生物柴油反应器研究

生物柴油反应器研究（共10篇）

生物柴油反应器研究 篇1

摘要：生物柴油以其环境友好性和可再生性成为近年来国内外研究的热点。目前, 高生产成本是制约生物柴油发展的主要因素, 研究开发高效节能的生物柴油反应器是降低高生产成本的重要途径。本文综述了用于生物柴油制备的反应器, 如管式反应器、固定床反应器、膜反应器、微通道反应器等, 并对反应器的应用前景作了评述和展望。

关键词：生物柴油,反应器,酯交换

生物柴油是利用动植物油脂与甲醇或乙醇等短链醇进行酯交换制备的脂肪酸酯。目前工业化生产生物柴油的主要方法是化学催化法，反应是在搅拌式反应釜中进行，该过程装置简单，传质能满足一般性要求，但是存在反应时间长、原料消耗大、搅拌设备耗能大、需多次酯交换以提高转化率等问题。该方法从反应体系来看，油脂和甲醇为不相容体系，传质阻力大，反应受到限制。从热力学上看，油脂和甲醇的酯交换反应为可逆反应，限制了反应进行的程度。为提高油脂的转化率，甲醇必须过量，造成产物难分离，甲醇回收成本高。研究者从强化油脂和甲醇的相容性和打破酯交换反应的热力学平衡两个思路出发，将一些传统反应器和一些研发的新型反应器应用于生物柴油的制备，取得了良好的效果。本文综述了在生物柴油制备过程中文献报道的反应器。

1 传统反应器

1.1 管式反应器

管式反应器是化工生产过程中很常见的设备，又称活塞流或平推流反应器，物料由反应器的一端流入，一边流动一边反应，当从一端流出时已达到一定的转化率，物料在反应器内流动时没有返混现象，反应速度快，过程连续稳定，容易实现自动控制。目前已有不少人将此类反应器应用到生物柴油的制备过程中。

吕鹏梅等人用自行设计的活塞流反应器(15mm×60 000mm)，以菜籽油和甲醇为原料，以KOH催化酯交换反应制备生物柴油，试验得到的优化条件为：催化剂用量为油质量的1.2%，物料在反应器中滞留时间约为17min，床层温度65℃，醇/油摩尔比6∶1，在此条件下，脂肪酸甲酯产率达到96.33%。物料在管式反应器内的滞留时间影响甲酯产率，延长滞留时间，能提高转化率，但延长时间导致流速变慢，出现油和甲醇分层流动，反应物混合不均匀，也会导致生物柴油产率降低。针对这一问题，Harvey等人在管式反应器的基础上加上振荡设备，开发出了振荡流反应器，振荡流反应器通过调节振荡频率来调节反应物在反应器内的流动状态，获得了很好的传质、传热效果。在甲醇菜籽油摩尔比为1.5∶1、催化剂为NaOH (32.4g/L甲醇)、60℃下反应30min，甲酯收率即达99%;反应40min，甲酯收率可进一步提高到99.5%。由于管式反应器耐高温高压，加工制造方便，经常被用到超临界甲醇制备生物柴油工艺中。He在管式反应器中采用超临界法制备生物柴油，反应时间大大缩短，而且在多数情况下不采用催化剂，减少了粗产品精制过程中的污染问题。另外，反应在逐渐升温过程中进行，有效降低了不饱和脂肪酸在高温下发生的副反应，提高了生物柴油的产率。

1.2 固定床反应器

固定床反应器是流体通过不动的固体物料形成的床层面而进行反应的设备，其反应速度较快，催化剂不易磨损，可以较长时间连续使用。近年来固定床反应器在生物柴油领域也得到了广泛的应用。Siti等人采用固定床反应器，开发了一种以脂肪酶催化连续生产生物柴油的工艺。试验以固定化脂肪酶Novozyme435催化废棕榈油与甲醇进行酯交换反应，叔丁醇为助溶剂(与原料油1∶1体积比)，在醇/油摩尔比4∶1，反应温度40℃，反应3h条件下，用响应面法对床层高度和物料流量进行优化得到床层高10.53cm，物料流量0.57mL/min，此时脂肪酸甲酯的产率为79%。Yingming Chen等人设计的三级固定床反应器，以废食用油脂为原料，采用固定化假丝酵母脂肪酶为催化剂，采用分级流加甲醇的方式，每级醇/油摩尔比为1∶1，反应液流量为1.2mL/min，反应温度45℃，在此条件下，反应产物中甲酯质量分数可达到91.08%。张冠杰采用滴流床反应器进行生物柴油的制备，结果表明：在36cm的床层中，反应温度65℃，醇/油摩尔比为6∶1, NaOH为催化剂，单程生物柴油收率达95.3%，经成本核算，采用滴流床反应器生产工艺比间歇搅拌釜工艺增加22%的税利。

固定床反应器在生物柴油生产中展示优越性的同时，也有一定的缺点：催化剂载体导热性不良，液体流速受压降限制又不能太大，则造成床层中传热性能较差，也给温度控制带来困难;不能使用细粒催化剂，否则流体阻力增大，破坏了正常操作，所以催化剂的活性内表面得不到充分利用。另外，催化剂的再生、更换也不方便。

2 新型反应器

2.1 膜反应器

油脂和甲醇的酯交换反应是可逆反应，若能及时地分离出反应产物，在一定程度上可推动反应向生成产物的方向移动，提高反应速率和转化率。研究人员开发的膜反应器能满足这一要求。Dube等人采用内、外径分别为6mm和8mm、膜孔径为0.05μm、长度为1 200mm的多孔碳膜构建的膜反应器，以芥花籽油为原料制备生物柴油。试验中，醇/油摩尔比为2∶1，反应温度65℃，以(油质量的2%)浓硫酸作催化剂。结果表明：转化率随物料流速的增大而增大，当流速为6.1mL/min，转化率达到64%。以1%的NaOH为催化剂，流速为2.5mL/min，转化率就已达到95%。徐志康等人用超细纤维复合膜装填于内外双圆筒形模具中，形成膜反应器件，再将活化剂溶液、脂肪酶溶液采用错流过滤的方式依次注入膜反应器中，使脂肪酶化学固定于超细纤维膜表面，得到固定有脂肪酶的酶膜反应器，并用该反应器制备生物柴油。将动植物油脂混合溶液和甲醇分别注入超细纤维复合膜的内侧和外侧，甲醇不断渗透进入内侧，在内侧膜表面经固定化酶催化，与动植物油脂发生醇解反应，反应生成的甘油透过膜进入酶膜外侧。由于渗透过来的甲醇浓度较低，消除了传统工艺中甲醇对脂肪酶活性的抑制作用，提高了固定化酶的催化效率，并且同步实现了反应催化和产物分离，简化了工艺，提高了生产效率。三级该酶膜反应器串联制得的生物柴油甲酯含量在99.5%以上。

2.2 反应蒸馏反应器

反应蒸馏反应器是将反应过程和蒸馏过程耦合在一起，在反应的同时蒸溜分离反应产物。既简化了工艺又破坏了化学反应平衡，使反应向生成产物的方向移动，提高了产率。

He将反应蒸馏反应器引入生物柴油的制备中，原料油脂从顶部进入，与塔底再沸器产生的甲醇蒸汽充分接触，局部达到很高的醇油比;每个塔板可看作一个微型反应器，提高了反应进行的程度。甲醇蒸气在塔顶冷凝器冷凝，回流进入反应系统;再沸器将产物中的甲醇蒸出，亦进入反应系统重复利用，大大降低了甲醇用量。在反应温度65℃，醇/油摩尔比4∶1的条件下，反应3min，生物柴油的产率可达94.4%。生产能力可达6.6m3/(m3·h)，比目前其他反应器高6～10倍，而反应时间缩短到其他反应器的1/30～1/20。王金福利用反应分离耦合技术，通过低沸点的低碳醇的大量循环，将酯交换反应的产物脂肪酸酯和甘油从反应体系中分离出来，采用该工艺降低了反应体系产物的浓度，加快了反应速率，提高了设备的生产能力，从而有效地降低了生物柴油的生产成本。

2.3 静态混合反应器

霍稳周利用静止混合元件设计的静态混合反应器，物料在反应器内不断改变流动方向，可形成良好的径向混合效果，将此反应器应用于生物柴油的生产，极大地强化了微观混合和微观传质，在不使用催化剂或使用极小量的催化剂、甲醇/棉籽油摩尔比为15∶1、循环物料速率为进料量的95%、反应温度130℃、压力0.8MPa的条件下进行酯交换反应1h后，测得脂肪酸甘油三酸酯转化率为100%，脂肪酸酯相中甲酯的质量分数为94.8%。

