大豆生物柴油（精选5篇）
大豆生物柴油 篇1
0 引言
生物柴油是以油料作物、野生油料植物和工程微藻等水生植物油脂, 以及动物油脂、餐饮废油等可再生原料通过酯交换工艺制成的甲酯或乙酯燃料, 这种燃料可供内燃机使用[1]。按化学成分分析, 其一般由14～18个碳原子的高级脂肪酸单酯组成, 与石化柴油非常相似。其中, 含77%的碳、12%的氢、11%的氧以及微量的氮[2]。由于生物柴油中有氧元素的存在, 热值比石化柴油低6.3%左右, 但是这种轻微的能量损失通过氧对生物柴油燃烧的促进作用而获得补偿。近年来, 美国、加拿大、巴西、日本、澳大利亚、印度等国均已加大生物柴油商业化投资力度, 使生物柴油的投资规模增大, 开工项目增多。根据欧盟的统计[3], 2001年世界生物柴油总产量达到96万t, 2002年为164万t, 2003年为300万t, 2005年达到了600万t, 预计2007年将达到1 400万t。根据美国Freedonia咨询公司研究分析, 生物柴油需求将快速增长, 到2006年增速为30%, 生物柴油市场价值从2003年3 500万美元增长到2006年1.3亿美元。
我国生物柴油的研究与开发虽起步较晚, 但发展速度很快, 研究内容涉及到油脂植物的分布、选择、培育、遗传改良及其加工工艺和设备。为此, 笔者以大豆油为原料, 进行了生物柴油制备的工艺研究。
1 材料与方法
1.1 材料
大豆油购买于昆明市的粮油市场, 原料的酸值为1.6, 可直接进行酯交换反应制备生物柴油;辅助原料为无水甲醇和氢氧化钾, 均为分析纯试剂。
1.2 实验装置
根据所选用的生物柴油制备工艺[4], 实验所用装置为自行制作, 酯交换反应为加热回流, 反应装置如图1所示;生物柴油的精制, 采用水蒸气带馏工艺, 制备装置如图2所示。
1.3 方法
1.3.1 生物柴油制备的实验方法
1) 酯交换反应。
在装有冷凝管的250mL三颈瓶中, 加入原料油。加热至一定温度后, 在搅拌下加入一定量的催化剂和甲醇, 恒温后开始计时, 反应120min后测定其转化率。反应结束后, 首先进行常压蒸馏, 回收过量的甲醇, 然后将混合液进行分离, 分出甘油层。
实验因子安排采用L9 (34) 正交表[5], 物质和条件因子及水平的设计如表1所示。
2) 生物柴油精制。
本实验采用水蒸汽蒸馏法对粗产物生物柴油进行精制, 主要对生物柴油进行纯化和脱色, 提高生物柴油的品质。生物柴油蒸馏瓶内液相温度控制在180～280℃, 气相温度为120～220℃, 水蒸汽温度为100℃左右, 水蒸汽通入量为5L/min。蒸馏出来的生物柴油不断从水蒸汽发生器中分离, 冷却后与水分离, 得到精制的生物柴油。
3) 生物柴油精制后剩余物的处理。
蒸馏后的残余物进入副产物回收工艺中, 进行酸化处理, 将其中的皂转化成脂肪酸, 然后分离, 酸化油返回到循环气相酯化“工艺中”。
4) 甘油和硫酸钾的回收。
在制备生物柴油过程中得到的粗甘油入粗甘油储罐中, 然后进行酸化油、甘油和硫酸钾的回收, 主要包括酸处理、脱胶和碱处理3个步骤。
1.3.2 分析测定项目
1) 原料理化指标分析。分析方法主要参照油脂动植物油和柴油的相关国标对原料进行分析测定[6]。
2) 产品品质指标分析。对生物柴油进行分析测定的主要品质指标及分析方法按文献[6]。所采用的分析方法主要参照油脂动植物油和柴油的相关国家标准。
3) 酯化反应中原料的酸值测定。参照国标GB/T 14489.3-93, 用KOH乙醇溶液滴定游离脂肪酸, 根据下式计算酸值 (mgKOH/g油) , 即
酸值undefined
式中 VKOH—滴定消耗KOH标准溶液的体积 (mL) ;
CKOH—KOH标准溶液浓度 (mol/L) ;
m油—分析试样的质量 (g) 。
4) 酯交换反应的原料转化率测定。利用皂化—高碘酸氧化法测定产物中的甘油含量, 由于甘油产率等于原料的转化率, 采用下式计算得到原料和产品中的甘油含量 (%) , 即
甘油undefined×100%
