CN106190352B - 一种木质纤维素基γ戊内酯‑柴油调和燃料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于生物质能技术领域，特别涉及一种木质纤维素基γ戊内酯‑柴油调和燃料及其制备方法。所述调和燃料的体积百分比组成为：0#柴油70.9‑92.6%、γ戊内酯4.6‑14.2%、正丁醇2.8‑14.9%。本发明配制的以γ戊内酯为核心的系列调和燃料，其理化特性和动力性能良好，其在柴油机中燃烧生成的一氧化碳、碳烟、未完全燃烧碳氢等污染物排放比燃烧同热值柴油有明显降低，可用于柴油发动机，实现节能减排。
Description
技术领域
本发明属于生物质能技术领域，特别涉及一种木质纤维素基γ戊内酯-柴油调和燃料及其制备方法。
背景技术
生物质液体燃料技术是生物质能转化利用技术中最重要的部分之一，合理地发展生物质液体燃料产业不仅对增强我国石油安全具有重要战略意义，而且对于缓解我国能源和资源压力、减轻生态环境污染和发展社会经济等具有现实意义。随着我国经济社会的快速发展，我国石油进口量逐年攀升，2014年和2015年我国进口原油分别为3.10和3.28亿吨，对外依存分别为59.6％和60.6％，远远超过了国际石油安全的警戒线(依存度50％)，供需矛盾突出，严重威胁我国的石油供应安全。因此，开发具有巨大资源潜力的生物质能源，并高效生产生物质液体燃料，可以提升可再生能源在能源中的比值，减轻对国内石油的开采，降低对进口能源的依赖，从而有效改善我国的能源结构，保障我国能源安全。
目前，我国生物质液体燃料的生产能力远低于预期目标，其根本原因是缺乏高效的转化技术，特别是能源消耗和环境排放关键技术的研发力度不够。因此，有必要立足我国的资源现状，开发出生物质液体燃料制备和利用的新技术和新工艺，大幅度提升我国生物质炼制技术水平，提高效率、减低排放，为生物质能源产业发展提供可靠的技术保障。
木质纤维素生物质是目前地球上最丰富、最廉价的生物质资源，可来自生物质能原料中的农林剩余物、纤维素生物质等，全世界每年产生约1000亿吨，巨大的资源量为液体燃料的转化提供了基础。农林剩余物为木质纤维素生物质的最重要组成部分，我国每年可作能源利用的农林剩余物7亿吨以上，折合约3.5亿吨标准煤，是一笔巨大的可再生资源。木质纤维素生物质转化为液体燃料用于柴油机替代燃料是重要的发展方向。
近年来，γ戊内酯(GVL)被认为是一种具有广泛潜在应用前景的平台化合物，并越来越受到研究者们的重视。GVL可由乙酰丙酸(LA)加氢催化获得，生物质在水解条件下可生成LA。GVL是一种无毒、可生物降解、性质稳定安全便于大量储存的化合物。以GVL为原料能转化制备多种高附加值的化学品和绿色的溶剂；和乙醇相比，GVL具有更高的沸点(206-207℃)、闪点(96℃)及低挥发性和高热值，因此GVL更适合用作汽柴油增氧剂和添加剂，而且以GVL为原料还能合成炼制各种符合汽油、柴油和航空煤油要求的液体燃料。
近年来，国外对丁醇作为汽柴油替代燃料有一些研究，Karabektas等对丁醇与柴油混合燃料在柴油机试验中的动力性、经济性、排放性进行了分析，添加丁醇比例为5、10、15、20％Vol，结果显示添加10％比例的丁醇混合动力性下降不明显，添加15％、20％比例的异丁醇动力性有所下降；Chen等对添加20％、30％、40％Vol比例的正丁醇柴油进行了动力性、经济性、排放性分析，结果表明，正丁醇能够使燃油消耗率和燃烧效率同时提高；在低负荷条件下，随着丁醇含量的增大，CO明显升高而NOx下降，在高负荷条件下，CO明显下降而NOx升高。所有负荷下，碳烟均有明显的下降，随着正丁醇比例的增加，碳烟下降愈加明显。
试验表明，正丁醇柴油混合燃料在柴油机中进行燃烧起到减排污染气体的作用，但正丁醇闪点低，运输和储存不安全。木质纤维素基GVL具有闪点高、理化性能好等优点，但GVL与柴油的混合燃料容易分层，且GVL粘度过低，导致柴油机的启动不易。由于木质纤维素基GVL是一种新的液体燃料，在国内外都没有详细的对其在内燃机上燃烧及排放性能进行研究，国内对其在柴油机上燃烧及排放性能的研究和应用几乎为空白。目前，还没有查到以GVL为核心，并添加正丁醇的柴油调和燃料配方。
发明内容
本发明的目的是提供一种木质纤维素基γ戊内酯-柴油调和燃料及其制备方法，充分利用生物质能，对木质纤维素基GVL进行利用，将其加入柴油中制备调和燃料，获得具有良好理化特性和动力性能的调和燃料。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：