2.4 水力空化反应器

水力空化原理是流体经过一个收缩装置(几何孔板、文丘里管)时会产生压降，当压力降至液体的饱和蒸汽压，甚至负压时，流体气化而产生大量汽泡;汽泡在随流体进一步流动的过程中，遇到周围流体压力的恢复，体积将急剧缩小直至溃灭。在此过程中，产生高温高压，并使流体强烈湍动，不相容的甲醇和油脂达到迅速乳化，同时由于大量汽泡的产生，极大地提高了两相的接触面积，加快了反应速率。计建炳采用水力空化反应器优化生物柴油的生产，在醇/油摩尔比为6∶1、反应温度50℃、催化剂为1%的NaOH条件下，反应时间比传统反应器缩短1/2～1/3, 20min油脂酯交换转化率高达99%。但在水力空化反应器中，由于空化作用产生的乳化效果，增加了产物分离的难度。

2.5 其他反应器

随着微加工和精密加工技术制造的兴起，制造出了一种微通道反应器，通道尺寸从亚微米到亚毫米。因其优异的传质和传热性能，也被应用于制备生物柴油。反应速率比常规反应器快10～100倍。张利雄等人将8.007g菜籽油和含有0.049g氢氧化钾的0.819g甲醇混合后，通过恒流泵将混合物注入到内径0.25mm的石英微通道反应器中，控制反应的温度为60℃，停留时间为5.3min，反应得到的菜籽油甲酯为98.8%。该过程连续，停留时间短，具有较高的甲酯收率。微反应器生产装置简单，易拆装，便于携带和移动;其操作简单，且没有工业生产上普遍存在的“放大效应”，根据原料供应状况和生物柴油需求量，通过简单增减反应通道数量就可以方便地调节产量。

闻建平设计的环流反应器，在内部设置有导流筒和气液固三相分离器，能有效增加其局部的高径比，以消除反应器内的死区，提高传质和反应效率。反应器外部设置有外循环回路。空化喷嘴可使甲醇和油脂迅速乳化，增加两相接触面积，强化酯交换过程。同条件下和搅拌釜反应器相比，反应时间可缩短10%。

Yi-Hung Chen等人开发的旋转填料床生物柴油反应器，由旋转的床层和外筒组成，床层是用直径为0.022cm的304不锈钢丝做成的环形填料堆成的圆筒，内径1.15cm，外径6.35cm，能以150～1 500r/min的转速转动，基于床层圆筒平均半径，可产生0.94～94g (g为重力加速度)的离心加速度。大豆油和甲醇通过液体分布器进入反应器的床层内侧，在离心力作用下，通过床层进行酯交换反应。经过优化得到最佳条件：油流量271mL/min、甲醇流量69mL/min、醇/油摩尔比6∶1、反应时间0.72min、床层转速900r/min、反应温度60℃、催化剂为油质量的3%，脂肪酸甲酯的产率为97.3%，生产能力为0.828mol/min。旋转填料床反应器因其能产生强大的离心力，用于气-液体系能获得良好的传质和微观混合效果。与其他连续式生物柴油反应器相比，在较短的反应时间内能获得较高的转化率和生产能力。

3 结束语

目前，生产成本高仍是制约生物柴油推广的关键因素。采用廉价原料能有效降低生物柴油生产成本。研究开发高效，节能的生物柴油反应器也是降低生产成本的有效途径。研究者将传统的管式反应器和固定床反应器用于生物柴油的制备过程中，这些反应器展示出优越性的同时，也暴露了一些缺点。管式反应器酯交换过程连续稳定，容易实现自动化控制，反应速度快，但反应器内油脂和甲醇的混合不充分，影响了传质，若使用超临界的甲醇参与反应，解决了油脂和甲醇不相容的问题，但反应消耗甲醇量大，高温高压操作环境对反应器材料提出较高的要求。固定床反应器用于非均相催化制备生物柴油过程，简化了后续分离工艺，减少了环境污染物排放，但催化剂载体往往导热性较差，给温度控制带来困难，催化剂的再生、更换也不方便。相对于传统的反应器，研究者开发的新型反应器优点突出。如上文所述的应用反应分离耦合技术，将反应过程和分离过程结合起来的膜反应器和反应蒸馏反应器，简化了生物柴油制备工艺流程，反应的同时及时地分离了反应产物，打破了酯交换反应平衡，提高了油脂转化率，有效地降低了成本。振荡流反应器、静态混合反应器、水力空化反应器，强化了油脂和甲醇混合效果，很好地解决了动植物油和甲醇体系的不相容性，从而提高了反应效率。

新型反应器性能优异，但实现工业化生产应用还需要进一步研究。由于生物柴油的原料油种类较多，原料不同采用的生产工艺差别较大，因此反应器的选择也要因地制宜，综合考虑多方面因素，以期最大限度地降低生产成本。

生物柴油反应器研究 篇2

序批式生物膜反应器的生物膜特性研究

摘要：通过扫描电镜对具有除磷功能的序批式生物膜反应器中生物膜的形态结构进行了观察,并考察了容积负荷、曝气量和厌氧循环水量对生物膜量的.影响.结果发现,生物膜主要由微生物及其胞外多聚物组成,大量的微生物及其胞外多聚物相互连结,形成稳定的缠结结构.平均每片填料上附着的生物膜质量为4.088 g,挥发性生物膜质量与生物膜干质量的比值为0.861,表明活性生物量较高.填料上的生物膜量主要受曝气量和厌氧循环水量的影响,而容积负荷对填料上的生物膜量基本没有影响.作 者：张朝升 荣宏伟 张可方 ZHANG Chao-sheng RONG Hong-wei ZHANG Ke-fang 作者单位：广州大学,土木工程学院,广东,广州,510006期 刊：中国给水排水 ISTICPKU Journal：CHINA WATER & WASTEWATER年，卷(期)：,23(1)分类号：X703.1关键词：生物除磷 生物膜 微生物 生物膜量

生物柴油反应器研究 篇3

摘 要：目的：研究生物反应器培养人二倍体MRC-5细胞，并用来制备水痘疫苗的可行性。方法： 将MRC-5细胞接种1L生物反应器，使用GE公司Cytodex 1 微载体，浓度为：3g/L，工作体积300ml，待细胞长满单层后接种水痘病毒，当细胞病变约达75%以上时结束培养，收获细胞培养物及培养液，-80℃快速冻融一次，过滤除去微载体及细胞碎片，收获病毒悬液，测定水痘病毒滴度。结果： 细胞接种反应器后，大约3小时贴壁完成，5小时后开始伸展为长梭形，3天后细胞长成致密单层，接种水痘病毒后大约48小时病变，72小时收获。收获后的病毒滴度检测结果为120，000 PFU/mL。结论 ：二倍体细胞可以在生物反应器中正常生长，并且接种水痘病毒后产生病变，本试验证明了应用生物反应器动态培养二倍体细胞扩增水痘病毒，生产水痘疫苗的方法可行。

关键词：水痘；疫苗；生物反应器

中图分类号： Q-3.2 文献标识码： A 文章编号： 1673-1069（2016）15-195-2

0 引言

目前针对水痘和带状疱疹还没有有效的治疗方法，接种疫苗是预防水痘感染的唯一有效手段[1-2]。国外生产水痘疫苗采用细胞工厂工艺进行疫苗制造[3-4]，而国内生产水痘疫苗仍然采用传统的克氏瓶或转瓶工艺进行疫苗生产[5-6]。转瓶培养具有劳动强度大，占地空间大，单位体积提供细胞生长的表面积小，细胞生长密度低，瓶间差异较难控制等缺点，越来越不适应GMP和WHO认证的要求。生物反应器培养技术在国外已有四十多年的应用历史，近十年来在中国开始逐渐普及[7]。由于其便捷安全的操作方式，可控性好，占用较少的空间等优点，生物反应器已被越来越多的国内疫苗生产企业所接受，如辽宁成大、广州诺成等生物科技有限公司生产的冻干人用狂犬病疫苗和乙脑疫苗[8-9]，另外国内有些公司也逐渐开始研究微载体反应器替代转瓶或细胞工厂工艺生产甲肝疫苗、麻疹疫苗等产品[10]。本课题将生物反应器工艺引入水痘疫苗的生产中研究其可行性，现报道如下。

1 材料与方法

1.1 细胞株及毒株

MRC-5细胞株来源：购买于ATCC；工作代细胞批号为：WCB20100901，代次为24代。

水痘毒株Oka株来源：购买于ATCC；工作代毒种批号为：20120201 W，代次为47代。

1.2 主要耗材

175cm2细胞培养瓶（CORNING）；细胞工厂（CORNING）；多道移液器、单道移液器（规格：20～200ul；100～1000 ul，Eppendorf）；玻璃刻度吸管（规格：5mL，10mL等）； 6孔细胞培养板（CORNING）；Cytodex 1 微载体（GE公司）。

1.3 主要设备

荷兰Applikon生物反应器；天津泰特仪器设备有限公司 电热恒温水浴箱；Thermo生物安全柜；三洋37℃ CO2恒温培养箱；OLYMPUS CKX41倒置显微镜。

