CN101555424A - 秸秆油/水/柴油的微乳燃料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
秸秆油/水/柴油的微乳燃料及其制备方法,秸秆油/水/柴油的微乳燃料重量份组成为:秸秆油5~20份,微乳剂15~30份,柴油50~80份;各组份混合搅拌溶解,得到浅黄色或深棕色微乳液,液滴平均粒径为90~120nm。本发明的秸秆液/水/柴油的微乳燃料是稳定的油包水型微乳液,有效热效率比纯柴油提高9.4%,节油率比纯柴油提高28.0%,而有害气体(CO、HC、NOX)排放均有下降。
Description
技术领域
本发明涉及一种秸秆油/水/柴油的微乳燃料及其制备方法,属化学技术领域。
背景技术
石油为工业的“血脉”,随着世界经济的发展,石油需求量不断增长。专家预言,根据现在石油勘探艰难,五十年后全世界石油资源枯竭。从上世纪九十年代以来,我国已成为石油进口国,每年进口原油6000万吨,并且每年以4%的速度增长。预计到2020年,我国石油每年进口量可能超过三亿吨,因此石油资源今后将成为制约我国经济发展的一个重要因素。目前如何充分利用有限资源及开发新能源,成为人们关注的焦点。
1、柴油掺水技术目前有两种形式:一是乳化柴油,另一种是微乳化柴油。
(1)乳化柴油:乳状液技术,在国外早在上世纪50年代开始,60年代用于烧锅炉燃料。该产品一般含水20%,加入4-6%乳化剂。在我国燃油掺水技术起步较晚,近十几年比较重视。在有关杂志上发表不少论文,同时获得燃油掺水乳化剂的许多专利。
这些乳化剂产品得到的柴油乳状液,外表看起来象牛奶状液体,属于热力学不稳定体系。稳定性1~2个月,限止它们的推广应用。
(2)微乳柴油
2002年,首先在美国加利福尼亚州硅谷的H2OIL公司,他们研制一种F2-21汽柴油掺水微乳剂,专利发明人是华人名叫宋世雄。
F2-21是一种淡黄色、透明、气味不大,有一定粘度的水溶液。把它加入汽柴油中,以直径为10-20纳米水滴均匀分散在其中,形成油包水(W/O)型的汽柴油微乳液,这种体系是透明的、热力学稳定体系。这项技术在美国、日本、意大利、新加坡等国推广,在环保和节油方面发挥了相当乐观的积极作用。
燃油微乳研究近几年在国内也有报道,早在1997年戴尔荣等报道柴油微乳剂完全是非离子表面活性剂组成(C12(EO)3+C12(EO)2和NP(EO)2TX-100等组成。同年范绮莲提出NP(EO)4和NP(EO)7两者质量比为3.2∶1,并加入正丁醇,而醇∶表面活性剂的摩尔比为0.35-1.45。2004年李铁臻,报道酸值为123.3KOH mg/g的有机酸盐,非离子表面活性剂和醇组成的柴油微乳剂配方。2006年李培志等,提出Tween80和Span80质量比为0.667的配方。由于微乳剂成本较高,仅仅限于发表论文也未能推广。
2、生物质裂解液化技术
在国外生物质的裂解液化技术起始于上世纪八十年代,大多集中在对于木材及其加工副产物的处理,例如由美国佐治亚技术研究院开发,以烟道气作为裂解载流气的技术;由加拿大Lavel大学用细砂粒为流化介质的技术;由意大利建立一个大裂解装置,流量为500kg/h;后来加拿大Waterloo大学裂解装置,其进料量达2t/h。