一种木质纤维素基γ戊内酯-柴油调和燃料，所述调和燃料的体积百分组成如下：
0#柴油70.9-92.6％、γ戊内酯4.6-14.2％、正丁醇2.8-14.9％。
优选的，所述调和燃料的体积百分组成如下：0#柴油92.6％、γ戊内酯4.6％、正丁醇2.8％。
或者，所述调和燃料的体积百分组成如下：0#柴油87.0％、γ戊内酯7.0％、正丁醇6.0％。
或者，所述调和燃料的体积百分组成如下：0#柴油77.0％、γ戊内酯11.5％、正丁醇11.5％。
或者，所述调和燃料的体积百分组成如下：0#柴油70.9％、γ戊内酯14.2％、正丁醇14.9％。
本发明还提供了一种优选的上述柴油调和燃料的制备方法，取100体积份的柴油，首先添加5-20体积份的γ戊内酯，然后加入3-21体积份的正丁醇，混合均匀。
其中，加入正丁醇时缓缓添加，基本控制在不大于0.1体积份/s，且添加正丁醇的过程中均匀搅拌柴油、γ戊内酯，最后使得三种物质均匀稳定混合。
γ戊内酯与柴油的混合燃料容易分层，故在制备添加有γ戊内酯的柴油混合燃料时，发明人发现，上述控制混合顺序以及混合速率的操作可以获得均匀混合的三种物质的调和柴油。
本发明配制的以γ戊内酯为核心的系列调和燃料，不会分层，且其理化特性和动力性能良好，其在柴油机中燃烧生成的一氧化碳、碳烟、未完全燃烧碳氢等污染物排放比燃烧同热值柴油有明显降低，可用于柴油发动机，实现节能减排。
具体表现在以下几方面：
(1)在密度、运动黏度、闪点、水含量、铜片腐蚀、十六烷值、50％回收温度、90％回收温度、95％回收温度、热值等方面理化特性良好；
(2)同等热值的调和燃料在柴油机中的效率比柴油高，经济性具有一定的优势；
(3)相比纯柴油，调和燃料降低碳烟下降幅度较大，未完全燃烧碳氢和一氧化碳等排放均有不同情况下降。
具体特性表现如表1、表3所示。
本发明相对于现有技术，有以下优点：
本发明配制的木质纤维素基γ戊内酯-柴油调和燃料，其理化特性和动力性能良好，其在柴油机中燃烧的碳烟、一氧化碳、未完全燃烧碳氢等污染物排放比燃烧柴油有明显降低，可用于车用柴油发动机，实现节能减排。
具体实施方式
以下以具体实施例来说明本发明的技术方案，但本发明的保护范围不限于此：
实施例1
一种木质纤维素基γ戊内酯-柴油调和燃料，其体积百分比组成为：0#柴油92.6％、γ戊内酯4.6％、正丁醇2.8％。
制备方法如下：取100体积(如100体积为1000mL，则1体积为10mL)的柴油，首先添加5体积的γ戊内酯，然后缓缓添加正丁醇，添加正丁醇的过程中均匀搅拌柴油、γ戊内酯和正丁醇，最后使得三种物质均匀稳定混合，此时正丁醇对应添加为3体积。
实施例2
一种木质纤维素基γ戊内酯-柴油调和燃料，其体积百分比组成为：0#柴油87.0％、γ戊内酯7.0％、正丁醇6.0％。
制备方法如下：取100体积的柴油，首先添加8体积的γ戊内酯，然后缓缓添加正丁醇，添加正丁醇的过程中均匀搅拌柴油、γ戊内酯和正丁醇，最后使得三种物质均匀稳定混合，此时正丁醇对应添加为7体积。
实施例3
一种木质纤维素基γ戊内酯-柴油调和燃料，其体积百分比组成为：0#柴油77.0％、γ戊内酯11.5％、正丁醇11.5％。
制备方法如下：取100体积的柴油，首先添加15体积的γ戊内酯，然后缓缓添加正丁醇，添加正丁醇的过程中均匀搅拌柴油、γ戊内酯和正丁醇，最后使得三种物质均匀稳定混合，此时正丁醇对应添加为15体积。
实施例4
一种木质纤维素基γ戊内酯-柴油调和燃料，其体积百分比组成为：0#柴油70.9％、γ戊内酯14.2％、正丁醇14.9％。
制备方法如下：取100体积的柴油，首先添加20体积的γ戊内酯，然后缓缓添加正丁醇，添加正丁醇的过程中均匀搅拌柴油、γ戊内酯和正丁醇，最后使得三种物质均匀稳定混合，此时正丁醇对应添加为21体积。
对实施例1-4制得的木质纤维素基γ戊内酯-柴油调和燃料进行互溶性、理化特性的测定和动力、经济和排放性的测定。
将实施例1-4配制的调和燃料分别密封于蓝盖瓶中，分别在4℃、10℃、15℃、20℃、25℃、30℃下放置一个月，结果显示均无分层和浑浊现象。
表1为实施例1-4获得的木质纤维素基γ戊内酯-柴油调和燃料的理化特性。
表1
对调和燃料的动力、经济、排放性进行验证，采用L22型柴油发动机进行，发动机的主要技术参数详见表2。
表2