1.4 微载体培养方法

将MRC-5细胞接种1L生物反应器，待细胞长满单层后接种水痘病毒，具体步骤如下：

复苏24代MRC-5细胞，至T175细胞瓶中，按1：2比例传代3次至8瓶，镜下观察细胞形态为成纤维细胞形态，呈梭形，细胞排列致密无空隙，准备用于生物反应器培养。

反应器用二甲基二氯硅烷硅化处理，微载体经PBS溶胀并清洗处理后加入反应器中，高压湿热灭菌反应器及微载体，准备培养细胞。（微载体使用量3g/L ，培养体积300mL，按培养面积比1：2上罐传代）

用0.25%胰酶消化8瓶长满单层T175细胞后，加入预热的细胞生长液吹打均匀，接种至1L反应器中，使用体积为300mL。将1L反应器控制设定温度：37℃；pH值：7.2；溶氧值：40%；调整适当搅拌速度，以微载体混匀且不沉淀的最小搅拌速度为最佳。每天换液300mL，同时取样观察细胞生长状态。待微载体表面的细胞长满均一单层时接种水痘病毒，设定温度：35℃；pH值：7.3；溶氧值：35%；观察细胞病变情况，待细胞病变约达75%以上时结束培养，收获细胞培养物及培养液，-80℃快速冻融一次，过滤除去微载体及细胞碎片，收获病毒悬液，测定水痘原液病毒滴度。

1.5 检验方法

测定病毒滴度是用蚀斑试验的方法，取人二倍体细胞MRC-5，以pH7.2、含10%小牛血清的MEM细胞培养基接种6孔板，每孔加密度为1×105个/mL的MRC-5细胞悬液3mL，置37℃ 5% CO2培养箱培养3～4天，待MRC-5细胞形成均匀、致密的细胞单层后，弃去原有的生长液。用含3%小牛血清、5%蔗糖和1%谷氨酸钠的PBS缓冲液将待检品做10倍系列稀释，一般取10-2～10-5稀释度的样品接种6孔板，每稀释度接种2孔，置37℃、5% CO2培养箱吸附60分钟，期间每20分钟轻轻振摇一次。吸附完毕补加pH 7.4、含3%小牛血清的MEM培养基维持液，3m1/孔，置37℃ 5% CO2培养箱培养7天。培养到期后，弃去原生长液，每孔加1～2mL 0.25%的考马斯亮蓝染液，染色5～10分钟，弃去考马斯亮蓝染色液，将六孔板用PBS冲洗干净，在阅片灯灯光背景下点数空斑个数，计算病毒滴度，计算方法如下：

空斑个数×稀释倍数×10= PFU/mL，即为待检样品的滴度。

2 结果

在显微镜下观察到细胞接种反应器后，细胞悬液中游离细胞逐渐减少，大约3小时贴壁完成。5小时后开始伸展为长梭形，每天换液300ml，大约3天后细胞长成致密单层，接种水痘病毒后大约48小时发现病变，72小时病变达到75%，收获水痘病毒原液。

2.1 细胞接种反应器后的生长状况

2.2 收获液病毒滴度

收获后的水痘原液病毒滴度检测结果为120，000 PFU/mL。

3 讨论

人二倍体细胞作为病毒培养基质细胞，最重要的优点是安全性强，无内外源病毒因子感染，而且已证明无致癌性，但二倍体细胞在转瓶培养条件下难以生产获得高滴度的病毒，因此如何使用人二倍体细胞获得高滴度水痘疫苗，成为近年来的研究重点。而生物反应器条件下培养不但可以增加细胞的密度与数量，且可通过主动通气加强气体交换，稳定的控制温度溶氧pH等参数，创造利于细胞生长和病毒繁殖的环境，易获得高滴度的病毒原液，生产高品质疫苗原液。

通过本试验发现二倍体细胞在反应器中长势良好，接种病毒后产生正常病变，且滴度较高，本试验初步证明反应器动态培养二倍体细胞，扩增水痘病毒，生产水痘疫苗的方法可行。该方法的工艺参数及疫苗产量还有待进一步深入的进行研究。

参 考 文 献

[1] （美）普洛特金（Plotkin，S.），著.疫苗学[M].人民卫生出版社，2011.999-1049.

[2] 张延龄，张晖主编.疫苗学[M].科学出版社，2004.

[3] 刘晔，李生军，李春明.冻干水痘减毒活疫苗转瓶生产工艺的建立[J].微生物学免疫学进展，2014，32（1）：9-12.

[4] 王斐，单雪峰等.水痘减毒活疫苗生产工艺研究[J].中国新药杂志疫苗专刊，2012，10：1174-1177.

[5] 王佃亮，韩梅胜.动物细胞培养用生物反应器及相关技术[J].中国生物工程杂志，2013，23：23-27.

[6] 王树君，代长海等.用为载体系统培养Vero细胞生产高滴度狂犬病毒液[J].中国生物制品学杂志.2004（06）：45-47.

[7] 查力，高军等.生物反应器细胞培养制备人用狂犬病疫苗[J].中国生物制品学杂志，2006，19（3）：288-290.

生物柴油反应器研究 篇4

气升式生物柴油酯交换反应器在搅拌方式上与传统机械搅拌式反应器不同，是一种气体搅动装置。气升式反应器具有结构简单、能耗低、传热传质效率高的特点。目前气升式反应器已引起广泛的关注，在生物处理有机废水、生物发酵及合成等领域获得了许多成功的运用。但将其用于制备生物柴油的研究还未见报道。本文设计了一种新型气升式生物柴油酯交换反应装置，对其主要结构参数进行性能试验、对比评价，探求最佳参数，为反应器的放大提供理论依据。

1 反应器的结构和工作原理

1.1 结构

气升式生物柴油酯交换反应装置主要包括脂交换反应器和液相分离器，如图1所示。脂交换反应器主要由气体发生器1、中间储罐2、冷凝器3、进料口4、催化剂入口5、降液管6、升气管7、气体分布器8、液体分相器9、出料口10组成。

液体分相器9主要由罐体9.1、进料管10、清洗出口9.7、甲酯出口9.3、甘油排放口9.6、隔流挡板9.4、轻相液位计9.2、重相液位计9.5组成。通过连接管10将酯交换反应器的出料口与液体分相分离器的进料口连接。

在罐体的上部设有甲醇的回收装置，该装置主要由冷凝冷却器和中间储罐组成。过量的气态甲醇由冷凝器冷却转化为液态，流入中间储罐，最终回流到气体发生器。

降液管的外壁上有夹套，恒温水池通过总输水管和进水管与夹套连通，夹套通过总出水管、进水管与恒温水池连通。此装置用来调节酯交换反应的温度。

1.2 工作原理

工作原理：酯交换反应器以气体为动力，靠上升管、降液管装置的引导，形成气液混合物的总体有序循环。向上升管通入气体，使管内气含率升高，比重变轻，气液混合物向上流动，气泡至液面处部分气泡破裂，气体由反应器排气口排出。剩下的气液混合物比重较上升管内的气液混合物大，由下降管下沉，形成循环。反应产物通入液体分相分离器，轻相甲酯和重相甘油分离，甲酯经过后处理得到生物柴油。

2 研究方法

气体经喷嘴以一定的速度射入反应器，由于反应物的黏性、表面张力而产生气含;气体和反应物之间的动量传递，气泡的浮动、合并和破碎推动液体循环，产生混合;气液间还发生分子扩散作用，主要是气相向液相的传递。因此，反应器的性能主要通过气含率ε，混合时间t，液体循环速度ν以及传氧速率kLα指标来评价。降液管高径比(H/D)、升气管和降液管的直径之比D1/D和分布器孔径d0是酯交换反应器的主要结构参数，选取不同参数进行试验，得到流动、混合效果较好，实际制造可行的一种方案。与相同规格的搅拌反应器进行酯交换反应对比试验、评价，并按此条件设计和制造酯交换反应装置。

3 试验方法

3.1 试验条件

酯交换反应器用有机玻璃制成，以便于观察。降液管D=0.140m，高度分别取0.88、1.03、1.50和1.60m。试验介质为自来水，试验用气体为空气，进气压力为P=0.13MPa(表压)，最大通风比(装液量与每分钟的通风量之比)为1∶1.5。

3.2 测量方法

(1)气含率ε。气含率是指气体在气—液混合物中所占的体积比，用如下近似方法测量：当反应器内没有通入空气时，装液高度为H1，液体所占体积比εL=1，反应器底部静压强为p1(表压);当通入空气后，气—液混合物高度上升到H2，气含率为ε，反应器底部静压强为p2(表压)。设气体和液体的密度分别为ρG、ρL

因空气的密度仅为水的千分之一，它在这里的作用可以忽略，即略去项ερG，且p1≈p2，解式(1)～式(3)可得：

(2)液体循环速度ν。为使反应物分布均匀，达到较好的混合效果，需要液体以一定的速度运动。在气升式反应器中，液体整体地做循环运动，运动速度称液体循环速度。因这种运动没有返混，循环速度可以用电解质示踪的办法来测量，即在反应器内瞬间加入电解液，得到反应器内某一点的电导率的响应曲线，直到电导率不变，混合均匀为止。相邻的两个波峰相间的时间即为液体循环周期，根据反应器的截面积和装液量，便可求出液体循环速度。