式中 V0—空白滴定消耗硫代硫酸钠标准溶液的体积 (mL) ;
V—试样滴定消耗硫代硫酸钠标准溶液的体积 (mL) ;
CNa2S2O3—硫代硫酸钠标准溶液的浓度 (mol/L) ;
m样—分析试样的质量 (g) 。
利用下式计算原料的转化率 (%) , 即
转化率=undefined×100%
式中 GT—原料理论甘油含量;
BG—生物柴油甘油含量。
5) 副产物中甘油含量的测定按文献[7]。
6) 生物柴油中脂肪酸甲酯的组成及含量测定。产品中脂肪酸甲酯的组成及含量分析采用气相色谱法。分析仪器为HP4890D型气相色谱仪和HP3365 CHEMSTATION色谱工作站, 色谱柱为3m长的SE-52毛细管柱, 检测器为氢火焰离子化检测器 (FID) , 载气为干燥的高纯氮气, 燃气为高纯氢气, 用压缩空气作助燃气。色谱工作参数设定值:进样器温度220℃, 检测器温度275℃。柱温采用程序升温:初始温度150℃, 保持1min, 升温速率20℃/min, 升至225℃, 保持5min, 升温速率5℃/min, 终温250℃, 保持时间2min。试样配成0.08g/mL的三氯甲烷溶液, 进样量为0.8 L。
2 结果和讨论
2.1 原料大豆油理化指标分析测定结果
市售大豆油的理化指标测定结果如表2所示。表2结果表明, 大豆油密度较高, 不适宜直接作为柴油使用;酸值较低, 可直接进行酯交换制备生物柴油;脂肪酸含量较高, 是制备生物柴油的理想原料。
2.2 酯交换反应的优化条件
以大豆油的转化率为考察指标的实验结果和统计分析如表3所示。
Y为转化率, Y2为转化率的平方。
从表3中的实验结果和数据分析可以得出, 大豆油的FA, FB, FC值均小于F0.10 (2, 2) =9.00, 表明:物质甲醇用量A、催化剂用量B和条件温度C的水平变化对这三种原料油的转化率均无显著影响。但从表3中大豆油的温度条件C的水平变化看, 60℃时的转化率最高。
从能耗考虑, 在物质甲醇用量A和催化剂用量B分别选定为第二水平的条件下进一步考察转化率随温度变化的实验。大豆油的转化率随随的变化如图3所示。从图3可以看出, 60℃时的转化率为最高。
综上分析:酯交换反应的最好反应条件参数:甲醇用量为油重的20%, 催化剂用量油重的1.2%左右, 反应温度为60℃左右, 反应时间为120min。
2.3 验证实验
在上述优化条件下进行验证实验, 120min后大豆油的转化率为97.52%, 生物柴油的得率为96.79%, 同时得到占生物柴油质量9.95%的粗甘油。酯交换过程中转化率随时间的变化如图4所示。从图4中可以看出, 反应60min后, 转化率已达到了94.75%。
2.4 生物柴油的主要品质指标
大豆油制备得到的生物柴油的品质指标的测定结果如表4所示。从表4中可看出, 以大豆油为原料, 采用"循环气相酯化—酯交换—水蒸汽蒸馏"工艺制备得到的生物柴油, 品质指标基本达到美国的ASTM和德国DINE生物柴油标准[8], 并与我国的0#柴油品质指标接近[8]。得到的粗产品经水蒸汽蒸馏可得到淡黄色的产品, 产品纯度可达98.94%。由大豆油制备得到的生物柴油中脂肪酸甲酯的含量的气相色谱分析结果如表5所示。
从表5中可以看出, 以十六碳和十八碳为主的脂肪酸甲酯含量达89.48%。
3 结论
1) 大豆油的酯交换工艺的最佳操作条件:甲醇用量为油重的20%, 催化剂用量为油重的1.2%, 反应温度为60℃, 反应时间为120min。
2) 大豆油生物柴油的得率为96.79%, 并得到占原料质量为9.7%的粗甘油 (甘油含量为81.15%) 和1.70%的粗硫酸钾, 以及2.60%的棕色液态残余物 (其中含脂肪酸甘油酯58.99%) 。
3) 采用“循环气相酯化—酯交换—水蒸汽蒸馏”工艺制备得到的生物柴油, 品质指标基本达到美国的ASTM生物柴油标准, 可作为内燃机的代用燃料直接使用。
参考文献
[1]李昌珠, 蒋丽娟, 程树棋.生物柴油-绿色能源[M].北京:化学工业出版社, 2005.
