乌桕木油基生物柴油掺烧动力试验研究

摘要：本研究将乌桕木油基生物柴油和0#柴油进行掺烧动力试验，结果表明乌桕木油基生物柴油与0#柴油可以任意比掺混互溶，掺混燃烧的输出功率在相同的工况点没有明显差异，随着负荷的增大，输出功率略有下降。乌桕木油基生物柴油的有效燃油消化率比石化柴油略高，在低配比下相当。因此，乌桕木油基生物柴油与石化柴油混合使用可以克服其十六烷值的不足，不需对柴油机作任何调控，建议用乌桕木油基生物柴油作柴油机燃油时以低配比掺混使用。

关键词：乌桕　生物柴油　掺烧　试验

随着化石能源的日趋枯竭和环境问题的日益严重，生物质能源作为唯一可储运的洁净可再生能源受到全世界的重视，生物质能源的开发利用已成为世界各国热门研究课题。我国是矿物质能源相对贫乏的国家，随着国际原油价格的飙升和我国经济的快速发展对燃油需求的增大及对环保的重视，发展被称为“绿金”的生物液体燃油(燃料乙醇和生物柴油)事关国家能源安全和经济可持续发展战略。

由生物油脂与甲醇转酯化得到的生物柴油又名脂肪酸甲酯(FAME)，是一种含有长链脂肪酸单烷基酯燃料。从原料来看，目前能用于转化的油脂。几乎包括所有的生物油脂，各种植物油、动物脂肪、微藻油脂都能与低C链的醇进行醇解反应顺利转化成不同的脂肪酸酯，即生物柴油。但不同的油脂转化特性不一，产品的稳定性，燃油特性等也不同，检验不同的油脂制备的生物柴油的适应性，最直接的方法就是柴油机的台架动力试验。

乌桕(Sapium sebife rum Roxb.)属大戟科，乌桕属，是我国南方重要的木本油料树种。乌桕籽外被的蜡皮(外种皮)可榨取桕脂(亦称皮油、桕蜡)、脱除蜡皮的种子可榨取梓油。乌桕籽(带有蜡皮)榨取的混合油称为木油。据研究，乌桕木油以C18的不饱和脂肪酸为主，是制备生物柴油的理想原料。由乌桕木油制备的生物柴油称为乌桕木油基生物柴油。2009年，对我们实验室制备的乌桕木油基生物柴油进行油品测定，除了十六烷值为43低于我国轻柴油标准(大于45)外，其余各项指标都达标。十六烷值是衡量柴油点火性能，影响柴油燃烧特性的重要参数。十六烷值低，则燃料点火困难，滞燃期长，发动机工况粗暴；十六烷值高，则可以保证油品均匀燃烧，热功率高，耗油量少，发动机工作平稳。十六烷值又是关系到节能的一个指标，十六烷值低的燃油在燃烧过程中所发出的热量不均匀，增加了燃料的消耗；十六烷值高的燃油，燃烧均匀，热功率高，可降低燃料消耗。但生物柴油通过掺混石化柴油能改变其燃烧动力特性。本研究首先对乌桕籽各部位油脂含量进行测定，力求对整个油脂的利用，然后对乌桕木油基生物柴油与普通石化柴油掺混稳定性及燃油动力比较以判断其作为石化柴油替代品利用价值及其掺混比例的主要依据。

1　材料与方法

1.1　供试材料

乌桕籽(采自福州)，乌桕木油基生物柴油(实验室自制)，0#柴油

1.2　试验仪器和设备

KM178型柴油发电机组

1.3　试验方法

(1)乌桕籽不同部位含油量测定

将乌桕籽的外种皮(蜡层)，内种皮。种仁分开，称重；分别测定外种皮和种仁的含油率，重复3次，取平均值。

含油量测定：GB/T5512-1985《油料粗脂肪含量测定》。

(2)掺混稳定性

用0#柴油与乌桕木油基生物柴油掺混，掺混体积比分别为：95：5(B5)，90：10(B10)，80：20(B20)，50：50(B50)，20：80(B80)，10：90(B90)。静置5d，观察混合油的分层现象。

(3)掺烧动力试验

将柴油和生物柴油按比例掺混，搅匀，启动柴油机，使水温和油温预热至正常温度，柴油机运转平稳，将装有200mL掺混油的烧杯放到托盘天平的右盘，将柴油机的输油管从油箱拔出，悬空插入烧杯油中，运行20min，使油管和汽缸内的空气和原来的油排空，将放有20g砝码左盘放置托盘天平上，及时计时，约每10s记录一次电参数字测量仪上的输出功率和频率，至天平平衡点，停止计时和记录。重复试验2次。然后油门不变，按从小到大改变载荷(白炽灯)，载荷的试验点分别为：5％、10％、20％、35％、50％、75％。取输出功率和频率的平均值，计算有效燃油消耗率Be(每千瓦时的耗油量)。