(3)传氧速率kIα。利用溶氧测定仪，根据Na2SO3 (CuSO4催化)和O2起氧化反应的特性，在反应器内投入适量的Na2SO3和CuSO4，去除溶解于水中的O2，这时溶氧仪的读数为零，通入空气，测量氧到达饱和状态时的时间t (s)，其倒数即可表示传氧速率的高低。

4 试验结果与分析

4.1 降液管高径比（H/D）对酯交换反应器的性能的影响

由表1可知：反应器适当增加高径比有利于提高反应器的性能，可增大液相环流速率、液相体积传质系数，但高径比也不是越大越好，混合时间t与高径的关联式：混合时间t=20.41 (H/D) 0.505，由混合时间t与高径的关联式可以看出，随着管高度的增加，反应器内的混合时间t也相应增加，并且单位体积的气-液接触面积下降，不利于混合与传质。反应器高径比以10.7为宜。

4.2 上升管与降液管直径比D1/D对反应器的性能的影响

由表2可知：随着上升管与降液管直径比D1/D的增加，反应器液相体积传质系数总体变化不大。在上升管与降液管直径比D1/D较小时，虽然在上升管中湍动和涡流较强，但液体循环速度较低使得混合时间较长。当D1/D=0.6时，下降管液速度增加，液体循环速度提高，湍动和涡流较强，此时混合时间最短。当D1/D>0.6时，液速急剧下降，湍动和涡流变弱，使得混合时间又变长。选择D1/D=0.6作为最佳上升管与降液管直径比。

4.3 分布器孔径d0对反应器的性能的影响

气体分布器结构如图2所示。

选择分布器孔径2、4、5和6mm，气流量分别为100、150、200和250L/h进行试验。在较低气流量下，分布器孔径大小对气含率有明显的影响，而在较高气流量下孔径大小没有多大影响，特别是当Vs≥200L/h时，不同孔径对气含率的影响几乎一致(表3)。

因为在较低的气流量下，分布器孔径越小，气泡越小，气泡之间的作用小，并聚机会较少，气液相分布越均匀，混合越好。气速增大，当气流量Vs≥200L/h时，反应器内湍动和涡流加剧，气泡之间的相互作用强烈，小气泡并聚为大气泡几率增加，气体在管内停留时间比较短，小孔分布器的优势无法发挥出来，因此，这时分布器孔径的大小对反应器气液相混合影响不大。

从能耗来看，孔径越小，气流量越高，能耗越大，因此在不同的气流量下，气体分布器的设计要从混合、传热传质和能耗综合考虑。通过以上理论分析和试验，选择该反应器分布器孔径在4～5mm之间。

5 气升式反应器与机械搅拌式反应器制备生物柴油比较

以米糠油与甲醇为原料，KOH为催化剂为例，分别采用0.023m3气升式反应器和同等规格的机械搅拌式反应器制备生物柴油对比试验。

由图3可知：采用气升式反应器制备生物柴油有利于提高脂肪酸甲酯得率，较传统机械搅拌式反应器脂肪酸甲酯得率增加7.8%，反应周期缩短0.5h。气升式反应器加快了生物柴油生产时的反应速度，提高了原料转化率。

6 结束语

(1)设计了一种气升式生物柴油酯交换反应装置。与传统的机械搅拌式反应器相比，采用气升式反应装置制备生物柴油脂肪酸甲酯得率增加7.8%，反应周期缩短0.5h，提高了原料转化率，降低了生产成本。

(2)考察了反应器主要结构参数对反应器性能的影响。确定了反应器降液管高径比值(H/D)为10.70，上升管与降液管直径比D1/D为0.6，分布器孔径在4～5mm之间。

参考文献

[1]Wongsuchoto P., Pavasant P..Internal liquid circulation in annulussparged internal loop airlift contactors[J].Chemical Engineering Journal, 2004 (100) :1～9.

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生物柴油反应器研究 篇5

膜生物反应器处理市政污水中试研究

相对于传统活性污泥法,膜生物反应器处理生活污水具有显著的.优势.通过在自行设计、加工的浸没式中空纤维微滤膜生物反应器中试装置上连续处理两种生活污水,旨在研究中空纤维微滤膜组件的性能及其影响因素,膜水通量随膜组件内真空度的变化,膜水通量随运行时间的变化和膜污染产生的原因及防治措施.了解膜生物反应器对生活污水的净化效果,出水COD、NH3-N、表色色度和浊度随运行时间的变化,膜生物反应器内污泥浓度随运行时间的变化情况等.为下一步中空纤维微滤膜生物反应器商业化应用提供基础设计数据和运行参数.

作 者：李天成 马将军 朱慎林 陈萃仙 LI Tian-cheng MA Jiang-jun ZHU Shen-lin CHEN Cui-xian 作者单位：清华大学化学工程重点实验室∥化学工程系,北京,100084刊 名：中山大学学报(自然科学版) ISTIC PKU英文刊名：ACTA SCIENTIARUM NATURALIUM UNIVERSITATIS SUNYATSENI年，卷(期)：44(z2)分类号：X505关键词：膜生物反应器 微滤 膜组件 市政污水 membrane biological reactor micro-filtration membrane module municipal wastewater

生物柴油反应器研究 篇6

船用柴油机排气中含有氮氧化物,通过选择性催化还原(selective catalytic reduction,SCR)系统降低排气中氮氧化物,以满足排放要求[1,2,3]。由于SCR系统存在反应器,柴油机排气经过反应器时必然会产生压力损失,过高的压力损失会导致柴油机运行异常[4]。因此,在SCR系统反应器单元的设计过程中,压力损失是一个需要控制的参数。

分析船用柴油机SCR系统时,可以参考车用、电厂SCR系统反应器单元的研究方法。但是,由于结构形态、选用催化剂种类等有着较大的差别。需要针对船用柴油机SCR系统反应器的具体特点,分析其压力损失特性。

本文针对船用柴油机SCR系统反应器压力损失问题,分析了压力损失的产生因素,建立了压力损失的计算方法,通过样机实验,进行了计算值与实验值的对比。

1 船用柴油机SCR系统反应器单元

SCR系统的作用是治理尾气中的氮氧化物,其原理是在催化剂的作用条件下,喷入排气管路中的尿素水溶液热解成NH3优先和排气中的NOX发生还原反应,生成无害的N2和H2O[5]。常见的船用SCR系统一般包括反应器单元、计量喷射单元和控制单元等几大部分。

反应器单元是SCR系统的核心部件,它是排气在催化剂表面发生SCR反应的场所,反应器单元设计影响SCR系统的投入成本、运行成本、催化剂用量及系统运行效果等许多方面。

常见的船用SCR系统反应器单元一般由两部分组成:催化剂和反应器壳体。图1为典型的船用SCR系统反应器单元外形图。

2 船用SCR系统反应器单元压力损失

船用SCR系统反应器单元的压力损失主要由两部分构成:一部分是反应器内壁、催化剂孔道内壁等与排气气流摩擦所产生的沿程压力损失;另一部分是反应器出入口锥壳段截面变化、气流进出催化剂引起的截面变化等结构变化所产生的局部压力损失[6]。

2.1 沿程压力损失

沿程压力损失的影响因素很多,一般与流速、管壁粗糙程度、管道长度等因素有关,因此,很难运用精确的公式进行描述,在实际工程运用中,可以参考消声器、管路等压力损失的计算,对于类似于图1中SCR系统反应器,其沿程压力损失可按式(1)计算:

式中:ξ1为摩擦阻力系数,一般根据相对粗糙度确定;l为所计算沿程压力损失段的长度;de为通道等效直径,圆形通道为其直径,矩形通道其中a、b为矩形的边长;ρ为柴油机排气密度;v为排气流速;g为重力加速度。其中排气流速为:

式中:Vout为柴油机排气的体积流速,S是排气通道的横截面积。通常情况下,柴油机的排气流速可以通过进气的体积流速求得:

式中:Vin为柴油机进气的体积流速;Tout为柴油机的排气温度,可以通过安装在排气管路上的温度传感器取得;Tin为柴油机的进气温度,一般可以取室温。

2.2 局部压力损失

局部压力损失是反应器单元压力损失的主要部分,在工程运用中,一般采用实验的方法获得。对于船用SCR系统反应器单元的常见结构,其压力损失一般也可以近似计算:

式中,ξ2为局部阻力系数,其余参数意义与式(1)中各参数的意义相同。计算局部压力损失的关键就是确定局部阻力损失系数ξ2。

对于类似于图1所示的反应器结构,其局部压力损失主要包括两部分:一部分是反应器出、入口截面积变化所引起的局部压力损失,另一部分是排气进入蜂窝状结构的催化剂载体流通面积收缩和排气流出催化剂载体流通面积扩张所引起的局部压力损失。

