乳化柴油的研究現(xiàn)狀及應用前景

1、乳化柴油的應用前景及展望汽車，作為20世紀最重大的發(fā)明之一，其在社會經濟發(fā)展中扮演了重要的角色。自從它誕 生的那時起，作為交通工具，它使人們真正實現(xiàn)了日行千里的夢想；作為身份和地位的象征，它 也盡顯尊貴奢華；作為一個產業(yè)，它更是一個國家的支柱產業(yè)?？梢哉f，汽車時人類最偉大的發(fā) 明之一，它加速了人類社會的發(fā)展。然而，任何事物都有其兩面性，有利必然有弊端。隨著生產力和人類社會的飛速發(fā)展，汽車這柄雙刃劍也逐漸讓人們領教到它鋒利的另一面了。汽車在其誕生的近110年里，一直都是以汽油和柴油為燃料。眾所周知，汽油和柴油都是從石油中提煉出來的，而石油是不可再生資源，且 儲量有限，總有枯竭的一天。1973、1

2、978、1991年的三次石油危機對世界經濟造成了巨大的沖 擊，也使人們一是到面臨著無油可采的危機?，F(xiàn)在全世界汽車年產量已超過5000萬輛，保有量已超過6億輛。在美國每1.3個人就有一輛轎車，在歐洲每1.5人有一輛，在日本則為每2人一 輛。這些數(shù)字意味著全世界汽車每年耗用大量的石油資源，同時對大氣造成極大的污染。據統(tǒng)計每年汽車約排放2億噸有害氣體，約占大氣污染總量的 60%以上，是公認的污染大氣的“頭號殺 手因此，汽車工業(yè)的飛速發(fā)展在給人類生活來來極大便利的同時也給地球環(huán)境帶來了極大的破 壞1。1陳忠祥.乙醇-柴油乳化燃料的實驗性研究D.武漢理工大學，20051.1 能源現(xiàn)狀根據中國工程科學院1

3、997年的“能源供需矛盾”專題報告。我國的能源情況如表1:表1我國能源資源情況煤天然氣石油可采儲量1145億噸17000億立方米33億噸統(tǒng)計時間1994 年1995 年1995 年占世界可采儲量11%1.20%2.40%占世界第幾位31910據美國能源部1995年資料統(tǒng)計，世界和我國礦物資源可用年限如表 2:表2 礦物燃料使用年限煤天然氣石油全球（年）2216039中國（年）856219我國和世界的最豐富礦物燃料資源都是煤，而石油資源將分別在19年和39年內耗盡。隨著我國國民經濟的持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展，我國對于石油的需求也越大。交通運輸是石油的最大用戶，汽 車工業(yè)的發(fā)展，以及其他行業(yè)對石油需求的增加，

4、 都在不斷加劇這種資源有限而需求不斷擴大的 矛盾。我國從94年起已成為石油（原油和成品油）純進口國，此后平均每年都遞增約1000萬噸。2000年原油進口量已達7000萬噸，成品油達3000萬噸，花費外匯250億美元。估計到2010 年，年進口量相當沙特石油產量的一半，在巨大能耗壓力下，我國能源安全已成迫切問題，另一 方面，汽車使用石油基燃料所排放的污染物，已給大氣環(huán)境造成嚴重影響。從國際汽車發(fā)展來看，為適應日益提高的排放要求，減少汽車排放物的主要方面措施有： （一）發(fā)動機方面進行機內和機外凈化。（二）燃料方面從傳統(tǒng)燃料發(fā)展到含氧燃料、新配方燃料以及采用潔凈代用燃料。（三）汽車方面有電動汽車、混

5、合動力汽車以及未來零排放的燃料電池汽車。多年來，我國為改善大氣質量，有關部門努力開發(fā)多種車用潔凈替代燃料， 壓縮天然氣CNG、液化石油氣LPG、甲醇、乙醇、脂化植物油、二甲醴 DME等，取得了一定成績2。2潘奎潤.調整汽車燃料結構，發(fā)展醇醒燃料汽車1.2 存在問題高效合理地利用燃料一直是能源研究中的重要課題。由于柴油機效率比汽油機高，且柴油的 體積熱值比汽油高10%-14%,柴油機的比油耗率明顯低于汽油機（例如:在全負荷下，柴油機比汽 油機可節(jié)油30%;在部分負荷下可節(jié)油40 %;在怠速時可節(jié)油70 % ），所以從上世紀80年代開始， 出現(xiàn)了汽車柴油機化的趨勢，柴油需求量不斷增長。然而柴油機的

6、尾氣中顆粒物、氮氧化物和碳 氫化合物的含量很高，對環(huán)境造成了嚴重危害。節(jié)約能源，降低消耗是擺在我們面前的重要課題。同時隨著汽車產量的猛增，汽車排放的尾氣成了流動的污染源，對大氣的危害十分嚴重。世界環(huán)境狀況日益惡化，全球變暖，臭氧層空洞， 酸雨等環(huán)境問題逐漸為全人類所重視。美國每年由汽車向大氣排放的污染物高達 2 2.13億噸，日本每年由汽車向大氣排放的污 染物亦達600萬噸。汽車排放污染物主要有碳氫化合物 HC、氮氧合物Nox、一氧化碳CO、微 粒PM等。它們主要通過汽車排氣管排放，將近 45%的HC和極少數(shù)的其它污染物質則由曲軸箱 和燃油系統(tǒng)排放。在上述汽車排放污染物中，CO是燃油不完全燃燒

7、的產物，對人的健康危害較大。HC主要是燃油蒸發(fā)和不完全燃燒的產物， 由200多種不同的成份構成，含有致癌物質。Nox 是燃燒室高溫高壓條件下，由氮和氧化合而成，排放到大氣后變成二氧化氮，其毒性很強，對人 及植物生長均有不良影響，是形成酸雨及光化學煙霧的主要物質之一。PM主要成份是碳煙，上面附有大量化學物質，包含致癌物質，吸入人體后會在肺部長期停留。隨著汽車排放污染物對環(huán) 境造成的危害日益嚴重，世界各國都先后制定了限制汽車廢氣排放的限量值，其中歐盟組織（EU）制定的歐洲標準是大多數(shù)國家和地區(qū)執(zhí)行的參照標準。表l-3為歐盟重型柴油機排放標準。我國在2000年開始執(zhí)行我國認證的排放法 A,相當于歐I

