[科普中國]-乳化柴油

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

乳化柴油節(jié)能機理柴油在內(nèi)燃機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：

(1)使油和空氣混合更加均勻，空氣利用率提高，燃燒更充分，甲醇的微爆效應形成二次霧化，使得油粒細微度提高，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)燃燒和行車試驗測定，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，燃燒過程中形成的C會與甲醇蒸汽發(fā)生燃燒反應，可以將C中包含的能量釋放出來；對于燃燒生成的CO，甲醇可與之反應生成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)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，加上甲醇的潛熱遠大于油，內(nèi)燃機含甲醇燃燒后的缸內(nèi)峰值溫度下降。另一方面，由于甲醇的熱導率大于油蒸汽的熱導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，岡此對于柴油機來說，有利于減少爆震，也可以提高壓縮比，來進一步降低油耗率，提高熱效率；由于甲醇在進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^熱蒸汽，其熱量部分來源于燃燒室周岡零部件的熱量，特別是熾熱部位的熱量，但也會有一部分來源于燃油燃燒放熱、當含甲醇量較大時，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

乳化柴油降污機理1、降低NOx的機理

氮氧化物( NOx)是燃燒過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正是柴油機燃燒過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，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，甚至嚴重時還會引起肺炎和肺氣腫、

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間長。這子個要素缺一不可。只有三者同時具備時，NOx才能生成，所以，要降低NOx的生成，只要控制其中一個要素，就能奏效。內(nèi)燃機中乳化柴油燃燒，恰恰在相當程度上遏制了上述子個要素。乳化柴油燃燒時，吸收汽缸內(nèi)零件的熱量以使自身氣化，同時減少噴入汽缸內(nèi)的燃料量；同時，甲醇參與燃燒后的微爆、二次霧化過程以及能減少燃燒輻射熱等均使氣缸內(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)動機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；同時，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含量會明顯下降。總之，柴油摻甲醇乳化后，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

乳化柴油的特點世界范圍內(nèi)的趨勢是汽車柴油化這是因為柴油機與汽油機相比，壓縮比較高，采用稀混合氣燃燒、無進氣節(jié)流損失，因而熱效率高，動力性和經(jīng)濟性明顯優(yōu)于汽油機：由于柴油低油耗及低CO2排放，柴油機汽車具有較高的經(jīng)濟效益社會效益。出于節(jié)能和環(huán)保方面的考慮，柴油機汽車在世界各同受到普遍重視，柴油的生產(chǎn)和消費逐年增加。因此，制備甲醇柴油乳化燃料對于減輕石油進口壓力、緩解資源環(huán)境約束具有積極促進作用。

(1)甲醇柴油乳化燃料技術應用方便，無需對柴油發(fā)動機結構進行任何改動，直接替換燃油即可使用。

(2)甲醇的沸點比柴油低，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)動機的冒煙極限功率，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，理論上柴油機燃用低比例甲醇柴油，發(fā)動機的功率和扭矩不會下降很多。柴油機壓縮比遠高于汽油機，其壓縮比愈高，燃燒過程的熱力狀態(tài)愈高，燃燒過程愈完善，熱效率愈高，膨脹過程愈充分，因而排氣溫度愈低，油耗和能耗愈低。、在柴油機中摻燒甲醇可以比在汽油機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。甲醇汽化潛熱較大，在形成混合氣時，會降低進氣溫度，可以提高充氣系數(shù)，一定程度上可使發(fā)動機的燃燒情況得到改善，使燃燒過程變得柔和，、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，這在熱負荷高的增樂柴油機上的效果更為明顯：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，有著深遠的環(huán)保意義。

(4)柴油是南多種含有多碳原子的烴類（碳氫化合物）組成的混合物，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)盡管乳化柴油技術有著節(jié)油和降污的雙重效果，但仍存在種種問題和尚未弄清楚的地方，導致此項利國利民的技術尚未大面積推廣和采用、例如乳化柴油的穩(wěn)定性問題；乳化劑經(jīng)濟成本高，致使節(jié)油不節(jié)錢；調(diào)制的乳化柴油存放時間短。容易產(chǎn)生分層的現(xiàn)象，不能長期儲存；內(nèi)燃機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)省出來的錢不夠購買乳化劑，于是便出現(xiàn)節(jié)油不節(jié)錢的局面。這些使得這項技術的經(jīng)濟效益不強。

(6)乳化設備昂貴。日前為制備穩(wěn)定性好的乳化柴油，大多都采用均質(zhì)器、超聲等間歇乳化設備。這種設備在試驗室進行小型試驗還可以，但在工業(yè)應用方面有很多缺點，例如沒備價格高、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廣大用戶需要，亟待開發(fā)更為優(yōu)化的乳化柴油制備工藝及設備，以期制得穩(wěn)定時間長、乳化劑用量少、粒徑分布均勻和實現(xiàn)連續(xù)操作的甲醇柴油乳化燃料。這對于發(fā)展新型代用燃料、解決能源短缺問題、降低環(huán)境污染具有重要的理論研究意義和工業(yè)應用價值。1

開發(fā)乳化柴油的意義全世界能源緊張是眾所周知的事實，且會進一步加劇，這是石油不可再生和儲存量逐步減少的必然結果。1993年，我同已由石油輸出國變?yōu)槭瓦M口同，乳化柴油每噸中僅實際使用約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。就是說0.8~0.9t純柴油變成了1t乳化柴油。據(jù)統(tǒng)計，我國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，按節(jié)油率10%計，約可以節(jié)省柴油1700萬/年。這樣不僅可以緩解國內(nèi)柴油緊張的狀況，而且可以帶來近8000億元的經(jīng)濟效益。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，將給使用者帶來可觀利潤，有著十分重大經(jīng)濟意義；④由于生產(chǎn)乳化柴油需要大量乳化原料，必將推動精細化工的發(fā)展。1

本詞條內(nèi)容貢獻者為:

王寧 - 副教授 - 西南大學