入口、出口截面变化所引起的局部压力损失可根据伯努利方程和动量方程进行推导[7],推导结果分别如式(5)和式(6)所示:

式中:S0是变化截面小截面的面积,S是变化截面中大截面的面积。

催化剂所引起的局部压力损失为:

式中,α为催化剂的开孔率。

2.3 反应器单元压力损失

反应器单元的压力损失包含了以上沿程压力损失和局部压力损失,总的压力损失即对以上压力损失求和:

3 结果分析与讨论

为了进一步考核以上计算方法是否能够有效地计算反应器单元前后的压力损失,现进行实验室实验予以考核。

实验台架柴油机为河柴重工TBD234型柴油机,该柴油机额定功率167 k W。与柴油机所匹配的SCR系统为中国船舶重工集团公司第七一一研究所研制的SCR系统样机。图2为实验室现场布置,其中压力测试的2个传感器分别安装于距反应器出入口200 mm的排气管路上,如图3所示。

反应器的其他主要参数如表1所示。

实验过程中,分别在柴油机的不同工况下进行压力损失等参数的测量,得到的结果如表2所示。

同样,针对以上4种工况,按照前述计算方法,计算结果如表3所示。

将实验值与计算值进行对比,可以求得计算值相对于实验值的平均误差:

通过实验和理论分析,可得出如下结论:

1)采用理论计算的方法求得的压力损失值较实验值存在一定的误差,但对于一般的工程运用,该误差在可接受范围内,可以在反应器单元的设计阶段起到一定的参考作用。

2)对于船用SCR系统反应器单元,局部压力损失是产生压力损失的主要原因。

4 结语

针对船用柴油机SCR系统反应器单元压力损失问题,分析了压力损失产生的因素,建立了压力损失的计算方法,通过样机实验,进行了计算值与实验值的对比。结果表明:该计算方法所得到的计算结果与实验测试数据吻合,且局部压力损失是造成反应器单元压力损失的主要因素。

摘要：针对船用柴油机SCR系统反应器单元压力损失问题,分析了压力损失产生的因素,建立了压力损失的计算方法,通过样机实验,进行了计算值与实验值的对比。结果表明:该计算方法所得到的计算结果与实验测试数据吻合,且局部压力损失是造成反应器单元压力损失的主要因素。

关键词：船用柴油机,选择性催化还原,反应器,压力损失

参考文献

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[3]谭青,冯雅晨.我国烟气脱硝行业现状与前景及SCR脱硝催化剂的研究进展[J].化工进展,2011,30(s1):709-713.

[4]Chen M,Williams S.Modelling and optimization of SCR-exhaust aftertreatment systems[R].SAE Technical Paper,2005.

[5]韩升.燃煤电厂SCR反应装置数值模拟及优化研究[D].南京:南京理工大学,2010.

[6]帅石金,王建昕.车用催化转化器的压力损失[J].清华大学学报(自然科学版),2001(4):85-88.

生物柴油应用研究 篇7

生物柴油以油料作物和野生油料油脂以及动物油脂、餐饮废油等为原料,与醇类进行酯交换反应制成一种燃料,生物柴油的碳链结构和性质与柴油相似,因此可在不对现行柴油机结构进行改动的情况下代替柴油使用。生物柴油具有来源丰富、可再生和污染小的特点,是理想的柴油替代燃料。生物柴油的使用不仅能够大大减少人们对石油资源的依赖程度,减小对环境的污染,而且还能够带动相应产业的发展,并实现社会经济的良性循环[1,2,3]。随着人们生活水平的提高,世界的汽车保有量正逐渐上升,而不可再生石油资源供应紧张趋势日益凸显出来,国际油价不断攀升就是最好的证明。如何解决能源短缺问题,是摆在各国的难题,目前许多国家正致力于生物燃料尤其是生物柴油的研究开发,生物柴油的开发使用能够在一定程度上缓解柴油的供需矛盾问题[4],因此具有深远的意义。

通过台架试验,研究了ZS195小型单缸直喷柴油机(18℃A,18 MPa)燃用黄连木生物柴油和麻风树生物柴油时对性能和排放的影响,并与0#柴油的相应试验结果进行比较,以研究生物柴油在传统柴油机上应用的可行性。

1 试验设备、燃料和试验方案

1.1 试验用仪器和设备

试验采用南宁南机动力有限公司生产的ZS195小型单缸直喷柴油机,试验设备布置见图1,技术参数见表1,试验中所使用的主要设备和仪器见表2。

1.2 试验用燃料

试验燃料为黄连木生物柴油和麻风树生物柴油,两种生物柴油的燃料特性见表3。

1.3 试验方案

本试验中柴油机以两种生物柴油为燃料,分别在柴油机标定转速和最大扭矩转速下做负荷特性试验,研究了柴油机使用生物柴油对其性能和排放的影响,并对试验结果进行了分析。

2 生物柴油的试验结果和分析

在小型单缸柴油机上燃用这两种生物柴油时,油耗率都有小幅度的上升,但通过增加供油量都能使柴油机达到原机的额定负荷,因此对柴油机的动力性不会产生显著影响。生物柴油能够大幅度地降低柴油机的碳烟排放,并能够在一定程度上降低CO,HC,NOx排放。

2.1 生物柴油的经济性与动力性分析

图2给出直喷柴油机燃用黄连木生物柴油(H)和麻风树生物柴油(M)时的燃油消耗率曲线,并与燃用零号柴油的相应数值进行对比。从图2我们可以看出,与燃用零号柴油相比,直喷柴油机燃用生物柴油后,燃油消耗率略微增加,这主要是由于生物柴油热值低于0#柴油。中小负荷时,生物柴油燃油消耗率与零号柴油的差距较大,而随着负荷的逐渐增加,这种差距逐渐缩小,这是由多种原因造成的,首先中小负荷时发动机气缸内温度较低,生物柴油粘度高造成燃油雾化不良,使混合气混合不均匀,再加上此时发动机过量空气系数大,生物柴油助燃作用不明显,这些因素的综合导致了中小负荷时生物柴油较大的燃油消耗率,而在大负荷时柴油机过量空气系数相对较小,生物柴油的助燃作用得以充分的发挥,同时随着缸内温度的升高,生物柴油粘度开始降低,容易形成混合均匀的混合气,因此燃油消耗率与零号柴油之间的差距也开始逐渐缩小。

2.2 生物柴油的排放特性

2.2.1 CO排放分析

图3给出了直喷柴油机燃用两种生物柴油和零号柴油时的CO排放对比图。中小负荷时CO排放与纯柴油相当,而在大负荷时,CO排放随着负荷的增大而相应增加,生物柴油的CO排放量明显低于零号柴油,我们以麻风树生物柴油为例,在最大功率(8.8 k W/2 000 r·min-1)和最大扭矩点(6.6 k W/1 500r·min-1),原机的CO排放为0.1和0.05,而麻风树生物柴油的CO排放为0.05和0.03,分别降低了50%和40%。因为中小负荷时柴油机缸内为富氧燃烧状态,各种燃料都能够较充分地燃烧,从而使CO排放稳定在保持在较低水平上,而大负荷时,随着燃料喷射量的增加,发动机过量空气系数开始逐渐变小,CO的氧化受到缸内空气含量的制约,因此CO排放量会相应增加,但是生物柴油是含氧燃料,能够燃料燃烧的完全程度,因此减少了CO的排放。

2.2.2 HC排放分析

从图4中我们可以看出,在整个负荷范围内HC的变化比较平缓,与零号柴油相比,生物柴油的HC排放量有略微的下降。一般而言,芳香烃含量少的燃料滞燃期短,促使HC排放降低,且十六烷值高的燃料,燃油着火性好,滞燃期短,从而能够降低未燃碳氢和裂解碳氢的生成量,上述几种因素共同的作用,使生物柴油的碳氢排放有所改善。

2.2.3 NOx排放分析

图5给出了直喷柴油机燃用生物柴油时的NOx排放对比图。由图可知,生物柴油对NOx的排放影响不大,基本上与零号柴油相当,NOx排放随着负荷的增大而相应增加。对于柴油机而言,中小负荷时混合气中有较充足的氧,但燃烧室内温度较低,故NOx排放量处于较低的水平。随着负荷的增加,燃烧室内气体温度升高,促使生成更多的NOx排放物。而同时生物柴油具有相对较高的十六烷值,因此滞燃期较短,这样就存在了使NOx排放减少的趋势,但随着负荷的增加增加,缸内最高温度也相应增加,又增加了NOx的生成与排放。在这两种主要因素的综合作用下,生物柴油的NOx排放在整个负荷范围内与柴油排放量相当。