8、指標，2005年要求執(zhí)行排放法B,相當 于歐H指標。表1-3歐盟重型柴油機排放標準（單位： g/kW.h）標準啟用時間COHCNOkPM碳煙歐I1992«85kW)4.5L 18.00,612歐111996.104.01. 17. 00. 25-III2000. 102. 10.66590, 100.8歐IV2005. 10L50.463.50. 020.5歐V2008. 10L50.462.00.020. 51.3 解決辦法隨著能源短缺、環(huán)境污染問題的日益嚴峻，研究開發(fā)新型代用燃料成為解決這一問題的途徑之一。 在世界各國對環(huán)境問題日益重視的情況下，為解決石油短缺和空氣污染問題，對柴

9、油發(fā)動機的清潔燃料和代用燃料的研究越來越廣泛。研究開發(fā)新型代用燃料成為解決這一問題的途徑之一。 為此，人們不惜花費巨資利用和開發(fā)原子能、風能、太陽能等新型能源。一些工業(yè)發(fā)達國家對汽車的有害排放法規(guī)制定的越來越嚴格， “節(jié)能”和“降低排放”已成為各國科技攻關的重點之一。長期以來，科技人員都在積極的研究開發(fā)新能源和節(jié)油降污新產品。大量研究與實踐證明: 乳化油既可以減少燃料消耗又可以控制排放，是一種很有發(fā)展前途的節(jié)能降污燃料。很多專家預測，乳化油必將成為21 世紀世界主要能源之一。如復合柴油及柴油添加劑等節(jié)油防污染技術相應產生，出現(xiàn)各種代用燃料包括醇類、植物油、氫氣、天然氣、液化石油氣和二甲醚等，其

10、中以柴油機燃用乳化燃料是比較容易實現(xiàn)的一種方式。據報道， 乳化燃料的方式可以不改變柴油機的結構，用較簡單的技術措施和較低的經濟代價實現(xiàn)替代部分柴油，既節(jié)約了柴油，又降低了環(huán)境污染。其中柴油摻水乳化及微乳化技術具有節(jié)能（1020%）、燃燒效率高、明顯減少尾氣污染（NOx、CO、C）等優(yōu)點，因此最受人們重視。1.4前景預測乳化柴油這種方式可以不用變動柴油機的結構，用較簡單的技術措施和較低的經濟代價實現(xiàn)替代部分柴油，既節(jié)約了柴油，又可降低了環(huán)境污染。例如:鎮(zhèn)江化工研究設計院研制成含水量為 25%的乳化柴油，在490 G 型柴油機上使用與純柴油相比，節(jié)油率10%-15%，發(fā)動機性能基本不變，尾氣煙度減

11、少60%-70 %,有毒氣體NOx減少50%。我國柴油消耗量約為20 Mt/a左右，如果能夠全部采用柴油摻水乳化技術，按節(jié)油率10%計，約可以節(jié)省2 Mt/a。這樣不僅可以緩解國內柴油緊張的狀況，帶來上數(shù)十億元的經濟效益，還可以大大減少由于柴油燃燒不完全而造成的環(huán)境污染。2 乳化柴油的種類2.1 柴油-水 -乳化劑三元乳化燃料2.2 柴油 -甲醇-乳化劑三元乳化燃料2.3 柴油-乙醇-乳化劑三元乳化燃料2.4 柴油-二甲醚-乳化劑三元乳化燃料2.5 柴油-甲醇-水-乳化劑四元乳化燃料2.6 柴油-乙醇-水-乳化劑四元乳化燃料2.7 柴油-二甲醚-水 -乳化劑四元乳化燃料3 乳化燃油燃燒、節(jié)油和

12、降污機理3.1 乳化燃油燃燒機理乳化油中的水在燃燒過程中起到一種媒介作用（它可以是物理的，也可以是化學的），它在進入燃燒室前是水，在出燃燒室時仍是水，不可能變成油而放出能量，否則就違背了熱力學第一定律。然而這種媒介作用對能量的轉換速率與傳遞速率具有重要的影響，它是節(jié)能降污的關鍵3。牛建娜.乳化柴油的制備原理及工藝研究D. 長春理工大學，20073.1.1 物理作用由于通常的乳化油是以油包水（W/O）形式存在，即油是連續(xù)相，水是分散相。由于水的沸點比油低， 因此總是水先達到沸點而蒸發(fā)。當油滴中的水過熱到超過油的表面張力及環(huán)境壓力之和所對應的飽和溫度時，水蒸氣將沖破油膜而使油滴發(fā)生爆炸，形成更細小

13、的油滴。能大大擴大油束區(qū)域，改善油氣混合質量，提高燃燒效率，這即是油滴的微爆效應。微爆是在高溫環(huán)境下，由兩種或多種有不同揮發(fā)性的液體的汽化引起的。由于液體的擴散速度是有限的，穩(wěn)定性差的液體就會覆蓋在表面，從而導致液滴迅速升溫。一旦溫度達到某個組分的過熱極限，微爆就會伴隨連續(xù)產生并變大的泡核而發(fā)生。微爆的作用是提高油滴的表面活化能。乳化柴油為油包水（W/O）型乳液，外相為柴油，內相為水。由于油的沸點比水高，在汽缸溫度急劇升高時，水總是先達到沸點而沸騰或蒸發(fā)，體積在萬分之一秒的瞬間增大了1500 倍左右，其汽化膨脹相當于一次極小的爆炸。當油滴內部的壓力超過油的表面張力和環(huán)境壓力之和時，水蒸汽產生的

14、巨大壓力將沖破油膜的阻力而使油滴爆炸，使油霧化形成更細小的油滴。小的油顆粒與空氣接觸的比表面積成倍提高，形成二次燃燒的霧化條件。爆炸后的細小油滴更易燃燒，其燃燒表面比純油增加104倍左右，減少了物理上的不完全燃燒和排煙損失，提高了燃燒效率，從而可 以達到節(jié)能效果。從乳化柴油的燃燒試驗中觀察到火焰外側的交叉閃光現(xiàn)象也證實了微爆現(xiàn)象的 存在。乳化油的微爆過程為：(1)燃燒前，油滴、水滴以油包水(W/0)的乳化形式存在。(2)燃燒初期，油滴表面蒸發(fā)出的油氣燃燒，使整個油滴的溫度迅速升高，其內部水滴受熱。(3)隨著溫度升高，小水珠的溫度上升到它的沸點以上，成為蒸汽，同時體積急劇增大，產生蒸汽壓力。當蒸