[2]Srivastava A, Prasad R.Triglycerides-Based Diesel Fuels[J].Renewable and Sustainable Rev., 2000 (4) :111-113.
[3]张无敌, 尹芳, 李建昌, 等.生物柴油的开发利用现状分析[J].中国建设信息阳光能源, 2006 (2) :59-61.
[4]张无敌, 苏有勇, 刘士清.一种动、植物油制备生物柴油的工艺:中国, ZL200510075750.6[P].2005-10-07.
[5]汪荣鑫.数理统计[M].西安:西安交通大学出版社, 2000.
[6]张无敌, 刘士清, 尹芳, 等.菜籽油酯交换制备生物柴油的工艺研究[J].农业工程学报, 2006, 22 (11) :131-134.
[7]刘伟伟, 苏有勇, 张无敌, 等.生物柴油中甘油含量测定方法的研究[J].可再生能源, 2005 (3) :14-16, 20.
[8]刘伟伟, 张无敌.生物柴油的理化性质及质量标准[J].能源工程, 2006 (1) :27-31.
大豆生物柴油 篇2
甲方：
乙方：代表人： 代表人：
经双方协商一致，签订生物柴油供应合同条款如下：
一、甲方供应生物柴油给乙方使用。
二、甲方承担乙方油箱一半费用，另一半乙方承担。但必须保证使用甲方生物柴油两年以上；如果乙方停止甲方送油，要赔偿甲方油箱费用及甲方投入的费用。
三、甲方供给乙方生物柴油价格为每吨叁仟玖百元整（￥3900.00/吨），甲方不提供发票。
四、乙方使用甲方生物柴油的费用必须一月一结，每月1-8日结算。不得拖欠，如有拖欠甲方可停止供油。
五、乙方应提前1-2天通知甲方送油。
六、交货方式、地点：甲方送油到乙方指定地点。
七、甲乙双方必须按如下期限（供货），乙方需提前12小时通知甲方送货、地点及数量，如甲方没能在指定时间及地点把油送到位，所造成的停工损失由甲方承担。
八、生物柴油价格随市场变化调整，如双方不能合意，双方有权终止合同。
九、本合同一式二份，甲乙双方各一份，本合同签字生效。
甲方：
代表人：
乙方： 代表人： 联系电话：
大豆生物柴油 篇3
目前制备生物柴油的方法，主要有酸碱催化法、超临界甲醇法、生物酶催化法等。国外发展生物柴油较早，但国内研究较晚。现阶段生物柴油的研究重点是降低其生产成本、提高转化率。张磊、周仪、曾红舟等人以菜籽毛油和大豆油为原料，比较研究了以NaOH、KOH、浓硫酸和固体酸作为催化剂进行酯交换反应制备生物柴油的效果。结果表明，KOH作为催化剂效果最适宜，酯交换的转化率达91.01%。陈正中以菜籽油、大豆油、调和油为植物油原料，引入四氢呋喃(THF)作共溶剂，KOH作催化剂，其中大豆油生物柴油收率最大值为97.5%。杨军峰等人研究表明，反应物中水的含量对酯的产率有很显著的影响，当水的质量含量超过1.0%时，产率降为0。本文选用酸值小于2、水分质量分数为1.0%以下的大豆油为原料，研究在KOH催化剂作用下与甲醇进行酯交换反应制备生物柴油的工艺，考察了反应温度、反应时间、催化剂用量、甲醇与菜籽油的摩尔比等操作条件对酯交换反应的影响，以期为生物柴油制备新技术的建立和发展提供一定的思路和试验依据。
1 材料与方法
1.1 试验材料
试验原料：大豆油(食品级)，中粮食品营销有限公司。试验药品：甲醇、KOH、盐酸均为分析纯。
试验主要设备：SHZ-Ⅲ循环水真空泵、RE-52A旋转蒸发器，上海亚荣生化仪器厂;AR2140电子天平，奥豪斯公司;DHG9070A电热恒温干燥箱，上海精密试验设备有限公司。