2.2.4 碳烟排放分析

从图6中可以看出,整个负荷范围内,碳烟排放随着负荷的增大而相应增加,与零号柴油相比,燃用这两种生物柴油后,碳烟排放量有明显的降低。中小负荷时,生物柴油对碳烟排放影响不大,而在大负荷时,碳烟排放能够有较大幅度的降低。我们以麻风树生物柴油为例,在最大功率点和最大扭矩点,原机的碳烟排放分别为0.370和0.308,而麻风树生物柴油的碳烟排放为0.238和0.15,分别降低了35.7%和51.3%。这主要是因为中小负荷时发动机过量空气系数大,燃料能够充分燃烧,因此碳烟排放相对较低,生物柴油中所含的氧对降低碳烟排放影响不明显,随着发动机负荷的不断增大,燃料的喷入量也越来越多,混合气过浓区域增多,造成缸内处于缺氧状态,从而使碳烟排放增加,此时生物柴油的自供氧功能减少了混合气的过浓区域,能够使燃料进行比较充分的燃烧,从而能够降低发动机的碳烟排放。随着负荷的进一步增大,碳烟排放的降低效果更加明显;另一方面,与含较多芳香烃的柴油不同,生物柴油不含芳香烃是直链结构,生成碳烟颗粒的倾向减小,能够改善碳烟排放,这也是生物柴油能够降低碳烟排放的另一个原因。

3 结论

通过试验研究与试验结果分析,我们可以得出以下结论:

a.传统柴油机能在不做任何机械变动的情况下可直接燃用生物柴油,并对生物柴油具有较好适应性。

b.采用黄连木生物柴油和麻风树生物柴油后,柴油机燃油消耗率均有10%以内的增加,这主要是因为生物柴油的热值相对较低,但通过增加供油量可恢复原机功率,对动力性不会产生显著影响。

c.柴油机燃用黄连木生物柴油和麻风树生物柴油能够有效降低CO和HC污染物的排放,尤其是碳烟的降幅最为明显,如麻风树生物柴油最大降低幅度可达51.3%,而对NOx的降低作用不明显。

参考文献

[1]黄锦成,李献菁,邱森,黄华.生物柴油-乙醇混合燃料柴油机的试验研究[J].小型内燃机与摩托车,2008.

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[3]何光清,黄锦成,邓丽莎,等.不同燃烧系统对乙醇-柴油发动机性能的影响[J].内燃机学报,2009,(2).

生物柴油反应器研究 篇8

我国是目前经济发展最为迅速的国家,能源发展战略始终在经济发展中占有重要的地位。其中,石油是国家能源的基础,经济的命脉。2002年以来,我国已跃居全球第二大石油消费国。据预测,到2020年我国石油年消费量将达5亿t,而国内原油产量到2020年仅为2亿t,届时我国石油对外依存度将达60%以上。汽车是能源消耗的主要产品,2007年,我国的汽车产量达888.24万辆,汽车的保有量达4300余万辆,且每年还以20%以上的幅度增长。汽车不仅消耗掉大量的能源,同时汽车排放的尾气也严重污染着我们的环境。因此,寻找节能环保的替代能源成了当今亟待解决的重大课题。

生物柴油(biodiesel)是一种近年来备受关注的矿物柴油替代品,是与小分子醇类进行酯交换反应得到的脂肪酸酯混合物。发展生物柴油作为替代燃料主要有两方面的意义。一是增强我国能源安全战略,二是生物柴油对环境具有更好的亲和力。生物柴油不含硫,其碳循环是动态的,每两年即可完成“CO2+光合作用—生物质—生物柴油—CO2+光合作用……”的闭合循环链。因此,对于保护自然环境,维持生态平衡而言,生物柴油是一种可再生的绿色环保型新能源[1]。

笔者主要研究柴油机燃用生物柴油时对发动机动力性、经济性和排放性的影响,设计相应的试验,结合生物柴油的质量指标和发动机的结构分析,为发动机最终燃用柴油-生物柴油混合液的研究做准备。

1 生物柴油与矿物柴油质量指标对比

生物柴油技术标准和产品质量标准的研究和制定始于20世纪90年代。由于原材料不同,生产工艺不一致,目前国际上尚无统一的生物柴油生产标准。表1为生物柴油的主要理化特性与矿物柴油对比[2,3]。通过数据可以看出:

a.生物柴油密度相对矿物柴油密度和粘度都大些。发动机喷油时,喷油量较多,燃烧不全,燃油消耗量增加。

b.生物柴油闪点高,不属于危险品,因此,在运输、储存、使用等方面都具有很大的优势。

c.生物柴油十六烷值高于矿物柴油[4]。十六烷值是衡量燃料在压燃式发动机中发火性能好坏的重要指标。十六烷值高,其自燃温度低,滞燃期短,燃烧噪声低且有利于发动机的冷起动,适合于高速柴油机使用。矿物柴油的十六烷值最小为49,生物柴油的最小为56,比矿物柴油的高14%。所以与矿物柴油相比,生物柴油更适合在压燃发动机上应用。

d.生物柴油的热值较矿物柴油稍低,然而,决定发动机功率和扭矩大小的是混合气热值而不是燃料热值,生物柴油的混合气热值基本上与石化柴油持平。

e.生物柴油中由于硫的含量很低,因此,燃烧产生的废气中硫化物含量很低。

f.氧不能燃烧但能助燃,使燃烧状况得到改善,降低CO,HC和碳烟排放,同时由于氧浓度和缸内温度的提高可能会造成NOx增多。

g.生物柴油的生物分解性高,有利于环境保护。

2 生物柴油在柴油机上应用的试验设计

2.1 试验目的

为了研究柴油机燃用生物柴油和不同掺混比的生物柴油-柴油混合液时的动力性、经济性和排放性(烟度,NOx,HC,CO等)的变化趋势,设计此试验。通过试验装置,得到试验数据,为生物柴油-柴油混合液在现有柴油发动机上的应用,提供可靠的试验数据,以及为纯生物柴油发动机的优化控制提供可靠的试验数据。

2.2 试验设计

试验用油包括生物柴油(本课题自己生产的生物柴油,其中生物柴油的原料主要有餐饮废油和野生油料植物两种)和0#柴油。

试验设备有四缸增压直喷发动机、测功机、空气流量计、空气温度传感器、水温油温传感器、油耗仪、排温表、烟度计、五气分析仪等设备。

试验装置示意图见图1。

2.3 试验方法

试验开始时,保证试验场所的大气温度和压力达到规定值。首先让发动机怠速运行,使发动机水温和油温升到规定值。测试时发动机的转速分别选择怠速、中速和高速三种转速下运行。在每一种转速下,分别调整发动机负荷率达到30%,60%和100%。在每种工况下,测量发动机的油耗、尾气排放以及排气温度。同时,在每种工况下,调整喷油提前角,找到发动机动力性、经济性和排放性最佳时的喷油提前角,为以后发动机燃用生物柴油的优化控制提供可靠的试验数据。

在每次更换不同掺混比混合液后,测量各参数前,都应让发动机先怠速运转15 min,以便燃完燃油管路和喷油系统中残留的上一掺混比混合液。试验过程中,燃油的切换通过自制的试验仪器完成,发动机不需停机,保证每次测量的试验环境相同,同时提高试验效率。

3 对柴油机性能影响的理论分析

3.1 柴油机动力性和经济性影响因素分析

生物柴油的含氧量约为10%,可使燃料燃烧充分,从而提高发动机的功率和扭矩。发动机燃油泵泵油时以燃油体积为基础,由于生物柴油的密度较矿物柴油大,因此供油量相对较高,这样就导致燃油消耗量增加。正因如此,发动机的动力性也得到了提高[5]。

3.2 柴油机排放性影响分析[6,7]

3.2.1 碳烟排放分析

发动机在燃烧过程中,由于混合气不均匀,会出现局部过浓现象,在燃烧过程中过浓的混合气因高温缺氧将生成碳烟。影响生物柴油碳烟排放的因素主要有:

a.生物柴油的含氧量。生物柴油是含氧燃料(含氧量达10%左右),氧原子在燃料燃烧过程中起到了助燃作用,特别是在喷雾核心等燃料浓度高的区域,在燃烧过程中可以自给氧,使燃料能够比较完全地燃烧,克服了普通柴油燃烧过程中因缺氧而形成大量碳烟的情况,降低了碳烟排放。

b.生物柴油中含芳香烃物质的量。芳香烃物质在高温下缺氧脱氢生成碳烟,使碳烟增加。

c.生物柴油中不饱和脂肪酸的量。不饱和脂肪酸蒸发温度低,燃烧室内蒸发速度快,混合均匀,燃烧彻底,碳烟排放降低。

因此,生物柴油碳烟排放受多方面因素的综合影响。

3.2.2 HC排放分析

生物柴油的十六烷值较高,滞燃期短,燃烧充分,不利于HC的生成。同时,由于生物柴油具有一定的含氧量,生成的HC也有条件进一步氧化。因此燃用生物柴油后,HC的排放应该降低。

3.2.3 CO排放分析

燃用生物柴油时,由于在喷束的边缘会产生易挥发的成分,在高温下的双键热裂解会促进燃烧,因而能使滞燃期缩短。但是,在喷束核心发生的聚合反应会使喷束核心收缩,并导致喷束的贯穿率减小,影响雾化过程,造成局部混合气过浓,导致CO排放较高。同时,生物柴油的自含氧又可以降低CO排放。

