新型乳化燃料实验研究及应用
开篇：润墨网以专业的文秘视角，为您筛选了一篇新型乳化燃料实验研究及应用范文，如需获取更多写作素材，在线客服老师一对一协助。欢迎您的阅读与分享！
[摘要]本实验采用SPG（Shirasu-Porous-Glass）膜乳化方法制备新型乳化柴油，并对新型乳化柴油燃料进行能耗及尾气成分含量的实验研究。学生通过创新实验来研究柴油乳化技术，利用实验设备来测试尾气成分含量，实验结果表明利用乳化柴油作为燃料，不仅可以节约能源，提高燃耗效率，而且可以降低烟气中的氮氧化物、CO及烟尘的含量。
[关键词]乳化柴油；节能减排；柴油发电机
[中图分类号]TM314.012[文献标识码] A
1引言
随着我国工农业、交通运输业的飞速发展，对柴油的需求日益增大，我国现在每年内燃机消耗的汽油、柴油量占国产汽油和柴油消耗量的80%，而我国的石油产量不足[1]。2007年，我国进口石油1.8328亿吨，2008年净进口2.0067亿吨，2009年进口2.038亿吨。2010年前8个月，对进口石油的依赖度上升为53.9%，超过了国际上公认的50%的警戒线[2]，油品短缺现象越来越明显，在一定程度上制约着我国经济的发展。柴油机排放的大量有害气体如HC、CO、SO、NO和PM（微粒）等，柴油燃烧后微粒排放是汽油的30-70倍，给环境带来了巨大负担。柴油掺水乳化后，由于燃烧过程中存在微爆[3]，所以乳化油作为燃料不仅节约能源、提高燃耗效率，而且减少环境污染，降低烟气中的氮氧化物、硫氧化物及烟尘含量[4]-[7]。本文以实验的方法，采用SPG（Shirasu-Porous-Glass）膜乳化柴油探究乳化柴油在节约油耗和减少有害尾气排放上的作用。
2乳化方法及乳化设备
乳化液的制备方法很多，可以分为静态乳化和动态乳化，下面介绍几种。
2.1机械搅拌法
机械搅拌乳化是一种很常用的乳液制备方法，它是利用机械搅拌将该分散相分散到含有乳化剂的连续相中。机械搅拌乳化法通常用于制备粒径较大（如10～200μm）的乳液。机械搅拌乳化法所制备的乳液的粒径及其分布除了与乳液体系本身的组成有关外，还会受搅拌器和反应器的形状及相对大小的影响。
2.2高速剪切法
高速剪切法与机械搅拌法类似，高剪切均质机就是一个很好的实例，这种制备乳化液的均质机一般都是指转子-定子均质机，其工作流程一般为：待混合物料被高速旋转的转子形成的强大吸力吸入剪切头，在转子刀刃和定子内壁之间受到强大的剪切力而高速穿过定子头的细孔进入待剪切液中，最后混料从剪切头呈放射状高速喷射至混合容器边，与此同时，新的混料被吸入剪切头参与下一混合循环。
2.3超声波法
超声波乳化法是利用声能产生的高的局部剪切力和能量冲击波将分散相分散到连续相中的乳化技术。超声波在液体中传播时会产生多种效应，如热效应和空化效应，一般认为超声空化是超声乳化的必要条件。声空化就是指液体中的微小气泡核在声波的作用下振荡、生长、收缩乃至崩溃等一系列动力学过程。超声波乳化器采用模块化标准基件组装，产量大，产品用于轮船、发电站的低速二冲程柴油发动机。利用超声乳化法制备的乳液粒径较小，分布较窄，乳化剂的用量比机械搅拌法少，该法常用于制药工业及日常用品工业部门，如生产乳剂药品、化妆品及皮鞋油等。
2.4乳化管乳化法
乳化管是上世纪70年代初开始发展的一种静态混合器，结构简单、性能高效可靠，受到不少企业的欢迎。其工作原理是让流体在管线内冲击各类板元件，增加流体层流运动的速度梯度或形成湍流。由于湍流时流体会在断面方向产生剧烈涡流，流体将受到较强的剪切力作用而被分割混合，形成乳化液。
2.5膜乳化技术
日本学者Nakashima在1988年的日本年度化学大会上首次提出了膜乳化技术，该技术最初是为了解决食品中乳液均一性问题，后来Omi等和马光辉等学者运用该技术制备了各种乳液和载药微球，解决了传统乳化法的一些不足。经过多年发展，膜乳化技术已在食品、医药、化妆、生化分离等多领域得到成功应用。
膜乳化技术一般有两种，一种是常规膜乳化技术，另一种为快速膜乳化技术。常规膜乳化技术的原理是：连续相似一定的速度在膜表面流动，分散相在一定压力下通过膜孔在膜表面形成液滴，液滴在各种力的作用下处于平衡状态，当液滴达到一定大小后便自动脱离膜孔表面进入到连续相中，与此同时，溶解在连续相里的乳化剂分子将吸附在液滴界面上，降低界面张力，既促进液滴脱离膜表面又阻止液滴的聚集。采用常规膜乳化法制备乳液时，不仅能耗小，而且乳液液滴粒径分布窄，并可以通过膜的孔径来控制，一般情况下液滴尺寸为膜孔径的3-6倍。快速膜乳化法是先通过常规的乳化方式对乳液进行预乳化，然后在较高的跨膜压力下迅速压过膜孔形成最终的乳液。
3实验设备及流程
3.1实验设备
0#柴油，18微米SPG膜管，软管，压力表，流量计
全自动家用增压泵（上海永帆机电设备有限公司生产）参数：
