFPP最低可分別降到2、-1、-7、-11和-28℃；結(jié)晶分餾將PME的CFPP從8℃降至0℃，并獲得較高的得率，為68.2v%。
　　 最后利用

8、熱重法（TG）-DSC同步熱分析儀研究生物柴油的揮發(fā)性、著火性和燃燒性能。定義了揮發(fā)性指數(shù)、著火溫度和燃燒性能指數(shù)，PME和RME的揮發(fā)性指數(shù)、著火溫度和燃燒性能指數(shù)分別為1.76E-04和1.61E-04、207.7和210.5℃、4.97E-05和3.65E-05，生物柴油中SFAME的含量越高和碳鏈越長(zhǎng)，生物柴油的著火溫度越低，揮發(fā)性和燃燒性能越好。
　　 創(chuàng)新性地提出了生物柴油的活性原子燃燒機(jī)理：生物柴油的燃燒過(guò)程分為揮

9、發(fā)、離解和結(jié)合三個(gè)階段，即首先將液態(tài)的脂肪酸甲酯（FAME）分子揮發(fā)成氣態(tài)，然后再將氣態(tài)的FAME、O2和N2分子離解成活性原子C*、H*、O*和N*，最后C*、H*和N*分別與O*結(jié)合，釋放鍵結(jié)合能，生成CO2、CO、H2O和NO；建立了結(jié)合階段的反應(yīng)速率和反應(yīng)速率常數(shù)方程；生物柴油中氧的存在促進(jìn)了生物柴油的著火和燃燒；添加少量的CFI對(duì)生物柴油的揮發(fā)性和燃燒性能基本無(wú)不利影響。
　　 總之，本研究結(jié)果表明，生物柴油的主要組成