| 项目 | 参数 |
| 类型 | 水平、单缸、四冲程 |
| 燃烧室*** | 直喷式 |
| 缸径/mm | 110 |
| 行程/mm | 120 |
| 活塞排量/L | 1.1403 |
| 压缩比 | 17:1 |
| 额定功率/kW | 15.5(2200rpm) |
| 最大扭矩/Nm | ≥75.4(≤1760rpm) |
| 最大转速/r·min-1 | 2200 |
| 冷却方式 | 水冷 |
| 润滑方式 | 压力飞溅混合式 |
单独燃用柴油与燃用γ戊内酯调和燃料相比，其外特性的动力性变化趋势相同，即当转速由低速逐渐上升时，扭矩有所增加，当转速达到1600r/min左右时扭矩将达到最大值，之后扭矩随转速升高而下降。这是由于柴油机转矩变化很大程度取决于每循环供油量，每循环供油量是随着转速的提高而增大的，但当转速过高时，过量空气系数下降，加上燃烧过程经历时间缩短，混合气形成条件恶化，不完全燃烧程度加剧，进而使得扭矩略有下降，但不是十分明显。发动机燃柴油比燃用调和燃料的扭矩要大，而且燃用各掺混比的调和燃料时，其扭矩随柴油中掺混γ戊内酯、正丁醇比例的增大而减小，但由于掺混比例不大，降幅较小(最大降幅为12％)，仍然能够在柴油发动机上正常使用。
以发动机转速为1200r/min时为例测试得到调和燃料的经济、排放性数据如表3所示：
表3
| 实施例1 | 实施例2 | 实施例3 | 实施例4 | 纯柴油 | |
| 油耗率/g·kWh-1 | 226.5 | 230.8 | 245.3 | 251.6 | 218.8 |
| 未完全燃烧的碳氢化合物排放/10-6Vol | 86 | 80 | 81 | 78 | 88 |
| 氮氧化物排放/10-6Vol | 821 | 820 | 810 | 802 | 838 |
| 一氧化碳排放/10-2Vol | 0.62 | 0.58 | 0.52 | 0.46 | 0.68 |
| 二氧化碳排放/10-2Vol | 8.2 | 7.8 | 7.6 | 7.2 | 9.6 |
| 碳烟/m-1 | 0.523 | 0.482 | 0.432 | 0.386 | 0.614 |
可见，使用实施例1-4所得的调和燃料比使用纯柴油的柴油机油耗率有所上升，最大升幅16％；未完全燃烧的碳氢化合物排放略有下降，氮氧化物、一氧化碳、二氧化碳、碳烟均有明显下降，其中碳烟下降最为明显，幅度可达37％以上。本发明的调和燃料具有明显的环境效益。
上述实施例为本发明优选的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明所作的改变均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种木质纤维素基γ戊内酯-柴油调和燃料，其特征在于，所述调和燃料的体积百分组成如下：
0#柴油70.9-92.6%、γ戊内酯4.6-14.2%、正丁醇2.8-14.9%；所述调和燃料通过下法获得：取100体积份的柴油，首先添加5-20体积份的γ戊内酯，然后加入3-21体积份的正丁醇，混合均匀，其中在加入正丁醇时缓缓添加，控制在不大于0.1体积份/s，且在添加正丁醇的过程中均匀搅拌柴油、γ戊内酯，最后使得三种物质均匀稳定混合。
2.如权利要求1所述的柴油调和燃料，其特征在于，所述调和燃料的体积百分组成如下：0#柴油92.6%、γ戊内酯4.6%、正丁醇2.8%。
3.如权利要求1所述的柴油调和燃料，其特征在于，所述调和燃料的体积百分组成如下：0#柴油87.0%、γ戊内酯7.0%、正丁醇6.0%。
4.如权利要求1所述的柴油调和燃料，其特征在于，所述调和燃料的体积百分组成如下：0#柴油77.0%、γ戊内酯11.5%、正丁醇11.5%。
5.如权利要求1所述的柴油调和燃料，其特征在于，所述调和燃料的体积百分组成如下：0#柴油70.9%、γ戊内酯14.2%、正丁醇14.9%。
6.权利要求1-5任一所述木质纤维素基γ戊内酯-柴油调和燃料的制备方法，其特征在于，取100体积份的柴油，首先添加5-20体积份的γ戊内酯，然后加入3-21体积份的正丁醇，混合均匀，其中在加入正丁醇时，控制正丁醇的添加速率为不大于0.1体积份/s，且添加正丁醇的过程中均匀搅拌柴油、γ戊内酯，最后使得三种物质均匀稳定混合。
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