功率120 W；额定扬程15 m；电压220 V；转速2 850 r/min；额定流量15 L/min。
ZY291T单相入单相出变频器（输入电源：AC220 V，输出电源：AC220 V，输出频率：0-50 Hz，输出功率：150 W）。
ZS195：燃烧室形式：直喷缸径100（mm）；行程：120（mm）；排量：0.903（L）；标定功率/转速：12.1/2200（kW/r/min）；最大扭矩≥58.3（N.m）；标定点燃油耗≤244.8（g/kw.h）。
3.2实验装置
实验流程为：水和柴油混合――增压泵――SPG膜管――乳化油――连接柴油机
4实验研究及应用
4.1实验方法
SPG膜乳化法是将分散相液体加压，透过具有相同细孔径的SPG膜，形成微细液滴分散到分散介质中，调制成乳化液。该方法因使用具有均一细孔径的SPG膜，能够制得分散粒径均一的乳化液。通过搭建好的实验装置，制备出一定比例的乳化柴油，在显微镜下观察乳化效果；通入柴油机待工作稳定后可记录柴油机在不同转速下的功率、扭矩、尾气成分和含量等。
水和油通过泵（泵由可调变频器控制）加压后，再通过阀门调节SPG膜管的内外压强，使之形成内压或者外压乳化，乳化后的柴油储存在乳化油箱中。由于未添加乳化剂，乳化效果不稳定，为了达到一定的乳化效果和稳定性，乳化油需要多次循环乳化，乳化时间应在20 min以上。
实验数据如下：压力表1为SPG膜管内压，压力表2为外压，水为120 ml；柴油为1 380 ml；压力表1为0.027 MPa；压力表为20.55 MPa；流量计为0.48 GPM；时间为25 min；比例为8%。打开柴油机，待柴油机稳定后通入乳化柴油，等5-6 min后柴油机内纯柴油耗尽调节柴油机转数，记录功率、油耗，尾气成分等数据。
4.2实验数据分析
4.2.1油耗量
4.2.2尾气NO含量
图2为乳化柴油跟0#柴油尾气中NO含量的对比。可见对于0#柴油，乳化油的NO排放明显降低，有效减少了尾气中有害气体成分。
4.2.3CO含量对比
C0含量的对比，乳化油尾气CO含量平均约占0.25%左右，0#柴油约占6%，可见乳化油对于减少CO排放量效果明显。尾气中CO2、HC等对环境的影响不大，此处不再讨论。
4.3乳化燃料应用于柴油发电机
为了让柴油发电机充分启动并且运行起来，首先让柴油发电机预先燃烧纯柴油20 min，第二步让柴油发电机的管道和油缸内充满柴油，第三部用自制搭建的乳化设备上连接乳化油的连接管接上柴油发电机。开始燃烧时用含水比例为8%的乳化柴油。为使燃烧的状况更佳，可采用边乳化边燃烧的方法，也就是即时燃烧；为使乳化燃料稳定性好，在乳化燃料内加了极少量的乙醇。
当柴油发电机由纯柴油切换为乳化燃料时，观察电压值是否稳定在220 V，来证明乳化燃料的效果。实验结果：电压指针所指的数值在215 V到220 V之间摆动，柴油发电机发电燃烧时所产生的声音非常小，柴油发电机工作时的振动幅度也非常小，证实乳化燃料是能应用于柴油发电机的。
5结论
柴油机燃用8%左右含水量的乳化油对其正常工作没有影响。
相对于纯柴油而言，8%乳化柴油通过柴油机燃烧后，尾气中NO的含量显著降低。
相对纯柴油而言，8%乳化柴油通过柴油机燃烧后，尾气中CO的含量显著降低；燃用乳化柴油能减少尾气中有害气体的含量，减少环境污染。
8%的乳化柴油比纯柴油减少能耗约5%，节能效果明显。
乳化柴油在不添加乳化剂的情况下不是很稳定，性能受环境和乳化方式的影响较大，只能边乳化边应用。
乳化燃料应用于柴油发电机所产生的电压还有所波动，有微小的噪声和振动，对柴油发电机的影响还须进一步探讨和研究。
参考文献
[1]牛建娜.乳化柴油的制备原理及工艺研究[D].长春：长春理工大学，2006.
[2]褚跃民.我国石油安全面临的问题与对策[J].求实，2011，（Z1）：142-143.
[3]吴东垠，盛宏至，张宏策，魏小林.柴油、甲醇和水三组元乳化液滴微爆过程的研究[J].西安交通大学学报，2007，41（7）：772-775.
[4]孙瑞河，李国祥.柴油乳化技术国内外发展现状分析[J].内蒙古石油化工，2011，37（10）：148-149.
[5]胡涛，彭喜花，杜卫岗，冷炎.乳化柴油的应用研究[J].甘肃科技纵横，2007，36（1）：33-34.
[6]龚景松，王超，张波，傅维标.乳化油对柴油机油耗和环保性能影响的再研究[J].内燃机，2005（6）：44-46.
[7]金萍，傅茂林，宁智，刘文胜，王海.一种新型柴油―水微乳化油的研究[J].小型内燃机，2000，29（1）：1-7.
[8]洪波，王保国.SPG膜乳化法制备单分散微细乳液的研究[A]，第五届全国膜与膜过程学术报告会论文集[C]：2005.
[9]谢锐，褚良银，陈文梅，赵扬等.SPG膜乳化与界面聚合法制备单分散多孔微囊膜[J].高效化学工程学报，2003，17（4），400-405.