生物質(zhì)基乙酰丙酸乙酯混合燃料動力學(xué)性能研究.pdf

1、生物質(zhì)能是一種可以收集、儲存、運輸和最接近常規(guī)化石燃料的可再生能源，從原料構(gòu)成到理化特性均與煤炭等化石能源相似，其不僅是綠色的潔凈能源，而且是可再生能源中唯一可以培育和轉(zhuǎn)化為液體燃料的碳資源，在6種可再生能源中占有重要的地位。木質(zhì)纖維素生物質(zhì)是目前地球上最豐富、最廉價的生物質(zhì)資源，我國每年可作能源利用的農(nóng)林剩余物等木質(zhì)纖維素生物質(zhì)達7億噸以上，折合標煤3.5億噸左右。木質(zhì)纖維素生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為液體燃料，進而可作為柴油機替代燃料，其對于增強我

2、國石油安全、緩解能源和資源壓力、減輕生態(tài)環(huán)境污染、發(fā)展社會經(jīng)濟等具有現(xiàn)實意義。乙酰丙酸乙酯可由木質(zhì)纖維素轉(zhuǎn)化獲得，在國外已有作為車用燃料的研究，但國內(nèi)對其在柴油機上燃燒動力及捧放性能的研究幾乎為空白。因此，結(jié)合我國生物質(zhì)資源狀況，以玉米秸稈基乙酰丙酸乙酯為對象，分析其與柴油的混合燃料柴油機特性，找出適合我國柴油機使用的合理配比混合燃料，有利于生物質(zhì)基乙酰丙酸乙酯的推廣利用和我國生物質(zhì)資源的合理化、規(guī)?；?。
　　本文研究了生物質(zhì)

3、中典型的玉米秸稈制取乙酰丙酸并進行酯化工藝方法和反應(yīng)條件。分析了乙酰丙酸乙酯-柴油混合燃料的動力性性能，借助內(nèi)燃機試驗臺架，進行了混合燃料的動力性、經(jīng)濟性及排放性試驗，找到了適合我國柴油體系和柴油機系統(tǒng)的燃料混合范圍。以乙酰丙酸乙酯為中心，結(jié)合乙酰丙酸乙酯和生物柴油的各自理化特性特點，開展了乙酰丙酸乙酯、生物柴油與柴油的多種燃料配方的理化特性研究，優(yōu)選了滿足國家標準的燃料配方，并對配方進行了柴油機動力性能驗證。對玉米秸稈為原料的生物質(zhì)基

4、乙酰丙酸乙酯進行了生命周期能耗、環(huán)境排放和經(jīng)濟性分析，針對相關(guān)環(huán)節(jié)提出了一定的建議。結(jié)果表明:
　　(1)玉米秸稈纖維素和半纖維含量都較高，灰分含量較小，在水解制取乙酰丙酸平臺化合物方面具有較大的優(yōu)勢。玉米秸稈制取糠醛后的殘渣可用于制取乙酰丙酸，其較好的反應(yīng)溫度、硫酸濃度、固液質(zhì)量比、反應(yīng)時間等條件下，乙酰丙酸產(chǎn)率的可達70％。極性較強的吸附劑對乙酰丙酸水解液的分離效果較好，在合適的乙酰丙酸濃度、流量、填充柱的高徑比、洗脫鹽酸濃度

5、情況下，乙酰丙酸收率為82.2％。酯化反應(yīng)時，選用固體酸催化劑，找到了乙酰丙酸與乙醇酯化反應(yīng)V酸∶V醇、反應(yīng)時間、反應(yīng)溫度、M催化劑∶M酸等優(yōu)化條件。
　　(2)合適比例的乙酰丙酸乙酯-柴油混合燃料可在水平單缸四沖程壓燃式柴油發(fā)動機中正常工作;燃用這混合燃料與柴油的外特性的動力性變化趨勢相同，轉(zhuǎn)矩和功率較燃用純柴油略小;混合燃料的燃油消耗率較柴油略大，能量消耗率卻低于純柴油;混燃燃料的NOx、CO2等排放在柴油機輸出功率較大時較柴

6、油排放濃度要高;CO和煙度排放在輸出功率較大時，隨乙酰丙酸乙酯含量的增加較為明顯地降低。混合燃料柴油機利用過程中的油耗率受混合燃料的密度影響較大;NOx、CO和CO2等排放受混合燃料含氧量影響較大;HC排放和尾氣煙度受混合燃料的運動粘度影響較大;混合燃料的含氧量是影響燃燒排放主要參數(shù);尾氣煙度受燃料特性變化影響最為明顯。
　　(3)以乙酰丙酸乙酯為中心，開展乙酰丙酸乙酯、生物柴油和柴油不同配比混合燃料的理化特性研究，具體包括互溶性

7、、低溫流動性、霧化及蒸發(fā)性、氧化安定性、防腐性、潔凈性、發(fā)火性、熱值等方面，研究配制了13種B5系列混合燃料配方，經(jīng)試驗分析，有10種配方的滿足GB/T25199-2010生物柴油調(diào)合燃料(B5)的指標要求。理化特性試驗表明，乙酰丙酸乙酯和生物柴油的配合有一定的協(xié)同、相互促進作用，以柴油為主體，同時合理比例添加乙酰丙酸乙酯和生物柴油能夠使燃料配方具有與柴油十分接近的理化特性等，較好地滿足替代柴油的理化特性。對篩選的4種混燃燃料進行了柴油

8、機試驗驗證，結(jié)果表明，燃料配方在柴油機中燃燒的動力性基本不變，經(jīng)濟性略有提高，HC、CO、煙度等污染物排放比燃燒柴油有明顯降低，實現(xiàn)了節(jié)能減排。
　　(4)建立了玉米秸稈為原料制乙酰丙酸乙酯的生命周期能源消耗、排放和經(jīng)濟評價模型，考察了生物質(zhì)的生長、收集、預(yù)處理、水解酯化、燃料運輸分配及柴油機利用，詳細討論各個單元過程，定義了車用燃料生物質(zhì)基乙酰丙酸乙酯生命周期的系統(tǒng)邊界，進行了生物質(zhì)轉(zhuǎn)化乙酰丙酸乙酯的相關(guān)數(shù)據(jù)收集，整理和評價。生

9、物質(zhì)基乙酰丙酸乙酯生命周期中，乙酰丙酸乙酯的生產(chǎn)過程中水解和酯化過程的能耗最多，占到了總能耗的66％以上;玉米秸稈收集和預(yù)處理過程的能耗相當(dāng)，分別占總能耗的16.0％和15.5％，提高水解和酯化效率是生物質(zhì)轉(zhuǎn)換為乙酰丙酸乙酯的主要節(jié)能途徑和發(fā)展方向，減少玉米秸稈預(yù)處理和收集的能耗也是較為重要的節(jié)能途徑。相比傳統(tǒng)柴油，生物質(zhì)基乙酰丙酸乙酯的環(huán)境污染物排放中NOx、PM10、 SO2和溫室氣體均遠低于傳統(tǒng)柴油。隨著乙酰丙酸乙酯價格和糠醛價格