在我国由于森林资源贫乏,而集中农村秸秆类处理,从压块燃料,到发酵气化技术,逐渐也发展热裂解技术。
沈阳农业大学与荷兰(University of Twente)合作,引入了Twente大学开发的旋转锥式热解反应器,原料是用木屑进行热裂解。中国科学院冶金所、中国科技大学等单位就各种裂解装置也有论文发表,重庆大学、山东理工大学也先后试制各种各样热裂解置,参见CN1730178A一种生物质热解液化的工艺方法及其装置***、CN2578336A生物质液化装置,这些装置均能使秸秆高温裂解,并得到秸秆液,又称秸秆油。
3、秸秆油的组成
通过色质联用仪,对得到秸秆油进行分析,文献报道较多,但是其结果都比较相近,如表1所示:
表1秸秆油的组成
注:相对峰面积将TIC中的峰积分,以水的积分面积作为100%,其它成份的积分面积与之比后得到的值即为相对峰面积。
从上表得出下列结论:
(1)主要成份的量按序如下:乙醇(127.6);水(100);羟基丙酮(72.7);乙醛(63.2);呋喃(18.9)等。由于水份含量约为40%,产品不能直接作为燃料。
(2)在秸秆油中含有机酸、醛、酮等。分子中含氧量高。以上数据说明该产品若不处理还具有一定的腐蚀性,而且影响秸秆油的稳定性。
在上述情况下,本发明旨在将秸秆油、柴油和微乳剂形成混合燃料使用。
发明内容
针对现有技术的不足,本发明提供一种秸秆油/水/柴油的微乳燃料及其制备方法,具有环保、节能的特点。
本发明的技术方案如下:
一种秸秆油/水/柴油的微乳燃料,重量份组成为:
秸秆油5~20份,微乳剂15~30份,柴油50~80份。
所述的微乳剂组成为:天然羧酸盐3~6份、非离子表面活性剂1.5~2.2份、阳离子表面活性剂0~1份、助表面活性剂2~6份和特性助剂0.2~0.6份;水8~18份。
所述天然羧酸盐是按CN1069913C发明专利文件中有关天然混合羧酸盐的制备方法制得;
所述的非离子表面活性剂选自下列表面活性剂中的1-2种:
烷基醇聚氧乙烯醚(AEO9,AEO12),烷基酚聚氧乙烯醚(TX-10),月桂酸烷基醇酰胺(6501),聚氧乙烯失水山梨醇单油酸酯(Tween80),聚氧乙烯失水山梨醇单月桂酸酯(Tween20),失水山梨醇单油酸酯(Span 80),失水山梨醇单月桂酸酯(Span20);
所述的阳离子表面活性剂选自:十六烷基三甲基氯化铵(CTAC),二辛基二甲基氯化铵,十二烷基二甲基苄基氯化铵,烷基酰胺咪唑啉季铵盐。
所述的助表面活性剂选自下列之一种或两种:
正丙醇,正丁醇,正戊醇,正己醇,月桂酸,棕榈酸,油酸;
所述的特性助剂组成为燃烧促进剂、消烟剂和十六烷值改进剂按质量比为(1~2)∶(1~2)∶(1~4)的混合,其中:燃烧促进剂选自乳酸甲酯或环烷酸铵;消烟剂选自硬脂酸钠或十二烷基磺酸钙;十六烷值改进剂选自十二烷基硝酸酯,十四烷基硝酸酯,十六烷基硝酸酯或十二烷基苄基硝酸酯。
优选的,上述的柴油是0#柴油、-10#柴油或-20#柴油之一。
优选的,本发明中所用的水为去离子水。
优选的,所述的微乳剂组成为:天然羧酸盐3.0~5.0份、非离子表面活性剂1.5~2.2份、阳离子表面活性剂0.5~1.0份、助表面活性剂2.0~4.0份和特性助剂0.2~0.6份,水8.0~12.0份。
本发明所用的秸秆油是背景技术中记载的现有技术。可市场购得,也可按现有技术制备。