15、汽壓力大于油滴表面壓力和環(huán)境壓力之和時，水蒸汽猛地迸裂開來，使油滴發(fā)生“爆炸”成為更小的顆粒。這實際是一種二次霧化過程，使形成的油滴更小，表面積更大，如圖 3 一 1所示。由上圖可看出，經過“微爆”而大大抑制了煙塵的產生，后的油滴直徑更小，燃燒速度 更快，從減少排煙量，取得非常顯著的節(jié)能效果。圖3-1微爆現(xiàn)象示意圖3.1.2 化學作用柴油在內燃機中的燃燒是一種高溫、高壓并在金屬容器中進行的燃燒，水的參與會引發(fā)一系列的化學反應。水參與燃燒會分解成 H、。和OH以更充分、完全的進行。水參與燃燒的方式有兩種：參與鏈傳播并產生更多的原子和自由基，直接參與引發(fā)反應3.1.2.1 H2O與H的反應| +B

16、0+H + 0&0+ HZffl.還(0 + H3.1.2.2 H2O與O的反應(+ KO( +H+ OBO +O OH +0HL- 4-H> o + &I-+ tto也就是說H2O與H和。的反應都能產生更多的H、。和OH等活性物質，從而加速和完善 了內燃機中柴油的燃燒。3.1.2.3 水煤氣反應水煤氣反應在乳化油節(jié)能降污效果中具有非常重要的作用。在缺氧條件下，由于高溫裂解，柴油燃燒過程中產生難以燃燒的碳粒子。 而當有水汽存在時，高速汽化的水微粒中含的氧與碳粒 子充分結合，使未完全燃燒的碳粒子被完全燃燒成二氧化碳和氫氣， 從而大大提高噴燃霧化效果, 提高發(fā)動機燃燒效率，增

17、強發(fā)動機動力，抑制黑煙，節(jié)省燃料。具反應式為 ：H2O與C的反應如下：H2O+CYO+ H22H2O+C YO2+ 2H2它們生成的H2和CO與O2又發(fā)生燃燒反應如下：2H2+O2 "H2O2CO+O2 國CO2由以上反應可看出，通過水煤氣反應不僅可以提高油的化學能轉化為熱能的轉化速率，而且使排煙中碳粒子濃度大幅度下降，凈化了環(huán)境。3.2 乳化油的節(jié)油機理柴油在內燃機中的燃燒是不完全和不完善的，但是由于水的參與，乳化油的燃燒就更加完全和充分。原因有以下幾個:3.2.1 使油和空氣混合更加均勻，空氣利用率提高，燃燒更充分。由于水的微爆效應形成二次霧化，使得油粒細微度提高，從而就使燃油在

18、空氣中分布得更加均勻，混合質量提高，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。 經燃燒和行車試驗測定，與純柴油相比，乳化油平均節(jié)油率為5%一 14%， 排煙量減少50%以上。3.2.2 水的參與促使更多的 C和CO轉化為CO2乳化油的燃燒與純柴油相比能夠減少C 和 CO 的形成，燃燒過程中形成的C 會與水蒸氣發(fā)生水煤氣反應。如前所述，可以將 C中包含的能量釋放出來。對于燃燒生成的 CO,水蒸氣可與之反應生成CO2,因此不僅減少了 C和CO排放，同時節(jié)省了燃油，促進了完全燃燒。3.2.

19、3 降低了燃燒的峰值溫度和局部高溫一方面，乳化油的熱值比原燃油低，加上水的潛熱遠大于油，內燃機含水燃燒后的缸內峰值溫度下降。同時， 由于水和水蒸氣的熱導率大于油和油蒸汽的熱導率以及水的微爆作用使得混合氣變均勻等原因，氣缸內局部高溫區(qū)受到抑制。因此，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，同時也減少了炭顆粒的形成和排出，缸內零件積碳減少，確保了噴油孔的正常工作以及氣門的密封性。由于含水燃燒可以降低燃燒室內部溫度，減少甚至消除熾熱部位，均化混合氣濃度，因此對 于汽油機來說，有利于減少爆震，相應也可以提高壓縮比來進一步降低油耗率，提高熱效率。但是，由于水在進入燃燒室

20、前是液體狀態(tài)，在出燃燒室是蒸汽狀態(tài)，水要吸熱蒸發(fā)，還要變 為過熱蒸汽，其熱量部分來源于燃燒室周圍零部件的熱量、特別是熾熱部位的熱量，但也會有一部分來源于燃油燃燒放熱，特別是當含水量較大時，大量的潛熱和顯熱被蒸汽帶走，會增加能量損失，降低熱效率。因此選擇一個適當?shù)暮渴欠浅Ｖ匾摹?.3 乳化燃油的降污機理3.3.1 降低 NOx 的機理氮氧化物時燃燒過程中氮的各種氧化物的總稱，NOx 是影響空氣質量的主要有害成分之一。而 NOx 正是柴油機燃燒過程中形成的主要物質。NOx 與血液中的血紅蛋白的親和力比CO還強，通過呼吸道及肺進入血液，使其喪失輸氧能力，刺激人眼粘膜，引起結膜炎、角膜炎，甚至嚴

21、重時還會引起肺炎和肺氣腫。NOx 生成的三要素：(l)高溫(含局部高溫)。(2)富氧(含局部富氧)。(3)氮與氧在高溫下滯留的時間長。這三個要素缺一不可。只有三者同時具備時，NOx才能生成。所以，要降低 NO、的生成，只要控制其一至三個要素，就能奏效。內燃機中乳化柴油燃燒，恰恰在相當程度扼制了上述三個要素。乳化柴油燃燒時，吸收氣缸內零件的熱量以使自身氣化，同時減少噴入氣缸內的燃料量;再者， 水參與燃燒后的微爆、二次霧化過程以及能減少燃燒輻射熱等均使氣缸內溫度下降并均化，這就能使NO、的排放量下降。3.3.2 降低煙度的原理發(fā)動機的煙度通常是指炭煙和顆粒及其他排氣煙色的總稱。它們都是阻光物，又都