2　试验结果与分析

2.1　乌桕籽不同部位的含油量

经称重，乌桕籽(种子)的千粒重为192.1g，其中外种皮(蜡层)、内种皮、种仁三部分的质量比率分别为：31.82％、29.71％、38.47％，种仁所占的质量比率最大，外种皮和内种皮相近；种子的含油率为42.13％，外种皮的含油率为24.71％，种仁的含油率为17.42％，种仁的含油率比外种皮少7.29％。

以上数据表明，乌桕是一种高含油率的油脂植物，在乌桕籽中，皮油比梓油的含油率更高，用乌桕木油作为生物柴油的原料油不但具有更高的经济价值，而且可以减少加工(分离梓油和木油)过程和成本。

2.2　掺混油的稳定性

乌桕木油基生物柴油和0#柴油按比例掺混，5d后经观察没有出现分层现象，油色没有改变。说明两种油完全互溶，能够按任意比掺混。

2.3　掺烧动力试验

(1)发电机频率变化

发电机的频率反映柴油机的转速，图1和表明在同一个工况试验点，不同配比的掺混油燃烧，发电机的频率基本上相同，柴油机转速基本上一致。由B0到B5有所下降随后平稳。图1中B0到B20有所波动，可能是开始试验时，空气没有完全排空，柴油机的稳定性不够，但随后频率平稳，说明不同配比的掺混油在柴油机上运转平稳。

随着负荷增大，不同掺烧的频率下降，下降幅度在2Hz的范围，那是因为油门没有改变，随着输出功率的增大转速有所下降。

(2)掺烧输出功率变化

图3表明：乌桕木油基生物柴油与0#柴油掺混燃烧的输出功率在相同的试验点没有明显差异，随着负荷的增大，输出功率略有下降。如果在100％载荷下试验可能结果更明显。Merve Cetinkaya等人用低成本的餐饮废油生产的生物柴油，在四冲程、四缸的Renault Megane F9Q732柴油机上，对比分析燃用生物柴油和柴油的发动机性能，试验结果表明：与柴油相比，发动机燃用生物柴油的输出功率和转矩下降。Scholl等在一台直喷式柴油机上研究豆油甲酯的燃烧性时表明：豆油甲酯在性能和放热率方面与柴油相当。与本试验结果相似。

(3)有效燃油消耗率的变化

Be是考察燃油燃烧特性的重要指标。随着负荷的增大。有效燃油消耗率减小，图5表明：B100的油耗率最高，掺配比越大燃油消耗率越高，在低配比下Be值与乌桕木油基生物柴油差别不明显。其原因是：生物质燃油中含有氧。其热值比柴油低，所以纯生物柴油比柴油的油耗大；但当与柴油混配后，能使混合燃料燃烧完全，能量利用率提高，掺混油的油耗率下降。Isigjgur等人在一台四缸直喷柴油机上研究燃用向日葵甲酯和柴油时发动机的性能和排放表明：燃用甲酯时发动机的有效燃油消耗率和有效热效率都略有增加。

3　结论

通过乌桕木油基生物柴油与0#柴油的掺混观察及在柴油发电机组上的动力试验，可以得出以下结论：

(1)乌桕木油基生物柴油与0#柴油完全互溶，可以任意比掺混。

(2)乌桕木油基生物柴油与0#柴油的掺混油在柴油机上运行平稳。

(3)乌桕木油基生物柴油的有效燃油消化率比柴油略高，在低配比下相当。

因此，乌桕木油基生物柴油可以作为柴油替代品，不需对柴油机作任何调整。

乌桕是我国南方主要的木本油料树种，资源丰富，适应区域广，作为替代燃油具有广阔的市场前景，目前，国内对乌桕油的开发利用是将乌桕的皮油和梓油分开，作为替代燃油的开发在不影响品质的前提下应注重其经济价值，从乌桕籽中得到的木油含油率高，而且可以减少加工(分离梓油和木油)过程和成本。乌桕木油基生物柴油与普通石化柴油在低配比下掺烧可完全替代普通石化柴油。并且作为一种生物质能源对环境友好，能源来自植物光合作用固定太阳能，不会增加大气CO2排放。因此，通过定向培育。大力发展乌桕作为生物柴油原料树种，对适应我国可替代能源的产业发展及低碳经济发展具有重大战略意义。