3.2.4 NOx排放分析

混合气燃烧时的温度、氧的浓度和反应时间是决定NOx生成的主要因素。生物柴油与矿物柴油相比,具有一定的含氧量,燃烧充分,燃烧温度升高,对NOx的生成起到促进作用。同时,生物柴油的滞燃期短,着火时刻提前,为NOx的生成提供了足够的时间。因此,燃用生物柴油后,排气中NOx的含量应该相应地增加。

3.3 排气温度分析

生物柴油的十六烷值要比柴油的高,滞燃期短。滞燃期缩短意味着着火落后期内积存的燃料较少,因而会降低排气温度。但是,生物柴油中有些组分的沸点通常要比柴油的高,这些沸点较高的组分在主燃期不会完全蒸发,并会在后燃阶段继续燃烧,这必然会导致排气温度较高;另外生物柴油是含氧燃料,氧促进燃烧,使燃烧更完全,增加缸内温度,从而使排气温度有所增加。因此,排气温度由以上因素综合决定。

4 结论

笔者对生物柴油的质量指标进行了详细的介绍,为研究柴油机燃用生物柴油、柴油和不同掺混比的生物柴油-柴油混合液的动力性、经济性和排放性的变化,设计试验装置及试验操作流程。结合生物柴油的质量指标和发动机的结构分析原因,为发动机最终燃用柴油-生物柴油混合液的研究做准备。通过理论分析得出以下结论:发动机燃用生物柴油后动力性提高,燃油消耗量将增加,尾气排放中,HC含量降低,NOx排放升高,其他有害物质要视生物柴油的组分综合决定。

参考文献

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[6]景晓军.生物柴油对柴油机性能及排放物影响的实验研究[D].长春:吉林大学,2005.

生物柴油反应器研究 篇9

当今世界,能源和环境问题成为人类面临的两大课题。一方面,石油作为不可再生的化石燃料,经过近100年人类工业文明的大发展,目前正在接近开采产量巅峰。而我国在20世纪90年代已成为石油纯进口国,进口依赖度随着国内汽车保有量的不断上升而增大。另一方面,燃用石油等化石燃料所造成的环境污染问题,也愈来愈严重。当今,汽车尾气排放已经成为最主要的城市污染,一氧化碳、碳氢化合物、氮氧化合物以及碳烟微粒,严重影响人们的健康[1]。

目前,世界各国的相关研究机构都逐渐将研究重点转移至石油的清洁替代燃料,并且不改变柴油机的各项结构,由于乙醇与生物柴油在部分性质上存在互补性,乙醇—生物柴油—柴油混合燃料应运而生[2,3]。为此,介绍了新燃料的部分理化性质,然后通过发动机台架试验对比研究了新燃料和柴油的动力性、经济性以及排放性能。

1 试验简介

1.1 试验装置

发动机台架由常州柴油机厂生产的S195单缸柴油机和凯迈机电生产的CW50型电涡流测功机组成;使用南华仪器公司生产的NHA-503废气分析仪检测发动机尾气中的气态成分;使用AVL-DISMOKE-4000不透光式烟度计检测发动机排气烟度。

1.2 试验材料

乙醇—生物柴油—柴油混合燃料(EBD)采用3种原料:石化柴油(D)、生物柴油(B)和95%的工业乙醇。其中,石化柴油为市售0#柴油;生物柴油以豆油为原料,国内某生物能源有限公司提供;选择正丁醇和异辛醇作为助溶剂。

1.3 试验内容

发动机使用参数和结构参数在试验中未做任何改动和调整。先对柴油与新燃料的运动粘度、闭口闪点、蒸发性、凝点、十六烷值等进行了测定和计算,并进行了对比和分析;再对比两种燃料的外特性以及负荷特性;最后分析两种燃料的常规污染物排放特性。

2 燃料的理化性质

乙醇—生物柴油—柴油混合燃料与柴油理化性质的比较如表1所示。

1)混合燃料的密度、运动粘度和表面张力与0#柴油接近,这是由于掺混比例较高的生物柴油对工业乙醇起到了补偿作用。

2)混合燃料的凝点与0#柴油接近,这是由于工业乙醇较好的低温流动性对生物柴油起到了补偿作用。

3)由于工业乙醇的掺混,导致混合燃料的闭口闪点较低,仅为0#柴油26.32%,同时使得混合燃料具有较大的低温蒸发性,因此该混合燃料在生产、贮存和输送过程中要有保证安全措施。

4)混合燃料的低热值和十六烷值,较0#柴油分别下降了12.95%,15.51%,会对混合燃料的动力性、经济性和排放性能产生一定影响。

3 发动机特性的比较

3.1 外特性比较

S195柴油机分别燃用0#柴油和乙醇-生物柴油-柴油混合燃料两种燃油时的外特性曲线,如图1所示。由图1可知:柴油机燃用两种燃油时的外特性曲线变化趋势基本保持一致。从定量角度观察,混合燃料的功率和转矩整体上相对柴油小幅度上升了0～2.84%,在最高转速下降低至与柴油基本持平。

混合燃料在外特性下动力性整体较柴油小幅上升,最高转速下降并与柴油基本持平的主要原因是混合燃料的密度大于0#柴油,在不改变发动机参数(如油泵齿条位置),且混合燃料的运动粘度和表面张力与柴油接近的情况下,使得每循环喷油量上升,一定程度上弥补了燃料的低热值;由于混合燃料的十六烷值降低,且工业乙醇汽化潜热大,使得滞燃期延长,产生的可燃混合气增多,预混燃烧阶段的放热率上升[6];乙醇沸点较低,利于燃料汽化,改善雾化质量,且含水的工业乙醇的掺混扩大了混合燃料在燃烧过程中的微爆效应[7]。由此可见,适当的掺混比例可以促进燃烧,提高燃烧压力,虽然燃烧滞后,但预混和扩散燃烧速度相比柴油均有提高,燃烧持续期缩短,终点与柴油接近[8]。

3.2 负荷特性比较

图2和图3是柴油机分别燃用两种燃油在最大功率转速2 000r/min和最大转矩转速1 700r/min下的负荷特性曲线。

由图3可知,负荷特性下柴油机燃用两种燃油时各性能指标变化趋势保持一致,并且乙醇—生物柴油—柴油混合燃料的油耗率和油耗量分别有所上升。在2 000r/min转速时,增幅分别为11.26%～12.14%和7.69%～34.69%。在1 700r/min转速时,增幅分别为11.86%～12.48%和5.18%～19.28%。

4 常规污染物排放特性

4.1 CO排放特性

图4所示为六工况试验循环下D和EBD的CO排放浓度对比情况。随着负荷提高,两种燃料的CO排放浓度呈先下降再增加的趋势。这是由于柴油机在低负荷工作时,乙醇的高汽化潜热和低十六烷值,使得缸内燃烧温度低,混合燃料的CO排放浓度大,较0#柴油上升了200%～433%。在中间负荷下,两种燃料的CO排放浓度下降且基本相同。进入大负荷工作状态后,过量空气系数较小,导致CO浓度再度上升。此时混合燃料中的氧恰好在一定程度上补偿了过量空气系数,提高了燃烧效率,因而进入大负荷后混合燃料的CO排放浓度虽然上升,但远小于柴油,下降了83.3%。

4.2 HC排放特性

图5所示为六工况试验循环下D和EBD的HC排放浓度对比情况。与其他污染物相比,柴油机HC的排放影响因素较多,既有油束雾化的影响,又有缸内燃烧温度和过量空气系数的影响,生成机理复杂[9]。一般在低负荷时,由于喷油量少,混合气较稀,缸内温度低,HC主要产生在稀燃火焰熄灭区。此时,乙醇较高的汽化潜热、较好的低温蒸发性和较差的着火性能都使得混合燃料的HC排放浓度更高,较柴油提高了140%～300%。随着负荷升高,混合气变浓,缸内温度升高,HC主要产生在油束心部、油束尾部和后喷部及壁面油膜处[10]。此时混合燃料的含氧优势随之凸显,其HC排放浓度趋势基本随负荷的提高而减小,并低于柴油,在最高负荷时相较柴油降低了85.7%。

4.3 NOx排放特性

图6所示为六工况试验循环下D和EBD的NOx排放浓度对比情况。两种燃料NOx排放浓度随负荷变化趋势一致。由图6可知NOx的排放浓度基本上随着负荷的提高而增大,因为NOx在燃烧完全、供氧充分及温度较高的稀燃火焰区及油束心部产生较多[10]。当负荷提高,循环喷油量增加,最高燃烧温度升高,导致NOx排放上升。因此,由于混合燃料含氧、小负荷下缸内燃烧温度低的特点,使得NOx排放在中低负荷下,混合燃料的NOx排放浓度低于柴油,下降了13.7%～92.9%;在最大负荷下,混合燃料的富氧作用导致NOx排放浓度高于柴油,升高了12.5%。