1.2 试验方法
1.2.1 醇盐的制备
为使甲醇获得较高的反应活性，将KOH加入到甲醇中进行处理，制备醇盐。方法：圆底烧瓶中加入适量甲醇，按大豆油质量的1.0%称取KOH投入其中，加热并控制蒸汽温度60～65℃进行回流，反应时间控制在0.5 h为宜。
1.2.2 酯交换反应
取酸值小于2、水分质量分数为1.0%以下的大豆油50g于250mL三口烧瓶中，加入一定量醇盐溶液，在反应温度为60℃条件下作用40min后，静置、分层，取上层液蒸馏、水洗，最后制到淡黄色澄清的产品，即生物柴油。下层液蒸馏即得甘油。
1.2.3 生物柴油转化率的测定方法
取生物柴油样品，离心(4 000r/min, 10min)，上层用10～20倍的水洗2～3次，再离心，取上层采用旋转蒸发器真空脱水(85～86℃，0.02MPa)，再精确称取一定质量的样品加碱液皂化(按GB 5534-85植物油脂检验-皂化价测定法)，反应完毕冷却至室温，并在皂化液中加酚酞指示剂1～2滴，用2mol/L的盐酸中和未反应的碱，然后转入100mL容量瓶，定容，得甘油液。测定其中的甘油含量，并计算样品中甘油的质量分数，计G1。
取原料油按同样方法皂化、中和后制成甘油液，再测定其中甘油的质量分数，计G2。
2 结果与分析
2.1 醇油摩尔比对生物柴油转化率的影响
称取质量为50g的大豆油5份，分别按醇油摩尔比为4∶1、5∶1、6∶1、7∶1、8∶1加入醇盐溶液，催化剂用量为油脂质量的1.0%，在温度为60℃的条件下，作用40min，结果如图1所示。
由图1可知：醇油比在4∶1～6∶1时，随着醇油比的增大，生物柴油转化率迅速增加;当醇油比大于6∶1时，生物柴油转化率反而下降。这是因为酯交换反应是可逆反应，当反应达到平衡点后，反应并不受醇油比影响，而当甲醇大大过量时不仅使甘油的分离更加困难，而且也提高了回收甲醇的费用。所以，最适宜的醇油摩尔比为5∶1～6∶1。
2.2 反应温度对生物柴油转化率的影响
称取质量为50g的大豆油5份，按醇油摩尔比为6∶1加入醇盐溶液，催化剂用量为油脂质量的1.0%，分别在温度为40、50、60、70、80℃的条件下作用40min，结果如图2所示。
由图2可知：生物柴油转化率随反应温度的增大而增大，当反应温度为60℃时，生物柴油转化率最高。60℃以后生物柴油转化率反而下降。因此，反应温度选在50～60℃适宜。
2.3 催化剂用量对生物柴油转化率的影响
称取质量为50g的大豆油6份，按醇油摩尔比为6∶1加入醇盐溶液，催化剂用量分别为油脂质量的0.6%、0.8%、1.0%、1.2%、1.4%、1.6%，在温度为60℃的条件下，作用40min，结果如图3所示。
由图3可知：随着催化剂用量的增加，生物柴油转化率先增大后减小。当催化剂用量达到油脂质量的1.2%时，生物柴油转化率达到最大值，继续增加催化剂用量，转化率反而降低。主要原因是游离脂肪酸与多余的催化剂发生皂化反应产生乳化现象，同时减弱了催化剂的活性，因而转化率降低。因此，建议催化剂用量为油脂质量的1.0%～1.2%。
2.4 反应时间对生物柴油转化率的影响
称取质量为50g的大豆油6份，按醇油摩尔比为6∶1加入醇盐溶液，催化剂用量为油脂质量的1.2%，在温度为60℃的条件下，分别作用30、40、50、60、70、80min，结果如图4所示。
由图4可知：随着反应时间的延长，生物柴油的转化率呈上升趋势。从升温开始计时，反应时间达到60min时，已得到较高的转化率。继续延长反应时间，转化率变化趋于平缓。因此，建议反应时间选择60～70min。
2.5 正交试验确定酯交换法制备生物柴油的最适宜工艺
