[科普中國(guó)]-乳化柴油

乳化柴油（微乳化柴油）是水（或甲醇）和柴油通過(guò)乳化劑、助乳化劑在一定乳化設(shè)備經(jīng)乳化而形成的油包水(W/O)型（透明）乳液。

乳化柴油節(jié)能機(jī)理柴油在內(nèi)燃機(jī)中的燃燒是不完全和不完善的，但是由于甲醇的參與，乳化油的燃燒就更加完全和充分。原因有以下幾個(gè)：

(1)使油和空氣混合更加均勻，空氣利用率提高，燃燒更充分，甲醇的微爆效應(yīng)形成二次霧化，使得油粒細(xì)微度提高，從而使燃油在空氣中分布得更加均勻，混合質(zhì)量提高，燃燒更加充分和完全，提高了燃燒效率。在其它條件相同情況下，空燃比可以降低。這一切都促使燃燒更完全和完善，減少了排氣帶走的熱量，從而降低了油耗，熱效率提高。經(jīng)燃燒和行車(chē)試驗(yàn)測(cè)定，與純柴油相比，乳化柴油平均節(jié)油率為5%~14%，，排炯量減少50%以上。

(2)甲醇的參與促使更多的C和CO轉(zhuǎn)化為CO2。與純柴油相比，乳化柴油的燃燒能夠減少C和CO的形成，燃燒過(guò)程中形成的C會(huì)與甲醇蒸汽發(fā)生燃燒反應(yīng)，可以將C中包含的能量釋放出來(lái)；對(duì)于燃燒生成的CO，甲醇可與之反應(yīng)生成CO2，因此不僅減少了C和CO排放，同時(shí)節(jié)省了燃油，促進(jìn)了完全燃燒。

(3)降低了燃燒的峰值溫度和局部高溫。一方面，乳化柴油的熱值比原燃油低，加上甲醇的潛熱遠(yuǎn)大于油，內(nèi)燃機(jī)含甲醇燃燒后的缸內(nèi)峰值溫度下降。另一方面，由于甲醇的熱導(dǎo)率大于油蒸汽的熱導(dǎo)率以及甲醇的微爆作用使得混合氣變均勻等原因，氣缸內(nèi)局部高溫區(qū)受到抑制，燃油原有的高溫缺氧、脫氫裂解（成炭）大大減少：因此提高了碳熱值的利用率，也減少了炭顆粒的形成和排出，缸內(nèi)零件積炭減少，確保了噴油孔的正常工作以及氣門(mén)的密封性。由于含甲醇燃燒可以降低燃燒室內(nèi)部溫度，減少甚至消除熾熱部位，均化混合氣濃度，岡此對(duì)于柴油機(jī)來(lái)說(shuō)，有利于減少爆震，也可以提高壓縮比，來(lái)進(jìn)一步降低油耗率，提高熱效率；由于甲醇在進(jìn)入燃燒室前是液體狀態(tài)，在出燃燒室是蒸汽狀態(tài)，甲醇要吸熱蒸發(fā)，還要變?yōu)檫^(guò)熱蒸汽，其熱量部分來(lái)源于燃燒室周岡零部件的熱量，特別是熾熱部位的熱量，但也會(huì)有一部分來(lái)源于燃油燃燒放熱、當(dāng)含甲醇量較大時(shí)，給燃燒提供更多的含氧量，為甲醇和柴油的充分燃燒提供了條件。1

乳化柴油降污機(jī)理1、降低NOx的機(jī)理

氮氧化物( NOx)是燃燒過(guò)程中氮的各種氧化物的總稱，是影響空氣質(zhì)量的主要有害成份之一。而NOx正是柴油機(jī)燃燒過(guò)程中形成的主要物質(zhì)。它與帆液中的血，紅蛋白的親和力比CO還強(qiáng)，通過(guò)呼吸道及肺進(jìn)入血液，使其喪失輸氧能力，刺激人眼粘膜，引起結(jié)膜炎、角膜炎，甚至嚴(yán)重時(shí)還會(huì)引起肺炎和肺氣腫、

NOx生成的三要素：高溫（含局部高溫）；富氧（含局部富氧）；氮與氧在高溫下滯留的時(shí)間長(zhǎng)。這子個(gè)要素缺一不可。只有三者同時(shí)具備時(shí)，NOx才能生成，所以，要降低NOx的生成，只要控制其中一個(gè)要素，就能奏效。內(nèi)燃機(jī)中乳化柴油燃燒，恰恰在相當(dāng)程度上遏制了上述子個(gè)要素。乳化柴油燃燒時(shí)，吸收汽缸內(nèi)零件的熱量以使自身氣化，同時(shí)減少噴入汽缸內(nèi)的燃料量；同時(shí)，甲醇參與燃燒后的微爆、二次霧化過(guò)程以及能減少燃燒輻射熱等均使氣缸內(nèi)溫度下降并均化，這就能使NOx的排放量下降。