一种秸秆油/水/柴油的微乳化燃料的制备方法,步骤如下:
(1)称取天然羧酸盐、非离子表面活性剂、阳离子表面活性剂、助表面活性剂和特性助剂加入到水中,搅拌溶解得微乳剂。
(2)现将步骤(1)制得微乳剂,按质量比秸秆油∶微乳剂∶柴油=(5~20)∶(15~30)∶(50~80),混合搅拌溶解,得到浅黄色或深棕色微乳液,产品颜色主要决定柴油本身的色泽。
由于秸秆油和微乳剂均含有水份,因此无需外加水。
本发明制备的秸秆油/水/柴油的微乳燃料是一种混合油的微乳液,属于油包水型微乳液(W/O型),用动态激光散射仪(BI-300SM Brookhaven Instruments Corporation)测定W/O型混合油微乳液液滴的尺寸,其平均粒径为90~120nm。
本发明的技术特点如下:
1、本发明的秸秆油/水/柴油体系的微乳剂是以天然羧酸盐为主要活性剂,其原料是再生的,主要以油脂下脚料得到具有成本低的特点。
2、本发明微乳剂以天然羧酸盐为主要表面活性剂,通过表面活性剂相互作用参数βm的测定,筛选复配高效的非表面活性剂和阳离子表面活性剂。为此得到用量低、乳化效果高的柴油微乳剂。而非表面活性剂和阳离子表面活性剂在市场上可购得。
3、本发明制备的秸秆液/水/柴油的微乳燃料是稳定的,有效热效率比纯柴油提高9.4%,节油率比纯柴油提高28.0%,而有害气体(CO、HC、NOX)排放均有下降。
4、以天然羧酸盐为主剂制备微乳剂和秸秆油/水/柴油微乳燃料,迄今为止未见报道。
具体实施方式
下面将通过实施例更详细阐述本发明,但不限于此。实施例中所用秸秆油的含水率40%wt。
实施例1:秸秆油/水/柴油的微乳燃料的制备,使用-10#柴油,
称取大然羧酸盐23.3g,去离子水36.4g,阳离子表面活性剂十六烷基三甲氯化铵4.2g;非离子表面活性剂AEO9 8.5g和AEO12 8.1g;助表面活性剂正丁醇14.6;环烷酸铵(燃烧促进剂)1.4g;十二烷基磺酸钙(消烟剂)1.3g;十六烷基硝酸酯(十六烷值改进剂)2.2g。
将上述原料按顺序加入烧杯中,搅拌均匀,溶解为止。得微乳剂水溶液,备用。
按重量份,将秸秆油10份、微乳剂水溶液20份与-10#柴油70份混合搅拌均匀,得到透明浅黄色或棕色稳定的秸秆油/水/柴油的微乳燃料,含水量11%,微乳燃料制备过程中不需外加水。
实施例2:秸秆油/水/柴油的微乳化燃料的制备,使用0#柴油。
称天然羧酸盐27.3g;去离子水34.8g;二辛基二甲基氯化铵5.1g;AEO9 8.5g;TX-105.5g;油酸5.8g;月桂酸8.5g;乳酸甲酯1.3g(燃烧促进剂);硬脂酸钠1.4g(消烟剂);十二烷基硝酸酯1.8g(十六烷值改进剂),上述组份按顺序加入烧杯中,搅拌均匀,溶解为止。得微乳剂水溶液,备用。
按重量份,将秸秆油10份、微乳剂水溶液20份与-10#柴油70份混合搅拌均匀,得到透明浅黄色或棕色稳定的秸秆油/水/柴油的微乳燃料,微乳燃料制备过程中不需外加水。
以下是以实施例1为例进行的相关性能试验结果:
1、应用动态光散射仪BI-300SM Brookhaven Instruments Corporation)测定W/O型柴油微乳液液滴,平均粒径为90~120nm。
2、热值测定