22、含有或附有許多有毒成分。內燃機中乳化柴油燃燒時，燃燒進程的活化度增加，燃燒速度加快，燃燒的完全度和完善度提高 ;另外，由于水的微爆作用使得混合氣變均勻等原因，局部高溫和熾熱點被消除，缸內溫度降低，甚至充量系數(shù)也有所增加。所以，柴油機使用含水的乳化油后煙度都有明顯的下降3.3.3 降彳氐CO的機理水在高溫下離解成氧及氫氧離子，形成活性中心，它們對燃燒反應，尤其對CO 的燃燒反應會起促進作用，這就是高溫下水蒸氣的催化作用。這樣，在乳化油燃燒的排煙中，CO 含量會明顯下降?？傊?，柴油摻水乳化后，作為燃料不僅節(jié)約能源，提高燃耗效率，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。4 乳化油

23、理論4.1 乳化液的定義兩種互不相溶的液體，當一種液體以均勻的小液珠的形式分散于另一種液體中而形成的多相分散體系叫做乳化液。將兩種互不相溶的物質放在一起，可以用外力使一相分散于另一相中，一般將從一相到另一個相的過渡層稱為物質相與相的分界面，簡稱界面。界面具有一定的厚度，界面的性質與相臨的兩個體相的性質不同，是由兩個相鄰體相所含物質的性質決定的。表面自由能或表面張力是描述表面狀態(tài)的主要物理量，乳化會使界面的面積增加，使體系的不穩(wěn)定性增加，一旦停止外力的作用， 很快又分成兩個不容的相。在上述兩項體系中加入第三組分，該組分易在兩相的界面上吸附，在兩相界面形成穩(wěn)定的吸附層，以便形成具有一定穩(wěn)定性的乳狀

24、液，所加入的第三種組份就是乳化劑。組成乳化液有兩相，將以小液滴形式存在的相稱為分散相或內相，也稱為不連續(xù)相。將連成一片的相叫分散介質或外相，也稱為連續(xù)相。組成乳化液的兩相，一般有一個是“水”相，另一相是與“水”不相溶的非極性液體， 通常稱為“油”相。 按照“水”相和“油”相在乳化液中所處的不同地位，通常把乳化液分為兩種類型。一種是水為分散相，油為連續(xù)相，稱之為油包水型乳化油，英文為water in oil,簡稱V刀O;另一種是水為連續(xù)相，油為分散相，稱之為水包油型乳化油（如圖4 1所示），英文為oil inwater,簡稱O/W。圖4-1水包油型乳化液示意圖如果使用水包油型乳化油，水是不能燃燒

25、的物質，而且水作為外相不能對燃油起二次“霧化”的作用，它會在油管壁出油閥狹窄處以及噴油嘴出口等處受到大的剪切作用而使部分疏水引起破乳，疏水又使噴油泵柱塞和套筒的潤滑變差，并造成噴油設備和氣缸等的銹蝕，因而 0/w型乳化油不能適用于內燃機。HLB值在水中的外觀1-4不溶4-7分散不好不穩(wěn)定7-9穩(wěn)定半透明分散10-13混濁溶液13-20透明溶液4.2 乳化液的形成理論乳化液的形成和穩(wěn)定至今還沒有比較完整的理論，主要有定向楔理論、定性理論、界面膜理論、電效應理論和分子聚集理論。定向楔理論：在油一水非連續(xù)體系中加入復合乳化劑后，乳化劑在油一水界面做定向吸附，極性基伸向水相，非極性基伸向油相，這樣不僅

26、可以降低界面張力，而且可以形成一層致密的界面復合膜，對液滴起保護作用。另外，由于吸附和摩擦等作用使液滴帶電，帶電液滴在界面的兩側形成雙電層結構。液滴間雙電層的排斥作用使得液滴難以聚集，因而提高了乳化液的穩(wěn)定性。定性理論（Bancroft 規(guī)則 ）:乳化劑（表面活性劑）在油一水相界面上發(fā)生吸附與取向，能使界面兩側產生不同的界面張力，即表面活性劑的親水端與水相之間的界面張力與表面活性劑疏水基與油相之間的界面張力不同。在乳狀液形成時，界面會傾向于向界面張力高（或較低表面壓力）的一邊彎曲以降低這一邊的面積因而降低表面自由能。如果油一疏水基界面張力比水一親水基的界面張力大（表面壓力低），前者縮短引起界面

27、膜向油相彎曲，油被水包封，因而形成側W 型乳狀液，反之形成W/O 乳狀液 .界面膜理論、電效應理論及分子聚集理論可以歸結為:在油一水非連續(xù)體系中加入復合乳化劑后，乳化劑在油一水界面作定向吸附，極性基伸向水相，非極性基伸向油相，這樣，不僅可以降低界面張力，而且可以形成一層致密的界面膜，對液滴起保護作用。另外，由于吸附和磨擦等作用使得液滴帶電，帶電液滴在界面的兩側形成雙電層結構，液滴間雙電層的排斥作用使得液滴難.以聚集，因而提高了乳化液的穩(wěn)定性。4.3 乳化設備及乳化方法的選擇在油品、 乳化劑、 乳化設備所構成的系統(tǒng)中，乳化設備的作用十分重要。常見的乳化方法有:1 .機械攪拌法2 .簧片哨超聲乳化

28、法3 .電超聲波乳化法4 .靜態(tài)混合法5 .雙筒噴射混合器除此之外，還有乳化管、均質乳化器等，本實驗采用機械攪拌法來制備乳化柴油。采用上海威宇機電制造有限公司生產的敞口式BME100L 實驗型高剪切混合乳化機對乳狀液 進行乳化,其最高轉速為10000 r/min,適用于粘度小于9.8 Pas的介質。乳化時間小于2min定-轉子乳化機攪拌機只能作為粗乳化設備；高壓均質機和超聲波乳化機不僅能耗較大，而且混合的功能較差 用它們乳化的產品均一性不夠好；膠體磨嚴格地講屬于定-轉子系統(tǒng)，缺點是乳液在環(huán)隙中的停留 時間短，一般要經過多次循環(huán)乳化，或用幾臺膠體磨串聯(lián)起來操作；定-轉子型乳化機由于具有自循 環(huán)的