在单因素的基础上，选取醇油摩尔比、催化剂用量、反应温度和反应时间为考察因素，以生物柴油转化率为指标，采用L9 (34)进行正交试验，试验结果见表1。
由表1可知：各因素对生物柴油转化率的影响主次顺序依次为：A(醇油摩尔比)﹥D(反应时间)﹥B(催化剂用量)﹥C(反应温度)。最佳水平的组合为A2B2C2D2，即醇油摩尔比为6∶1，催化剂加入量为油脂质量的1.2%，反应温度为60℃，反应时间为60min，在此工艺条件下生物柴油最高转化率达到96.87%。
3 结论
(1)试验证明，应用大豆油制备生物柴油是可行的，在醇油摩尔比、催化剂用量、反应温度和反应时间等4个考察因素中，醇油摩尔比的影响最大。
(2)本试验中，通过正交试验得出了大豆油酯交换法制备生物柴油的最适宜工艺条件。结果表明：醇油摩尔比为6∶1、催化剂加入量为油脂质量的1.2%、反应温度为60℃、反应时间为60min，在此工艺条件下生物柴油最高转化率达到96.87%。
摘要：为提高生物柴油的转化率, 以大豆油为原料, 研究在KOH催化剂作用下与甲醇进行酯交换反应制备生物柴油的工艺, 考察了反应温度、反应时间、催化剂用量、甲醇与菜籽油的摩尔比等操作条件对酯交换反应的影响。结果表明:反应最适宜工艺条件为:醇油摩尔比6:1、催化剂加入量为油脂质量的1.2%、反应温度60℃、反应时间60min, 在此工艺条件下生物柴油最高转化率为96.87%。
关键词：大豆油,酯交换,生物柴油
参考文献
[1]周良虹, 黄亚晶.国外生物柴油产业与应用状况[J].可再生能源, 2005, 122 (4) :62～67.
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[4]张磊, 于世涛, 刘福胜.酯交换法制备生物柴油的工艺研究[J].青岛科技大学学报, 2006, 27 (5) :399～402.
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[7]杨军峰, 王忠, 孙平, 等.双低菜籽油制备生物柴油的工艺探索[J].柴油机, 2003 (3) :43～45.
[8]浦丽莉, 王硕, 张雪霞, 等.大豆油制备生物柴油试验研究[J].黑龙江工程学院学报:自然科学版, 2008, 22 (2) :75～77.
大豆生物柴油 篇4
生物肥对提高作物质量,减少化肥施用量。降低成本,增强土壤肥力和改善农产品品质等方面有显著的效果,尤其是能有效改良土壤结构,改善由于使用化肥而引起的突然板结现象,分解土壤中的连年有害物质,提高土壤肥力,而且对改善农业生态环境、耕暄土壤、生产绿色食品和农业可持续发展有重大的深远意义。
1 材料与方法
1.1 供试材料
1.1.1 试验地点
黑龙江省农业科学院试验地,前茬作物为玉米。
1.1.2 供试地点基础肥力
基础肥力见表1。
1.1.3 供试品种
大豆品种东农42,2006年5月10日播种。
1.1.4 试验肥料
N(尿素)、P(磷酸一铵)、K(硫酸钾)、生物肥(颗粒状)
1.1.5 试验设计
大田试验,施化肥300 kg ·hm-2,播种量75 kg ·hm-2。设5个处理。3次重复,水平复因子随机区组试验设计。小区面积42 m2(垄宽0.7 m、垄长15 m,每垄播种量80 g,每小区4垄),采用人工播种方式。各处理化肥施用量相同,以仅施用化肥为对照。分别在苗期、盛花期、鼓粒期、成熟期进行取样。测定生物肥对大豆植株形态的影响(大豆株高、根长),以及对大豆产量的影响。
