甲醇柴油的物化性质研究

焦 杨，韩大明

(东北林业大学交通学院，黑龙江哈尔滨 150040)

近年来，随着我国经济的快速发展和汽车保有量的高速增加，石油短缺问题日益突出。柴油作驱动汽车行驶的主要燃料之一，常有供不应求的局面出现。随着汽车工业的发展，全球原油资源日趋枯竭，而且柴油机尾气中碳烟、NOX及其他有害气体含量很高，排放污染严重，损害人体身体健康。燃料甲醇作为一种可再生清洁燃料成为汽车代用燃料的热点之一，其中甲醇可由煤碳、石油和天然气中提取，其中一半来自天然气。由于甲醇含氧量高，甲醇柴油混合燃料的燃烧可以降低碳烟和CO的排放。但是甲醇与柴油的物化性质相差很大，互溶困难。所以必需选用合适的助溶剂，来保证甲醇柴油混合燃料性质稳定且不分层。

甲醇柴油的研究在一些国家受到广泛的重视，但我国对甲醇柴油的物化性质方面的研究极少，只对其燃烧及排放性能进行了初步的研究和试验。甲醇柴油混合燃料必需加入添加剂来改善本身体系的物性，来完善由于甲醇和柴油的十六烷值、粘度和闪点等性质差别较大引发的一系列问题，因此对甲醇柴油物性的研究可为其推广应用奠定基础。

1 混合燃料的配制和测试方法

1.1 混合燃料的配制

原料由0#柴油、天津市富宇精细化工有限公司提供的分析纯和东北林业大学交通学院研发中心研制并提供的助溶剂组成。甲醇在混合燃料中的体积含量分别取0%，10%和20%，配置 M10和M20(符号M后面的数字表示甲醇在混合燃料中的体积百分比)。

1.2 测试方法

使用密度计对普通柴油和甲醇柴油的密度进行测量。遵循GB/T265试验方法，采用GB265型石油产品运动粘度测定仪进行混合燃料粘温特性试验。蒸馏特性试验按照GB/T6536试验方法运用蒸馏仪进行。

2 混合燃料的物化性质

2.1密度

密度是与体积热值直接相关的物性数据，燃油的大部分物化性质都与密度存在着某种内在关系。柴油是复杂的烃类混合物，碳原子数约为10－22，碳原子多 输出功率大 产生碳烟微粒的可能性就大。

表1 不同甲醇含量的甲醇柴油实测密度 (20℃)/g·cm－3Tab.1 Measured density of methanol-diesel fuel with different methanol content(20℃)/g·cm－3

表1是燃油密度在不同甲醇体积百分含量时的数值，测试温度是20℃。由于甲醇的密度较小，因此混合燃料的密度会随着甲醇加入量的增大而减小。又因为助溶剂的密度较大，大约为0.95左右，可以防止混合燃料密度的降低，由表1可见混合燃料的密度大于燃油密度。

混合燃料的密度随各组成部分变化的拟合公式:

式中:ρ为温度20℃时混合燃油的密度，ρ1表示20℃时柴油的密度，ρ2表示20℃时甲醇的密度，ρ3表示20℃时助溶剂的密度，C1是甲醇的体积含量，C2是助溶剂的体积含量。此式可以计算出在20℃时的任何百分比含量的柴油甲醇柴油混合燃料的密度值，通过实验也可以测得混合燃料的密度，M10和 M20分别为 0.8693g/cm3、0.8627g/cm3。计算值与测量值之问的误差≤0.3%。

2.2粘度

粘度是燃料油最主要的性能指标之一，它是对流动性阻抗能力的度量，它的大小表示燃料油的易流性、易泵送性和易雾化性能的好坏。燃料的粘温曲线 (粘度随温度的变化关系)是燃料、特别是代用燃料重要的品质特征［1］。在20～100℃温度范围内，以0号柴油为基础油，对M0、M10、M20混合燃料进行温粘特性试验，试验结果如图1所示。

由试验结果可知，运动粘度的变化较密度明显。随着温度升高 (约100℃)，不同比例混合燃料的粘度均逐渐降低直至和0号柴油的粘温曲线基本重合，并且随着甲醇掺混比例的增大，混合燃料的粘度逐渐降低。这是因为柴油的沸点为175～360℃，而甲醇的沸点仅为为64.5℃，相差极大。试验结果表明，当混合燃料的温度升高达到甲醇的沸点64.5℃时，甲醇先由甲醇柴油混合燃料中蒸发出来;当混合燃料的温度继续升高达到到80℃时，甲醇已大部分从甲醇柴油混合燃料中蒸发出来;当温度升高超过80℃以后，M0、M10、M20的粘温曲线基本重合保持一致。