2、降低煙度的原理

發(fā)動(dòng)機(jī)的煙度通常是指炭煙和顆粒及其他排氣炯色的統(tǒng)稱、它們都是阻光物，義都含有或附有許多有毒成份。內(nèi)燃機(jī)中乳化柴油燃燒時(shí)，燃燒進(jìn)程的活化度增加，燃燒速度加快，燃燒的完全度和完善度提高；同時(shí)，由于甲醇的微爆作用使得混合氣變均勻等原岡，局部高溫和熾熱點(diǎn)被消除，缸內(nèi)溫度降低，甚至充量系數(shù)也有所增加：所以，柴油機(jī)使用含甲醇的乳化油后，煙度都有明顯的下降。

3、降低CO的機(jī)理

甲醇在高溫下離解成氧及氫氧離子，形成活性中心。它們對(duì)燃燒反應(yīng)，尤其對(duì)CO的燃燒反應(yīng)會(huì)起促進(jìn)作用，這就是高溫下甲醇蒸汽的催化作用，，這樣，在乳化油燃燒的排煙中，CO含量會(huì)明顯下降?？傊裼蛽郊状既榛?，作為燃料不僅節(jié)約能源，提高燃燒效率，而且減少環(huán)境污染，降低煙氣中的氮氧化物、硫氧化物及煙塵含量。1

乳化柴油的特點(diǎn)世界范圍內(nèi)的趨勢(shì)是汽車(chē)柴油化這是因?yàn)椴裼蜋C(jī)與汽油機(jī)相比，壓縮比較高，采用稀混合氣燃燒、無(wú)進(jìn)氣節(jié)流損失，因而熱效率高，動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性明顯優(yōu)于汽油機(jī)：由于柴油低油耗及低CO2排放，柴油機(jī)汽車(chē)具有較高的經(jīng)濟(jì)效益社會(huì)效益。出于節(jié)能和環(huán)保方面的考慮，柴油機(jī)汽車(chē)在世界各同受到普遍重視，柴油的生產(chǎn)和消費(fèi)逐年增加。因此，制備甲醇柴油乳化燃料對(duì)于減輕石油進(jìn)口壓力、緩解資源環(huán)境約束具有積極促進(jìn)作用。

(1)甲醇柴油乳化燃料技術(shù)應(yīng)用方便，無(wú)需對(duì)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行任何改動(dòng)，直接替換燃油即可使用。

(2)甲醇的沸點(diǎn)比柴油低，混合氣形成快且比較均勻，有利于完全燃燒。由于甲醇含氧量為50%，著火極限較柴油寬，所以其燃燒速度快，后燃期碳核不易形成，有利于提高壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)的冒煙極限功率，降低排煙。

(3)甲醇的熱值低(19896 kJ/kg)，只有柴油(42636 kJ/kg)的45%左右，但是理論空燃比下，混合氣熱值卻很接近，分別為2671kJ/kg和2750 kJ/kg。也就是說(shuō)，理論上柴油機(jī)燃用低比例甲醇柴油，發(fā)動(dòng)機(jī)的功率和扭矩不會(huì)下降很多。柴油機(jī)壓縮比遠(yuǎn)高于汽油機(jī)，其壓縮比愈高，燃燒過(guò)程的熱力狀態(tài)愈高，燃燒過(guò)程愈完善，熱效率愈高，膨脹過(guò)程愈充分，因而排氣溫度愈低，油耗和能耗愈低。、在柴油機(jī)中摻燒甲醇可以比在汽油機(jī)上摻燒甲醇獲得更高的熱效率，而甲醇的辛烷值高，可以用于高壓縮比的內(nèi)燃機(jī)。甲醇汽化潛熱較大，在形成混合氣時(shí)，會(huì)降低進(jìn)氣溫度，可以提高充氣系數(shù)，一定程度上可使發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒情況得到改善，使燃燒過(guò)程變得柔和，、燃燒甲醇的分子變更系數(shù)大于燃用柴油的情況，也使其熱效率有所提高。另外，其蒸發(fā)器使壓縮終了溫度降低較多，也可以抑制NO，和碳煙的形成，這在熱負(fù)荷高的增樂(lè)柴油機(jī)上的效果更為明顯：這樣不僅節(jié)省了石油燃料，緩解了石油緊張狀況，還有效減少了污染物的排放，有著深遠(yuǎn)的環(huán)保意義。