29、功能,克服了膠體磨的不足，一般以間歇方式操作，只要給予一定的時間，就可保證整個容器內 的物料全部充分地乳化，因而乳化效果好，在實際操作中得到較廣泛的應用。均質乳化機(定轉子乳化機、剪切式乳化機)1乳化機理物料(液體物料)分散系中分散相顆?；蛞旱纹扑榈闹苯釉蚴鞘艿郊羟辛蛪毫?粘性力和慣性力)的作用3。引起剪切力和壓力作用的剪切力和壓力在不同的均質設備中有差別，能引起剪切力和壓力作用的具體流體力學效應主要有層流效應、湍流效應和空穴效應。層流(Laminar flow)效應會引起分散相顆?；蛞旱问艿郊羟泻屠L；湍流(Turbulent flow)效應是在壓力波動作用下引 起分散相顆?；蛞旱蔚碾S意

30、變形；氣穴(Air pocket)效應是形成的小氣泡受到的破碎產生沖擊波，弓I 起劇烈攪動。定了支承架圖1定書子型乳化機結構簡圖2剪切式均質機的工作原理剪切式均質機的主要工作原理是通過機械作用迫使混合料液以很大的速度通過十分窄的問隙，在流體力學效應的作用下，產生很大的剪切作用，而使分散相顆?；蛞旱纹扑?，達到均質乳化目的4。最常用的剪切均質乳化設備是定-轉子均質機（Stator-Rotor Homogeniz-er）,它主要用于定子S 和同心高速旋轉的轉子R組成，定子和轉子之間的間隙非常?。ㄒ话阌?.1,0.2或0.4 mm）,轉子的轉 速可達到 3 000 r/min6 000 r/ min.

31、圖2所示的是德國IKA-MASCHINENBAU 公司的乳化機，其定子的側面加工成梳狀，轉子的3 個葉片有尖銳的邊緣，定子和轉子的相對速度在1521 m/s.圖3所示的是德國YSTRAL公司的乳化機，轉子（攪拌葉片）加工成一條條的梳狀，定是加工成 梳狀,不同之處是這些梳狀縫隙并非平行于攪拌軸軸線，而是和軸的回轉方向形成一定夾角，并且 可根據所處理物料的不同粘度及工況條件選用不同的回轉攪拌葉片。圖2 IKA小IASCHINENBAU乳化機圖3 YSTRAL乳化機圖4所示的是德國YSTRAL公司的攪拌-乳化機，不同之處為轉子是3個回轉葉片，適用于 各種粘度物料的混合、攪拌。圖5所示的是丹麥Jorg

32、en Jorgensens司的攪拌-乳化機，與圖4所示的屬于同一類型，只是定子 上開孔方式有所不同。圖6所示的是美國Rose公司的乳化機。我國江蘇啟東長江機械廠、上海威宇機電有限公司 生產的乳化機就模仿了該種結構，定子的開孔方式除圖6所示的長圓孔外，還有大圓孔或小圓孔等 形式。粒度小于5微米。4.1 靜態(tài)乳化裝置柴油機燃用乳化柴油，在減低發(fā)動機油耗、減少排氣污染及降低排溫方面，已取得明顯效果 目前國內外基本沿用傳統(tǒng)離線生產方式(即靜態(tài)乳化設備)生產摻水乳化柴油，制造的主要方法 有：機械攪拌法，如攪拌器、均化器、齒輪泵等；噴射法，如螺旋噴射器、精細噴射器等；生換 能器，如電超聲波乳化器。33-3

33、84.1.1 攪拌法乳化裝置(1)攪拌器乳化裝置21-37攪拌器是最早應用于柴油乳化的反應裝置，以其剪切力強、移動容易、便于檢修清洗等優(yōu)點 一直沿用至今。在加入適當乳化穩(wěn)定劑、表面活性劑和其他添加劑的條件下可以生產出含水量達 5%-40%的乳化柴油。具工作原理是按一定比例將油、水兩相加入反應釜，然后加入各種乳化劑 和添加劑，關閉反應釜，開啟攪拌器，進行高速攪拌，使加入乳化劑的油、水兩相充分混合得到 混合均勻的乳化柴油。27機械攪拌制備柴油-水乳化液是通過葉輪的旋轉把機械能傳給液體，造成液體之間的強烈對 流，從而達到混合均勻的目的。乳化過程正是在強制對流作用下的強制混合過程，它存在著兩種 擴散方

34、式：主體對流擴散和渦流擴散。實際乳化過程是這兩種擴散機理的綜合作用，主體擴散一 般只能把柴油和水形成較大 閉塊”混合起來，而通過這些大 團塊”界面之間剪切作用造成的渦流擴散，把不均勻的程度迅速降低到漩渦本身的大小。由于柴油、水互不相溶，在柴油和水小團塊之間沒有分子擴散過程。渦流擴散的混合速度比主體對流擴散快得多。由于漩渦運動是湍流運動的本質，因此渦流擴散速率取決于被攪拌液體的湍動狀態(tài)。湍動狀態(tài)越高，混合速率越快。攪拌槽內各部分液體的湍動狀態(tài)并不均勻。根據 Metzner和Taylor的試驗測定，高度湍動狀態(tài)僅局限于葉輪附近很小的區(qū)域，在該區(qū)域內，兩種液體是充分混合的，在此區(qū)域外的混合相對較少。

35、但是在槽內作循環(huán)運動的主體對流推動液體進入該區(qū)域，從而實現(xiàn)全槽液體的混合。柴油-水乳化液一般是油包水型，即水為分散相，柴油為連續(xù)相，水以珠狀均勻的分散在柴油中。由于水分子含有羥基 -OH， 在水和柴油的界面上存在著表面張力，因此， 柴油-水乳化液是一種熱力學不穩(wěn)定體系。 乳化劑的作用就是降低表面張力，并通過其親水基水分子中的-OH 的吸附及其親油基對柴油分子的吸附，在柴油-水界面形成牢固的界面膜。攪拌器的缺點主要時不能連續(xù)性生產，體積大、能耗高；并且由于其構造簡單生產出來的乳化柴油顆粒不細，油、水兩相混合不均，“油包水 ”型乳狀液的穩(wěn)定性不好，容易分層，特別是在運輸工由于震蕩容易顆粒破碎出現(xiàn)析