5个处理分别为:A:常规施化肥+32 g·小区-1生物肥;B:常规施化肥+48 g·小区-1生物肥;C:常规施化肥+64 g·小区-1生物肥;D:常规施化肥+80 g·小区-1生物肥;CK:常规施化肥。
1.2 测定方法
1.2.1 土壤基础肥力的测定
土壤中碱解氮的测定:扩散法;土壤中速效磷的测定:0.5 mol·L-1碳酸氢钠法;土壤中速效钾的测定:火焰光度法;pH测定:pH计。
1.2.2 大豆各生育期生物性状的测定
分别对大豆苗期、盛花期、鼓粒期、成熟期取样测定。每个时期每个小区取11株左右植物样,取10株进行测定,测量性状为:株高、根长等。最后为收获时期数据分析。
1.2.3 产量测定
每个小区取10 m2测产,然后折算成kg·hm-2。
2 结果与分析
2.1 生物肥对大豆株高的影响
由图1可以看出,在大田试验中苗期到盛花期大豆植株增高特别快,盛花期到成熟期大豆植株增长减慢。处理A、B、C、D在苗期、盛花期、鼓粒期、成熟期总体上是促进大豆植株增高的。处理A、B在各时期的株高非常接近。C处理对植株的增高效果最大。
2.2 生物肥对大豆根长的影响
由图2可知对大豆根长影响不显著,苗期A、B、C、D根长生长快于对照,B处理根长最长。鼓粒期和成熟期D根长最长。后期根系的生长速度下降,这与作物的生活力降低有关。
2.3 大豆收获时数据分析
由表2可以看出,生物肥对大豆主茎节数和荚数的增加是有促进作用的。处理A、B、C、D的单株百粒重都高于对照,单株粒重也高于对照。其中B处理百粒重最大,处理C的单株粒重最大。
2.4 生物肥对大豆产量的影响
由图3可以看出在大田试验中处理A、B、C的大豆平均产量一次升高并明显高于对照,处理C到D的大豆平均产量急剧下降,且D低于对照。其中A平均产量高于对照16.03 kg,增产8%,B高于对照18.86 kg,增产9.14%,C高于对照21.03 kg,增产10.49%,D低于对照2.97 kg。说明随着生物肥的使用量的增加,大豆产量逐渐增加,但达到最高峰后会随着使用量的增加而减少。
2.5 生物肥对大豆产量变化规律的影响
本试验还对生物肥对大豆的产量进行了研究,得出生物肥对大豆产量的一元二次方程,Y=1591.2+108.86x-4.6219x2。当施入量为11.78kg·hm-2时,产量达到最大值2 232.20 kg·hm-2,再增加反而使产量下降(见图4)。
3结论
生物肥的施入有利于增加大豆荚数,提高大豆百粒重和单株粒重。生物肥对大豆植株生长有促进作用。总体上在各个时期均能够促进大豆植株生长但对大豆植株增长的影响在苗期、盛花期、鼓粒期体现不明显。本试验还表明生物肥的施用可以显著提高大豆产量。生物肥的施入量与大豆产量的一元二次方程,Y=1591.2+108.86x-4.6219x2。施入量为11.78 kg·hm-2时,产量达到最大值2 232.20 kg·hm-2。这个施肥量为最佳施肥量。
参考文献
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大豆生物柴油 篇5
随着我国工业经济的迅猛发展,汽车工业也快速发展,大中城市的汽车保有量不断增加,与此同时能源问题也日趋严峻,我国石油对外依存度已经超过了50%,在这样的背景条件下,生物柴油应运而生。生物柴油是一种绿色环保可再生能源,但是要直接作为燃料应用在发动机上还是有很多问题,因此有必要对柴油和生物柴油在喷雾特性方面的差异进行研究,对改进生物柴油的喷雾特性做出试验指导意义[1]。