(4)柴油是南多種含有多碳原子的烴類（碳?xì)浠衔铮┙M成的混合物，由于烴類化合物是非極性的，而甲醇分子中含有烴基和羥基，羥基與甲醇能夠以氫鍵形式互相締合，岡此甲醇具有很強(qiáng)的親水性。甲醇親水性與親油性是互相排斥的，甲醇吸水愈多，它與柴油的互溶性愈差，愈容易與油分層。所以，甲醇與柴油的性質(zhì)差別比較大，致使兩者難以互溶。

(5)盡管乳化柴油技術(shù)有著節(jié)油和降污的雙重效果，但仍存在種種問(wèn)題和尚未弄清楚的地方，導(dǎo)致此項(xiàng)利國(guó)利民的技術(shù)尚未大面積推廣和采用、例如乳化柴油的穩(wěn)定性問(wèn)題；乳化劑經(jīng)濟(jì)成本高，致使節(jié)油不節(jié)錢(qián)；調(diào)制的乳化柴油存放時(shí)間短。容易產(chǎn)生分層的現(xiàn)象，不能長(zhǎng)期儲(chǔ)存；內(nèi)燃機(jī)燃用乳化柴油雖然可取得很好的降污效果，但是節(jié)油率并不高，加之乳化劑的成本昂貴，節(jié)省出來(lái)的錢(qián)不夠購(gòu)買(mǎi)乳化劑，于是便出現(xiàn)節(jié)油不節(jié)錢(qián)的局面。這些使得這項(xiàng)技術(shù)的經(jīng)濟(jì)效益不強(qiáng)。

(6)乳化設(shè)備昂貴。日前為制備穩(wěn)定性好的乳化柴油，大多都采用均質(zhì)器、超聲等間歇乳化設(shè)備。這種設(shè)備在試驗(yàn)室進(jìn)行小型試驗(yàn)還可以，但在工業(yè)應(yīng)用方面有很多缺點(diǎn)，例如沒(méi)備價(jià)格高、規(guī)模大、安裝麻煩、維修困難等。為了使甲醇柴油乳化燃料適應(yīng)廣大用戶需要，亟待開(kāi)發(fā)更為優(yōu)化的乳化柴油制備工藝及設(shè)備，以期制得穩(wěn)定時(shí)間長(zhǎng)、乳化劑用量少、粒徑分布均勻和實(shí)現(xiàn)連續(xù)操作的甲醇柴油乳化燃料。這對(duì)于發(fā)展新型代用燃料、解決能源短缺問(wèn)題、降低環(huán)境污染具有重要的理論研究意義和工業(yè)應(yīng)用價(jià)值。1

開(kāi)發(fā)乳化柴油的意義全世界能源緊張是眾所周知的事實(shí)，且會(huì)進(jìn)一步加劇，這是石油不可再生和儲(chǔ)存量逐步減少的必然結(jié)果。1993年，我同已由石油輸出國(guó)變?yōu)槭瓦M(jìn)口同，乳化柴油每噸中僅實(shí)際使用約0.8-0.9t純柴油，而它所發(fā)出的能量卻與1I純柴油基本相當(dāng)。就是說(shuō)0.8~0.9t純柴油變成了1t乳化柴油。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)2012年柴油消耗量為1.7億t，如果能夠全部采用柴油乳化技術(shù)，按節(jié)油率10%計(jì)，約可以節(jié)省柴油1700萬(wàn)/年。這樣不僅可以緩解國(guó)內(nèi)柴油緊張的狀況，而且可以帶來(lái)近8000億元的經(jīng)濟(jì)效益。很明顯，使用乳化柴油意義非凡：①它可以大大推遲我國(guó)石油資源的枯竭期，具有巨大的節(jié)能意義；②乳化柴油排污少，減少尾氣污染20~30%以上，屬清潔型燃料，具有顯著環(huán)保意義；③由于乳化柴油成本較低，將給使用者帶來(lái)可觀利潤(rùn)，有著十分重大經(jīng)濟(jì)意義；④由于生產(chǎn)乳化柴油需要大量乳化原料，必將推動(dòng)精細(xì)化工的發(fā)展。1

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

王寧 - 副教授 - 西南大學(xué)