36、水現(xiàn)象，嚴重影響只使用效果。所以為了保證其穩(wěn)定性在其制造過程中需加入大量的的表面活性穩(wěn)定劑和乳化穩(wěn)定劑，這將大大提高生產成本，影響其經濟效益。（ 2）乳化切割機33-39柴油乳化切割機是將柴油、水、乳化劑切割混合成乳化柴油的一種柴油乳化設備。其原理是將柴油、水、乳化劑和表面活性劑通過進液泵進入切割槽，電動機帶動切割葉輪高速旋轉進行切割， 最終達到將油、水和添加劑充分破碎而形成乳狀液的目的?？蛇B續(xù)作業(yè)，但是如若連續(xù)作業(yè)，乳化柴油的液滴粒徑大小和乳化的均勻程度都將受到影響，并且產品容易破裂分層。由于其設備構造限制，生產的乳化柴油粒徑比較大，均勻程度較低。27-31324.1.2 噴射器乳化裝置1）

37、噴射流乳化裝置33-46噴射流乳化裝置是一種將水相和油相混合液在高壓條件下，通過特殊的噴咀，噴射出成霧狀 的乳化柴油的裝置。這種裝置是如今應用于乳化柴油最專業(yè)的乳化裝置，以其乳化效果好、乳液粒徑小、生產便捷等優(yōu)點，得以廣泛應用。但是由于其壓力非常大（40 個大氣壓左右），且對應不同的壓力要更換噴咀，導致其設備使用壽命短；并且所生產的乳化柴油粘度大、氣泡多，影響燃燒；單擊乳化粒徑集中在8仙左右,存儲不穩(wěn)定，一般只有40 天左右。因此一般的噴射乳化裝置，在設計上多為多級連續(xù)乳化，并且在這種乳化過程的后半部分經常加上磁化器、超聲波發(fā)生器等裝置。（ 2）螺旋噴霧裝置33-41螺旋噴霧裝置是一種由罐體和

38、螺旋推進器組成的噴射流乳化機，在添加適當乳化劑時可生產出含水量20%-40%的乳化柴油，并且可以保證2 個月不分層。其工作原理是使摻有乳化劑的高壓油、水混合液通過緊固堵頭流入，進入噴嘴盤上噴嘴頂部油孔，經粗糙螺旋槽使之急速旋轉，高速撞擊，噴出的微細化“油包水 ”顆粒立即沿軸向穿過一組直射盤、散射盤中的透孔，再由殼體連接端流出，從而得到混合均勻的乳狀液。近年來由于其結構簡單，混合快速、效率高、產品不起泡、以及可以通過更換噴咀調節(jié)粒子直徑大小等優(yōu)點廣泛用于燃料乳化方面。螺旋噴霧裝置缺點是在高壓作用下油、水混合液高速流經螺旋槽時，存在受槽壁束縛近壁層流層，使整個槽有效斷面上油、水混合液粉碎不均；又因

39、為螺旋槽的流程不足，流經其內的高速油、水混合液不能完全形成渦旋，細粒噴出，粉碎不細；并且當高壓油、水混合液進入其內經粉碎、霧化處理噴出后，立即被降壓進入下一工序，使油水兩相顆?；旌喜怀浞?。所以有時還需要加入第二套噴射裝置進行二級乳化。另外噴霧裝置內壁存在折變區(qū)段，高壓油、水混合液，在流經這些區(qū)段形成死區(qū)和渦旋區(qū)，引起能量損耗，噴咀堵塞，使粉碎、噴霧能力降低。4.1.3 超聲波乳化裝置47-51超聲波設備是利用超聲波空化進行柴油乳化的一種裝置。超聲波空化就是指液體中的微小氣泡核在聲波的作用下被激活, 表現(xiàn)為泡核的振蕩、生長、收縮乃至崩潰等一系列動力學過程。超聲空化所產生的高溫高壓為柴油乳化的進行

40、提供了很多優(yōu)越條件, 可以使得乳液粒徑更小, 分布更加均勻,從而制備的乳化柴油更穩(wěn)定，更便于運輸和長期存放。與其他乳化設備相比較影響超聲乳化柴油的因素順序依次為: 聲強 乳化劑用量 摻水量超聲作用時間穩(wěn)定劑用量。由此我們可以看出制備相同的乳液所需的穩(wěn)定劑比用機械攪拌所需乳化穩(wěn)定劑大大減少，相比之下超聲波乳化在原料投入成本上要小于攪拌乳化裝置。但是超聲波乳化設備由于其制造費用比較昂貴、能耗比較高、并且生產效率低，所以還不能大規(guī)模應用，在柴油乳化方面大多只能應用于實驗室乳化，或者應用于其他乳化設備乳化流程的后期輔助精化方面。2.4超聲乳化機理65,67,681944年Wood和Loomis首次提出

41、了超聲乳化是由于容器壁附近破裂的氣泡使液體殘缺不全的射入另一液體中進一步分散成細滴而產生的13。而Soollner 等人也在對超聲乳化過程進行定量和定性分析的基礎上得出了超聲空化是油水乳化的必備條件之一。Marinesco 從他的霧化研究中提出超聲乳化可能是由于表面波的不穩(wěn)定性引起的。Faikin 提出了關于超聲乳化的另一個可能的原因是超聲作用下所引起的液體的微流化效應。2.4.1 空化機理（Acoustic Cavitation）聲空化就是指液體中的微小泡核在聲波的作用下被激活,表現(xiàn)為泡核的振蕩、生長、收縮乃至崩潰等一系列動力學過程。超聲空化所產生的高溫高壓為乳化的進行提供了很多優(yōu)越條件68

42、：（ 1）超聲空化可以產生很高的自由基生成速度，并可很容易地通過改變超聲功率來控制，以改變乳膠粒和分子量的大小及分布。（ 2）超聲空化提供的巨大能量可以加速反應的進行。（ 3）超聲空化生成的氫和氫氧自由基的體積更小，運動更快，從而使乳化更快更徹底。（ 4）超聲空化生成的乳膠粒其尺寸分布更加集中，使乳液更穩(wěn)定。2.4.2 界面不穩(wěn)定性機理Fogler.H.S等研究發(fā)現(xiàn)，當超聲射到兩種液體的分界面時，界面受到很高的周期性加速度，當這個加速度的方向是從較輕液體到較重液體時，就引起了不穩(wěn)定性，使得界面的擾動增大，最終引起一種液體殘缺不全地射入另一種液體，從而達到乳化的效果?？栈筒环€(wěn)定性機理都和液體的