采用目标(GB384-81)的氧弹法烧然测定燃料为低热值,得纯-10#柴油46.5MT/kg;实施例1的秸秆油-柴油微乳燃料为43.21MT/kg
从结果看出,单位质量微乳燃料热值比纯柴油低,这是由于本发明微乳燃料中的水汽化时,需要消耗-定热量。
3、燃烧负荷台架试验:
使用单缸HS115节能型柴油机,在2200r/min负荷下测不同功率时柴油节油率。秸秆油-柴油微乳燃料燃烧评价参数:
1)节油率
式中b-柴油机燃用纯柴油的燃料消耗率g/kwh,
b’-柴油机燃用秸秆油-柴油微乳燃料消耗率g/kwh,即乳化燃料消耗率乘以乳化燃料中含柴油百分比,g/kwh。
2)有效热效率的变化率:
式中b-燃料消耗率,g/kwh,
Hu-燃料低热值,MJ/kg。
4、不同工况时有效热效率变化情况,如表2所示;
表2
由上表数据可知,秸秆油-柴油微乳燃料有效热效率平均提高9.4%;而一般微乳化柴油提高3-5%。这表明微乳燃料的添加剂有助于燃油的充分燃烧。
5、排放特性测试
当发动机转速2200r/min时,不同工况时,实施例1秸秆油-柴油微乳燃料和纯柴油相比NOx、CO、HC均有所下降,实验数据如表3所示:
表3
Claims (4)
1、一种秸秆油/水/柴油的微乳燃料,其特征在于重量份组成为:
秸秆油5~20份,微乳剂15~30份,柴油50~80份;
所述的微乳剂组成为:天然羧酸盐3~6份、非离子表面活性剂1.5~2.2份、阳离子表面活性剂0~1份、助表面活性剂2~6份和特性助剂0.2~0.6份;水8~18份;
所述的非离子表面活性剂选自下列表面活性剂中的1-2种:
烷基醇聚氧乙烯醚,烷基酚聚氧乙烯醚,月桂酸烷基醇酰胺,聚氧乙烯失水山梨醇单油酸酯,聚氧乙烯失水山梨醇单月桂酸酯,失水山梨醇单油酸酯,失水山梨醇单月桂酸酯;
所述的阳离子表面活性剂选自:十六烷基三甲基氯化铵、二辛基二甲基氯化铵、十二烷基二甲基苄基氯化铵或烷基酰胺咪唑啉季铵盐;
所述的助表面活性剂选自下列之一种或两种:
正丙醇,正丁醇,正戊醇,正己醇,月桂酸,棕榈酸,油酸;
所述的特性助剂组成为燃烧促进剂、消烟剂和十六烷值改进剂按质量比为低热值其中:燃烧促进剂选自乳酸甲酯或环烷酸铵;消烟剂选自硬脂酸钠或十二烷基磺酸钙;十六烷值改进剂选自十二烷基硝酸酯,十四烷基硝酸酯,十六烷基硝酸酯或十二烷基苄基硝酸酯。
2、如权利要求1所述的秸秆油/水/柴油的微乳化燃料,其特征在于所述柴油是0#柴油、-10#柴油或-20#柴油之一。
3、如权利要求1所述的秸秆油/水/柴油的微乳化燃料,其特征在于所述的微乳剂组成为:天然羧酸盐3~5份、非离子表面活性剂1.5~2.2份、阳离子表面活性剂0.5~1份、助表面活性剂2~4份和特性助剂0.2~0.6份,水8~12份。
4、一种权利要求1所述的秸秆油/水/柴油的微乳化燃料的制备方法,步骤如下:
(1)称取天然羧酸盐、非离子表面活性剂、阳离子表面活性剂、助表面活性剂和特性助剂加入到水中,搅拌溶解得微乳剂;
(2)将步骤(1)制得微乳剂,按质量比秸秆油∶微乳剂∶柴油=(5~20)∶(15~30)∶(50~80),混合搅拌溶解,得到浅黄色或深棕色微乳液,液滴平均粒径为90~120nm。
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