评价喷雾特性的指标可分为宏观指标和微观指标,宏观指标包括喷雾锥角、贯穿距等;微观指标包括喷雾液滴的平均直径、特征直径、液滴尺寸的相对尺寸范围和发散边界等。喷雾的宏观特性研究方法主要有高速摄像法,白纸浸润法;而研究液滴粒径分布的方法可以分为机械测量法、电子测量法、光学测量法[2,3,4,5]。我们研究宏观特性是通过高速摄像系统进行的,而对液滴粒径分布是通过马尔文激光粒度分析仪试验台进行测量的。
1 喷雾特性试验
试验采用高速摄像系统和马尔文激光粒度分析仪试验台分别对柴油和生物柴油两种燃料进行喷雾特性对比研究,所用的喷油器为自制的S型单孔喷嘴,喷孔直径为0.366 mm,喷油器起喷压力为16MPa。本试验主要研究的是柴油和生物柴油的喷雾特性,由于喷嘴出口附近的油束紧密,不便于测量,因此选用将燃油直接喷入大气环境,在距喷嘴L=80 cm处进行测量的方案。
喷雾宏观特性的试验是通过高速摄像系统完成的,高速摄像系统由高速摄像机、手压喷油泵、计算机、持续光源、三脚架、黑色PVC背景板、标尺组成,见图1。喷雾微观特性试验是通过马尔文激光粒度分析仪试验台完成的,马尔文激光粒度分析仪试验台主要由马尔文激光粒度分析仪,手压喷油泵和计算机组成,见图2。
2 试验结果与分析
2.1 柴油与生物柴油喷雾宏观特性对比
图3、图4、图5分别为柴油和生物柴油在不同喷雾时刻下的喷雾图像、贯穿距和喷雾锥角的对比图。
从图3可以看出,柴油和生物柴油的喷雾油束发展过程基本相同,在喷雾早期,燃油以很高的速度喷到大气中,燃油刚从喷嘴喷出,还未来得及碎裂,油束的运动速度很快。随着喷雾油束的进一步向前发展,环境气体的阻滞作用使得油束前端面的发展速度下降。同时,由于气、液体的相对速度会造成液束的碎裂,使得油束的径向发展趋势明显增加,利于燃油与空气更充分的混合。
从图4可以看出,柴油和生物柴油的贯穿距离都随着喷射时间的增加而增长,而且不同时刻生物柴油的贯穿距离都比柴油的大。这是因为在同样的起喷压力下,生物柴油的密度比柴油的要大,喷雾油束的动能大,再加上表面张力和运动粘度比柴油的大,周围气体对喷雾油束的扰动小,所以生物柴油的贯穿距比柴油的大。
从图5可以看出柴油和生物柴油的喷雾锥角随喷雾时间的增加呈现先减小后增加的趋势,而且柴油的喷雾锥角大于生物柴油。分析认为,喷雾锥角曲线的变化趋势主要受喷油压力和喷雾油束周围空气卷吸作用的影响,开始阶段,喷嘴压力室的压力对锥角的影响起主要作用,随着喷雾的进行压力室的压力随之下降,喷雾锥角开始减小。但是到后期,由于气体对喷雾油束的影响占主导地位,喷雾油束与周围空气之间的卷吸作用增强,喷雾锥角又开始增加,由于生物柴油的表面张力比柴油的大,喷雾油束周围的空气扰动作用小,生物柴油的喷雾锥角小。
2.2 雾化液滴的Sauter平均直径
喷雾液滴的平均直径的定义是:假想一个喷雾场里的液滴尺寸完全均匀一致,用这个喷雾场来代替实际液滴尺寸不均匀的喷雾场,这个假想的均匀喷雾场里的液滴直径称为平均直径。Sauter平均直径通常应用于质量输运和燃烧反应,多用于动力装置的喷雾中,其计算式为:
式中,N是直径为D的油滴数目,一般情况下最小直径通常取Dmin=0。
表1为距喷嘴L=80 cm处生物柴油与柴油的Sauter平均直径。由表2可以看出,生物柴油的Sauter平均直径明显大于柴油,这是由于生物柴油的粘度和表面张力大于柴油。液体的粘度对雾化液滴的尺寸有一定的影响,生物柴油的运动粘度较大使其雷诺数Re减小,减缓了湍流的发展,阻止喷雾液膜射流或圆射流的碎裂,使雾化液滴粒度较大,液滴碰撞粘合成较大液滴的概率增加,从而使雾化液滴的索特平均直径变大;另外,喷雾是由于气液相对速度的影响使连续喷出的液体碎裂成小颗粒液滴的过程,液体的表面张力阻止液滴表面的变形使液滴趋于稳定,液滴碎裂所需要的最小能量等于液滴表面张力与表面积的增加量之积。由于生物柴油的表面张力大于柴油,雾化所需要的最小能量大于柴油,不易雾化。