43、密度和含氣量以及一些聲學參數(shù)有關。兩種機理在不同的實驗條件下是獨立的并能相互補充。在中等頻率和有利的液體條件下，空化機理似乎是主要的，當兩種液體的密度差很大或者超聲頻率很低時，界面不穩(wěn)定性機理為主要因素。4.2 動態(tài)乳化裝置我國將推廣摻水乳化柴油列入了十一五國民經濟發(fā)展計劃。但現(xiàn)有的靜態(tài)乳化生產方式存在三個難題長期未能解決：1 .由于摻水乳化油久置必分解，于是只靠乳化劑延長儲存時間，因此成本高，價格優(yōu)勢不突出；2 .因為摻水乳化油無法與純油相互溶，造成加油不方便、受用受限制，尤其不適用機動車（船）使用。3 .摻水乳化油成品中的油相和水相的比例已經固定，不能根據柴油機負荷和環(huán)境溫度影響對燃油中的

44、比例進行優(yōu)化，因此不能達到應有的節(jié)油水平。因以上三點因素，嚴重的制約了摻水乳化油的推廣普及。52-53近幾年我國開展了動態(tài)乳化裝置的研究，希望以此為切入點解決靜態(tài)乳化生產方式面臨的三大問題。 55-59動態(tài)乳化柴油裝置是將靜態(tài)乳化設備進行改造、優(yōu)化，使其安裝在機動車（船）上，通過一種自動控制裝置可以隨柴油機負荷優(yōu)化率的乳化柴油在線合成器。包括蓄水箱、浮子控制器、自動控制閥、乳化后流經油相之間的柴油清濾器、以及加入混合液的齒輪泵和自動控制系統(tǒng)等，這種裝置不需要任何添加劑，也不需要其他驅動就能獲得良好的乳化油，并可以能根據柴油機負荷對水在燃油中的比例進行自動優(yōu)化，提高節(jié)油水平。安裝在柴油機的前面，

45、乳化同時使用，不僅降低了柴油機油耗、減少排放煙度具有環(huán)保、節(jié)能等意義，而且比較靜態(tài)乳化設備它還可以節(jié)約用于乳化劑、表面活性劑等添加劑的費用，有著更大的經濟效益圖4.1在線柴油乳化裝置這個發(fā)明的出現(xiàn)體現(xiàn)著柴油乳化行業(yè)的一個新的發(fā)展方向，也為乳化行業(yè)的發(fā)展提供了一個 新的思路。這種設備結構簡單，操作方便，適用于大型的機動車（船） 。這種在線設備屬于連續(xù)性柴油乳化裝置，其目的是為機動車（船）運行時提供在線乳化好的 柴油，因此其產品由于沒有加乳化劑和表面活性劑等添加劑，導致其乳化液穩(wěn)定性不好，液滴容 易破裂、分層，不能夠長期保存。并且其自控系統(tǒng)造價比較昂貴，對于很多的柴油機車來說安裝 一套此設備還比較

46、困難，另外設備的維護和修理比較復雜，需專業(yè)人員進行，所以這種設備如若 廣泛應用，還需要進一步設計和改造。影響乳化柴油的因素包括：乳化劑類型、乳化劑用量、HLB值、乳化方式、乳化時間等4.4乳化劑的作用乳化劑的作用主要有以下幾個方面：乳化劑分子一般總是由非極性的、親油（疏水）的碳氫鏈部分和極性的、親水（疏油）的基團共同構成的，具有既親油又親水的兩親性質.乳化劑在乳化液中具有以下作用：降低柴油甲醇界面的表面張力.降低柴油甲醇界面的表面張力的能力可采用以下兩種方法來度量:一是降低至一定值時所需的乳化劑的濃度；二是界面張力降低所能達到的最大程度.前一種稱為乳化劑降低界面張力的效率，一般所說的高效乳化劑

47、就是指此而言;后一種稱為乳化劑降低界面張力的能力.降低界面張力的效率和能力主要決定于乳化劑的結構.對于表面活性劑型乳化劑而言，隨親油基碳原子數(shù)的增加，其效率增加，但降低界面張力的能力基本不變.乳化劑親油基結構的變化，往往會引起降低界面張力能力的變化.在柴油甲醇界面上形成界面膜.乳化劑在降低界面張力的同時，根據 GibbS吸附定理必然發(fā)生吸附，而界面上形成界面膜，并有一定強度，對分散相起保護作用圖.乳化劑的親水親油性用親水親油平衡值（HLB）來表示一方面，為了降低界面張力，乳化劑必須有趨集于界面的傾向，不易留存于界面兩邊的體系不，因而要求乳化劑的親水、親油部分有恰當?shù)谋壤?另一方面，為了在界面上

48、形成相當結實的吸附膜，從分子結構的要求而言，希望界面上的吸附分子間有較大的側向引力，這也與乳化劑的親水、親油部分的大小、比例有關.因此，作為乳化劑必須有合適的HLB值，即有恰當?shù)挠H水、親油部分的大小和比例.（ 1）降低油水界面張力油水之間存在很大的界面張力，加入少量乳化劑后，可以大大降低界面張力，相應的降低Laplace 壓力差，使得制備乳液所需的能力大大減少。同時由于乳液形成過程中，分散相被分散成微小顆粒，極大地增加了界面積和界面能而使乳液處于不穩(wěn)定狀態(tài)。但由于乳化劑的存在降低了體系的表面張力和界面張力，使得乳液體系在較低能量狀態(tài)下變得比較穩(wěn)定。（ 2）締合形成界面膜近代乳液穩(wěn)定理論認為，乳

49、液穩(wěn)定的關鍵在于乳液界面存在排列緊密的剛性界面膜。在有乳化劑存在的條件下對油水體系進行攪拌時，分散相被分散成許多小液滴時，每個液滴的表面會吸附上一層乳化劑，其親油基團伸向油相，親水基團伸向水相，形成一層單分子界面膜。該界面膜有一定強度，對液滴有保護作用使得珠滴在相互碰撞時不致相互聚集在一起。（ 3）增加界面粘度很多研究表明乳液的穩(wěn)定性與界面粘度成正相關性。當液滴聚結時，界面上的乳化劑要移 位，而高界面粘度則會阻礙這種移位的進行。因此界面粘度越大，乳液越穩(wěn)定。除此以外，還有研究認為乳化劑在乳液形成過程中還有其它一些作用，例如形成液晶相，產生界面張力梯度、導致靜電和位阻排斥效益等，對乳液的穩(wěn)定有一