图1 混合燃料的温粘特性Fig.1 Viscosity characteristics of the mixed fuel

表2 燃料在不同温度下的粘度Tab.2 Viscosity of the blends in different temperatures

由表2可见，混合燃料的运动粘度变化较大，但仍符合0号柴油运动粘度的国家标准，对使用性能的影响很小。

2.3 十六烷值

十六烷值是表示柴油发火性能的指标，代表柴油在发动机中发火性能的一个约定量值。混合燃料的十六烷值将根据甲醇的掺混比例来确定，因为甲醇燃料的十六烷值较低仅为3。燃料的十六烷值应该在一个合适的范围内，十六烷值过高，则柴油机排气冒黑烟，经济性下降;如果过低，则起动困难，运转粗暴。一般柴油机燃油的十六烷值在40～60范围之内。甲醇柴油混合燃料的十六烷值随甲醇体积百分含量的变化如图2所示。

由图2可见，随着甲醇掺混比例的增加，甲醇柴油混合燃料的十六烷值逐渐下降。因而为改善混合燃料的十六烷值过低的问题，提高甲醇柴油混合燃料的发火性能，适当添加着火促进剂是有必要的。

图2 混合燃料十六烷值随甲醇体积含量的变化关系Fig.2 Cetane of the blends with the methanol volume content

2.4馏程

馏程是评定液体燃料蒸发性的最重要的质量指标。它既能说明液体燃料的沸点范围，又能判断油品组成中轻重组分的大体含量，对生产、使用、贮存等各方面都有着重要的意义。本文以0号柴油为基础油，用M0、M10、M20混合燃料进行蒸馏特性试验，试验结果如图3所示。

图3 燃料的蒸馏特性Fig.3 Distillation characteristics of the fuel

由图3可以看出，随着温度的升高，混合燃料的馏出率不断的增加。并且混合燃料中甲醇掺混比例越大，相同馏出率所对应的馏出温度越低。由试验结果可知，在40%馏出率以下，混合燃料与基础油馏出曲线相差很大，随着馏出率的增大，混合燃料与基础油的蒸馏曲线逐渐接近，最终基本重合到相同的终馏点。通过燃料的蒸馏特性试验得知，不同馏出率所对应的混合燃料的馏出温度始终低于基础油的馏出温度，且混合燃料中掺混甲醇比例越高，相对馏出温度越低。甲醇柴油混合燃料馏程范围符合国家标准。

2.5 腐蚀性

甲醇对金属材料具有腐蚀性，因此本文进行了混合燃料铜带腐蚀试验。试验按照《石油工业新技术及标准规范手册－油气分析测试化验新技术及标准规范》中的测试方法。即在规定条件和试验流程下，观察燃料使铜片所产生的颜色变化来判断试验燃料的腐蚀性［2］。不同甲醇体积含量混合燃料的试验结果见表4。

表4 混合燃料铜带腐蚀试验结果Tab.4 Experiment results of blends of copper with corrosion

将试验结果与标准的腐蚀级别进行对照，可以得出结论，甲醇柴油混合燃料的腐蚀级别为1级。随着甲醇的含量提高，腐蚀级别略有上升，但从总体来看腐蚀性并不强，混合燃料满足标准ISO 2160－1998对燃料的要求。

3 结论

(1)通过温粘特性试验可知，随着甲醇掺混比例的增加，甲醇混合燃料的粘度值降低，但仍符合0号柴油运动粘度的国家标准。

(2)随着甲醇掺混比例的增加，甲醇混合燃料的十六烷值降低，所以适当添加着火促进剂是有必要的。

(3)通过蒸馏特性试验可知，甲醇柴油混合燃料的低温蒸馏特性较强，馏程范围符合国家标准。

(4)甲醇柴油混合燃料能够满足标准ISO 2160－1998对燃料腐蚀性的要求。

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［1］ Miyamoto N，Ogawa H.Improvement of Diesel Combusition and E-missions with Addition of Various Oxygenated Agents to Diesel Fuels［C］.SAE962115.

［2］魏象仪.内燃机燃烧学［M］.大连理工大学出版社，1992.