4.4 烟度排放特性

图7所示为六工况试验循环下D和EBD的排放烟度的对比情况,以不透光度表征其排放特性。碳烟产生于高负荷时的油束心部、尾部和后喷部氧浓度低的区域,在这些区域混合气温度高,燃油分子容易发生高温裂解而形成碳烟[11]。混合燃料的烟度排放中高负荷低于柴油,尤其大负荷,不透光度下降了69.6%。这是由于混合燃料的含氧作用,改善了燃料浓混合区的缺氧情况,加上乙醇较好的蒸发性,使其在中高负荷下燃烧比较充分,导致排放烟度降低。

5 结论

1)由于生物柴油的补偿作用,EBD的密度、运动粘度、凝点和表面张力与D接近;由于乙醇的补偿作用,EBD的凝点与D接近;EBD具有较大的低温蒸发性,其闭口闪点相较于D下降了73.68%,在实际生产、贮存和输送过程中需要保证安全;EBD的十六烷值和低热值相较于D分别下降了15%和25%,对燃料的动力、经济和排放性能都存在一定程度的影响。

2)台架试验发现:外特性下,S195柴油机燃用EBD的功率和转矩整体上相对D呈现很小幅度的上升。负荷特性下,EBD油耗量和油耗率都有较大幅度的上升,在2 000r/min转速时,增幅分别为11.26%～12.14%,7.69%～34.69%;在1700 r/min转速时,增幅分别为11.86%～12.48%,5.18%～19.28%。这说明, 由于工业乙醇较低的十六烷值和热值等原因,使得发动机在燃用混合燃料时,要达到与柴油相同的动力输出,需要消耗更多的燃料。

3)常规排放试验发现:EBD的含氧特性、较低的十六烷值,加之其中工业乙醇较好的低温蒸发性,使其在CO,HC和碳烟减排方面的优势主要体现在中高负荷下,而在的减排方面的优势则主要体现在中小负荷的情况下。

摘要：先对0#柴油(D)和乙醇-生物柴油-柴油混合燃料(EBD)的部分理化性质进行了试验、计算和对比;再基于柴油发动机台架,研究了柴油机燃用替代燃料后,其动力特性、经济特性和常规排放特性的变化。研究结果表明:在外特性下,柴油机燃用EBD的功率和转矩相对D有0～2.84%的小幅度上升;在负荷特性下,EBD的油耗量和油耗率相对D有较大幅度的上升,在2 000r/min转速时,增幅分别为11.26%～12.14%和7.69%～34.69%,在1 700 r/min转速时,增幅分别为11.86%～12.48%和5.18%～19.28%;在发动机六工况循环下的常规排放中,EBD在CO,HC和碳烟减排方面的优势主要体现在中高负荷下,而在NOx减排方面的优势则主要体现在中小负荷的情况下。

关键词：乙醇-生物柴油-柴油混合燃料,理化性质,柴油机,排放特性

参考文献

[1]AMS-FRL-6924-1-2001,Federal register 40 CFRparts 80,control of emission of hazardous air pollutants frommobile sources[S].

[2]杨培兰.替代燃料的现状与发展趋势[J].上海化工,2009,34(5):25-32.

[3]霍国华.浅析石油替代燃料的开发[J].中外能源,2009,(1):22-26.

[4]张润铎,贺泓,张长斌,等.乙醇柴油混合燃料的制备工艺和废气的排放特性[J].环境科学,2006,24(4):1-6.

[5]高寒,崔勇,郑晋军,等.生物柴油与石化柴油的性能对比研究[J].内燃机,2009,(3):35-37.

[6]余红东,黄锦成,李双定,等.乙醇-柴油混合燃料的燃烧特性研究[J].小型内燃机与摩托车,2009,38(4):72-75.

[7]刘晓辉.乙醇柴油混合燃料发动机特性研究[J].湖北汽车工业学院学报,2008,22(3):17-22.

[8]符太军.乙醇-生物柴油-柴油混合燃料的应用研究[D].北京:中国农业大学,2006.

[9]陆小明.生物柴油发动机燃烧过程与PAHs排放特性研究[D].北京:北京理工大学,2006.

[10]蒋德明.内燃机燃烧与排放学[M].西安:西安交通大学出版社,2002

生物柴油的研究与应用 篇10

1 生物柴油的主要特征

生物柴油是一种清洁能源, 且具备了可再生功能, 仅仅可再生能源这一个特点就足够使生物柴油成为人们热议的话题。生物柴油利用的是工程藻类、动植物油脂、废弃油脂等原料, 通过科学技术的加工再配置适量的石化柴油, 就可以得到混合生物柴油燃料。生物柴油并不是单纯利用生物原料制成, 其中也需要加入一些石化柴油原料, 但是石化燃料配置量是比较任意的, 这也说明了生物柴油的配置能够极大的节省石化燃料。

与不可再生型的石化柴油相比, 生物柴油燃烧使用率高, 其燃烧过程中不会产生污染性气体和有毒物质, 且生物柴油能够进行生物降解, 其实质是一种清洁型、环保型能源。

2 生物柴油的研究意义

社会在发展进步的过程中不断的消耗着各种能源和资源, 石油作为工业生产中最为重要的原料, 对环境造成了污染, 并且当前世界石油资源已经严重匮乏, 人们急需寻找替代产品解决这一问题。基于这种背景下, 新型能源的研发和制造为工业生产提供了动力, 包括生物柴油在内的新型能源类型已经成为了世界热议话题。生物柴油具备的特征上文已经有所介绍, 这种新型能源对我国建设资源节约型社会和环境友好型社会有着重大的促进作用。

3 国外应用生物柴油的介绍

3.1 美国

美国从上世纪90年代开始陆续实现了生物柴油制造工艺推广和发展, 现在生物柴油已经成为美国发展过程之中重要的替代燃料。为了推广这一新型燃料, 美国修改空气洁净法, 严禁在空气污染严重的城市中使用石化柴油, 需要利用清洁型能源代替石化燃料, 当时生物柴油成为了唯一符合修正法案的能源类型。美国为了推动生物柴油的蓬勃发展, 由政府出资为生产研发企业提供了资金补助, 提高了美国石油企业科研的效率。

3.2 欧盟

生物柴油作为燃料使用最多的地区是欧盟国家, 这些国家民众的环保意识较高, 且生物柴油制造工艺水平较高, 能够为汽车等机械设备提供充足的能源。欧盟生物柴油制造工艺主要使用的原料是菜籽油, 将菜籽油与轻质油进行配置然后通过柴油机运作发挥效用。

4 我国对生物柴油的研究及未来发展

4.1 我国对生物柴油的研究现状

当前, 我国已经致力于生物柴油的研发, 我国对生物柴油这一课题的研究主要出自闵恩泽院士, 其明确提出了生物柴油的研究和发展是极为必要的。生物柴油属于清洁、环保型的新型能源, 如果掌握这一技术手段就会获得巨大的经济利润, 我国民营企业之中已经有专门研发生物柴油的企业。

例如, 四川古杉油脂化工公司已经研发出了具备自主知识产权的新型生物柴油技术。生物柴油研发技术主要应用的是大豆油、菜籽油等油脂类作物, 将这些油脂类作物与石化燃料进行混合配置, 实现了生物柴油制造工艺, 我国利用这一制造工艺研发出的生物柴油具有良好的性能, 已经达到了美国生物柴油制造标准。随后我国又开发出以脂肪酶代替酸碱催化剂的生物柴油类型, 以及科研工作者利用碱作为催化剂, 使用油脂也成功合成了生物柴油。

不过相比国外对生物柴油的应用, 我国的生物柴油研究仍然处于初级发展阶段, 多数的生物柴油研究仍然是以甲脂化材料和催化剂研究为主。生物柴油研究的主要制约因素在于这一研究的成本较高, 企业自主研发之中缺少科研资金, 这就需要国家对生产生物柴油的公司进行补贴, 以及政策上的支持。

除此之外, 也要加强对生物柴油的全面研究, 研究重点应该向着改进制造工艺转移, 从根本上降低生产成本。

4.2 生物柴油未来发展

生物柴油的诞生象征着人类科研技术的进步, 这一成果表明未来清洁型能源不再是梦。生物柴油具备了绿色无污染的优势, 而且其作为可再生能源类型受到世界各国的青睐, 相信随着社会经济水平的发展和科学技术的进步, 生物柴油产量将会大幅度提升, 未来人们将以这种安全、清洁的能源类型代替石化燃料。

5 结语

综上所述, 生物柴油的推广和使用已经成为必然趋势, 我国应该着重研究生物柴油的生产制造工艺, 加大科技和资金的投入, 促进自主科研成果的诞生, 尽早实现这一清洁型能源的推广使用。

参考文献

[1]王道杰, 杨翠玲, 乔明宽.生物柴油的发展概况与应用前景[J].化学研究, 2009, 03.

[2]王永强, 谢红兵, 常新耀, 苗志国.生物柴油的应用现状及发展趋势[J].河南科技学院学报 (自然科学版) , 2010, 04.