50、定影響。在此不一一列舉。由以上分析，超聲乳化的主要機理是空化作用，影響乳化效果的超聲因素主的聲強和幅照時間。本實驗主要討論超聲聲強、超聲輻射時間等因素對超聲乳化的影響。同時對油水比、乳化劑用量等可控制因素對超聲乳化的影響進行研究，并找出最佳的工藝參數(shù)以制備比較穩(wěn)定的柴油乳液。5 柴油-甲醇乳化液甲醇屬于一元醇，其分子式為CH30H.甲醇分子中既含有煌基（CH3）,又含有經基（OH）,所以甲醇有親油的特性，又有親水的特性.但是，由于甲醇分子中只含有一個碳原子，表現(xiàn)出極強的親水性.（一）我國資源特點是多煤、缺油、少氧。為了發(fā)展交通運輸事業(yè)，必須發(fā)展資源多，使用方便、價格低廉、高效、潔凈的代用燃料，

51、以調整傳統(tǒng)的汽車能源結構，有利國家能源安全。（二）甲醇由煤制取，從長遠看還可從可再生物質制取。甲醇汽車的動力性、排放性、經濟性、燃料價格等，都已優(yōu)于汽油車。與其它代用燃料相比，汽車續(xù)駛里程長，基礎設施簡單便宜、使用方便，受用戶歡迎，容易實現(xiàn)推廣。（三）煤是我國最豐富的化石能源。煤制甲醇，生產技術成熟。除已有大量的中、小甲醇生產廠外，現(xiàn)已具備在煤礦基地坑口，建立高水平的、有自己知識產權的大型甲醇生產裝備的條件。（四）我國約有1000 個中、小化肥廠，可以聯(lián)產甲醇。改造生產投資少，見效快，產量易上去。甲醇生產廠遍布全國，作為燃料生產、供應中心，布局合理。增加甲醇產量，還可救活一批因生產化肥不景氣，

52、面臨倒閉的中小化肥廠。（五）經過20 年的甲醇汽車系統(tǒng)研究、國家科技攻關和國際技術合作以及地方推廣示范，我國對甲醇汽車的改裝優(yōu)化技術、系統(tǒng)配套技術和甲醇對人體和環(huán)境的影響問題等，從技術上都已基本掌握。已具備發(fā)展甲醇汽車的技術基礎。（六）甲醇汽車符合我國國情。發(fā)展?jié)崈艏状计?，可以較快地、較好地解決以煤代油問題，是汽車能源結構調整的一項重要措施。甲醇乳化的困難與水相比甲醇的乳化較困難，我們用上海M801 、 青島 MDT-2、 山東高唐JY-1 型等多種水柴油型乳化劑，進行甲醇柴油乳化試驗，結果是：乳化劑量為1%時，未能實現(xiàn)乳化，乳化劑量從1%加大到5%并增加攪拌強度，仍不能有效乳化。因此，許多

53、對水乳化效果較好的商品乳化劑都不能使甲醇乳化。究其原因可能是甲醇的破乳作用甲醇是一種環(huán)保型、可再生的生物質燃料,可以從煤、木材、天然氣、石油伴生氣、植物秸稈，甚至城市可燃垃圾等物資中提煉或合成。而我國是世界產煤第一大國，煤田分布廣泛，南北 林區(qū)也相當廣闊，利用煤或木材邊料、樹枝、木材、木屑等用工業(yè)化方法生產甲醇是可行的。對 現(xiàn)有發(fā)動機進行改造，部分或完全燃燒甲醇燃料具有一定的社會效益和經濟效益。甲醇可以從煤、木材天然氣、石油伴生氣植物秸稈，甚至城市可燃垃圾等物資中提煉或合成。我國是世界產煤第一大國，煤田分布廣泛，南北林區(qū)也相當廣闊，利用煤或木材邊料、樹枝、木材、木屑等，用工業(yè)化方法生產甲醇是可

54、行的，特別是可以因地制宜進行，從而降低成本7,8,9。凡是可以用低成本方法同時得到H2 和 C 或 CO 的地方，都可以用合成法得到甲醇。5.1 國內外研究現(xiàn)狀5.1.1 國外在國外，許多發(fā)達國家對甲醇燃料的研究開發(fā)工作于20 世紀 70 年代前后相繼展開，美國、德國、日本、加拿大、瑞典以及巴西等國的研究開發(fā)及應用推廣工作較為深入。1976 年多國代表在瑞典召開了第一屆國際醇燃料會議(ISAF),通過深入交流，大家普遍認為醇燃料比爛類燃料油在內燃機上的燃燒及排放更具優(yōu)勢，特別是對環(huán)境影響方面表現(xiàn)出更佳的效果。到20 世紀 80年代末 90 年代初，己基本完成了直接甲醇燃料汽車商業(yè)化的各項準備。

55、最早開始研發(fā)甲醇燃料的有美國、前西德和日本等國，主要是在各個大的汽車制造廠商內進行甲醇燃料汽車的研究、開發(fā)試驗及整車示范工作，在技術應用方面取得了較大進展。美國是在甲醇燃料研發(fā)過程中投資規(guī)模最大，行車范圍最廣的國家之一。1978 年首先在加州開始了甲醇燃料應用試驗，當時主要是在汽油中摻入高比例的甲醇，85甲醇是試驗的重點。同時還進行了最高達到100甲醇燃料實際應用試驗。85甲醇燃料一般情況下主要用于輕型汽車，100甲醇燃料主要用于重型汽車，隨后有幾千輛汽車在加州能源協(xié)會的資助下一直使用甲醇燃料。到20 世紀 80 年代中期，美國福特公司開發(fā)成功并建成了M85 及靈活燃料汽車(FFV)生產線71,72,73，并投入了大批量生產，到1995年美國的甲醇燃料汽車達到12700輛。至此甲醇燃料的應用在美國加州得到迅速推廣，同時也帶動了加州地區(qū)甲醇燃料儲運設施及加油站建設，加油站最多時超過了200 座。在歐洲， 德國和瑞典是較早研發(fā)甲醇燃料汽車的國家，目前仍有幾百輛甲醇燃料柴油甲