注:D0.1为液滴体积占全部液滴总体积10%时,对应的特征直径,其余以此类推。
2.3 雾化液滴的尺寸分布
生物柴油与柴油雾化液滴的尺寸体积分布和累积体积分布见图6和7,分别反应了雾化油滴的体积百分比和累积体积随油滴直径的变化关系。
从图6可以看出,柴油和生物柴油的尺寸体积分布曲线变化趋势形同,两者的雾化液滴直径都在200μm以下,而且小尺寸和大尺寸的粒子所占体积都比较小,中间尺寸的粒子所占体积比较多,但是生物柴油的曲线分布相对柴油向大颗粒方向偏移。从图7可以看出,由于生物柴油的大颗粒液滴所占数目比柴油的多,所占的体积比例大,所以生物柴油的累计体积分布曲线偏向大颗粒液滴方向。从图6、图7的结果综合来看,由于生物柴油的表面张力和运动粘度比柴油的大,因此生物柴油的雾化效果比柴油的差。
2.4 雾化液滴的特征直径与发散度
特征直径是指在液滴尺寸体积分布中,该直径以下的所有液滴的体积占全部液滴总体的百分比,并将此比值以下标的形式标出,最常用的特征直径为质量中值直径D0.5。从液滴尺寸累计体积分布曲线图可以得到特征直径。表2为柴油和生物柴油在L=80 cm处液滴尺寸分布的特征直径。由表2看出生物柴油的各个特征直径明显大于柴油,D0.1,D0.5较大说明生物柴油小尺寸液滴的体积之和占总体积的百分比小于柴油。又因为生物柴油小颗粒液滴尺寸大于柴油,因此小尺寸液滴的数目少于柴油,生物柴油的特征直径D0.999较大说明大颗粒液滴尺寸大于柴油,大颗粒液滴尺寸分布范围较大。
为了评价最大液滴直径的发散程度分别定义了液滴的发散边界和相对尺寸范围,发散边界(△b)表示最大直径相对于质量中值直径的发散度,相对尺寸范围(△s)表达了液滴直径相对于质量中值直径的范围。
从表3可以看出生物柴油的发散边界比柴油的大,而相对尺寸范围都比柴油的小,这是由于生物柴油的大尺寸的颗粒比较多,占总体积的百分比比较大,而小颗粒液滴尺寸相差不大的缘故造成的。
3 结论和改进生物柴油喷雾特性的方法
a.由于生物柴油的运动粘度、密度、表面张力都比柴油的大,挥发性也比较差,所以生物柴油的喷雾锥角比柴油的小,喷雾贯穿距比柴油的长,生物柴油的喷雾液滴的尺寸体积分布和累计体积分布曲线都偏向大液滴方向,发散边界较大,雾化质量比柴油的差。
b.要想将生物柴油直接应用到柴油机上,实现良好的雾化和燃烧特性,还得做出相应的改善,改变其物理性质。比如可以按不同比例配制柴油和生物柴油的混合燃料,生物柴油按不同比例溶解液化石油气的混合燃料,向生物柴油加入不同的添加剂配制成的微乳化生物柴油等。
摘要：为了研究生物柴油与柴油在雾化质量方面的差异,在燃油雾化质量评价理论的基础上,采用高速摄像机和马尔文激光粒度分析仪对柴油、生物柴油的喷雾特性进行了对比研究;计算分析了喷雾发展的不同时刻的喷雾锥角、贯穿距离,以及喷雾液滴的尺寸体积分布、累计体积分布、特征直径、平均直径和发散边界。结果表明:由于生物柴油的运动粘度、密度和表面张力都大于柴油,所以生物柴油的贯穿距、平均直径、特征直径、发散边界都比柴油的大,喷雾液滴的尺寸体积分布曲线和累计体积分布曲线都偏向大颗粒方向,喷雾锥角和相对尺寸范围比柴油的小,这说明生物柴油的雾化质量差。
关键词：能源,生物柴油,喷雾,尺寸分布
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