正丁醇在柴油机上的应用研究探讨

程艳 (广西职业技术学院机电与信息工程学院，广西 南宁 530026)

0 引言

正丁醇燃烧后不会产生氮化物和硫化物，且还能降低温室气体的排放。相关研究表明，正丁醇是一种较理想的可再生替用燃料。可以说，正丁醇将是继乙醇后极富潜力的另一种新型可再生生物燃料。因此,研究正丁醇在柴油机上的应用具有重要的实用价值和战略意义。

1 正丁醇燃料的理化特性及作为替用燃料的优势分析

1.1 正丁醇燃料的理化特性分析

正丁醇是丁醇的4 种同分异构体中最有代表性的一种，4种同分异构体的分子结构(羟基位置和碳链结构)存在着明显差异。相对而言，正丁醇、异丁醇被研究得较多。常温常压下，正丁醇呈液态，有酒气味而无色，其毒性和乙醇的相当。[1]其主要理化特性如表1 所示。

表1 正丁醇与汽油、柴油的主要理化特性

1.2 正丁醇作为替用燃料的优势分析

根据其物化特性及现有相关研究分析可知正丁醇的一些优势：首先，正丁醇中的含氧量达21.6%，这可有效促进燃料在缸内燃烧，并有利于尾气的排放；其次，正丁醇燃料的汽化潜热高达430，这可有效提高发动机的充气系数；此外，正丁醇是易于汽化的高十六烷值、高热值，且其空燃比范围大、闪点高、安全性好，这些都是它作为替用燃料的突出优势。[2]

由表1 对比分析正丁醇与汽油、柴油的特性可知，正丁醇的理化特性与柴油的物化特性更接近,故燃用正丁醇无需对柴油机的结构和燃油供给系统做太多的改动就可使用，因而正丁醇更适合与柴油混合应用在柴油机上，这也吸引了国内外众多研究人员对正丁醇柴油燃料的研究。

2 正丁醇在柴油机上的应用研究分析

研究表明：在常温常压下，正丁醇和柴油可在(40%的)高混合比例、无助溶剂条件下快速溶合，且其混合物能在长达1星期之久的时间也不分层，可见正丁醇和柴油混合燃料稳定性、互溶性非常好。正因正丁醇和柴油直接混合相溶性良好，故正丁醇是一种与柴油掺烧混合的良好潜用燃料，因而目前对于正丁醇柴油混合燃料的研究比起它与汽油的混合燃料的研究要相对较广泛而深入一些。

西华大学的赵家辉等利用正丁醇柴油双燃料发动机，针对不同的潜代率对柴油机燃料状态参数及排放影响进行了研究，得出结论：随着正丁醇替代率的增加，缸压上升速度和压力最大值均增加，峰值相位后移；CO 和HC 则随着正丁醇柴油替代率的增加而增加，而CO 在正丁醇柴油替代率28.6%后不再增加，NOx的排放最低，约降低1g/kW·h，Soot 的排放最低，能降低0.0108g/kW·h。[3]

西华大学的田维等对不同质量浓度的正丁醇预混合气对正丁醇/柴油复合燃烧及排放的影响规律进行了研究，得出结论：在平均有效压力PB≤0.50MPa 时，NOx和soot 排放均小幅度降低，HC 和CO 排放随正丁醇预混合气的质量浓度的增大呈线性增加；在PB＞0.78MPa 时，HC、CO 和NOx的排放与纯柴油燃烧排放的相当，但soot 排放大幅度降低。[4]

河南牧业经济学院的刘博对正丁醇添加于柴油-生物柴油后对柴油机性能及颗粒物排放的影响进行研究，得出结论：生物柴油(PME)以20%Vol 添加于柴油中，然后分别按5%，10%，15%Vol 的比例添加正丁醇。随着正丁醇比例的增加，相对于B20 而言，发动机在中高负荷下排放的颗粒物质量和数量浓度明显减少，颗粒物平均几何直径呈减小趋势，颗粒相的多环芳香烃(PAHs)总数减少，而有效热效率则显著提高。[5]

此外，广西大学的钟文[6]、长安大学的陈阳[7]、江苏大学的刘旋[8]和单泳[9]等也对正丁醇柴油混合燃料在不同条件下的柴油发动机性能进行了试验研究，在动力性、排放性及经济性方面得出了相应的结论。

综合比较分析相应的这些成果结论可得出：正丁醇与柴油混合燃料在不同条件下,在一定程度上能改善尾气NOx、HC、CO 及碳烟的排放；在动力性能方面，在正丁醇比例小于B30 时,中转速时动力优于或稍低于纯柴油模式的动力输出，正丁醇比例大于B30 至B40 时，(相比纯柴油模式)动力下降显著，达10.5%。因此在综合考虑不影响动力输出，确保排放环保和经济性能方面的因素情况下，是可推行正丁醇柴油燃料的。

3 正丁醇燃料生产发展应用前景

正丁醇柴油已在国内外得到了深入而广泛的研究，研究表明把它应用于柴油机上是可行的。其实它是一种重要的可再生生物燃料,由可再生的乙醇制备正丁醇的催化转化反应已获得了广泛的关注。

正丁醇是丁醇的其中一种，其制取方法来源较多，传统制备方法主要是从石油中萃取，但随着石油资源的紧缺，取而代之的是更为环保的可再生生物发酵制备方法，目前正丁醇抽取来源方法主要的有以下几种[10]：

(1)厨余垃圾发酵制取正丁醇。此方法不但弥补了生产原料费用昂贵及来源单一的不足，而且解决了厨余垃圾严重污染这一难题。但目前国内与国外极少有利用厨余垃圾发酵制备丁醇的完整流程和商业行为。

(2)用藻类和甘油抽取。与其他原料相比，藻类有着增长率较高、对水的需求第量较少、高效二氧化碳减排等优势，是作为ABE 生产的潜在型环保原料；此外，正丁醇还可由甘油来生产。

(3)用维生素抽取。纤维素是较为实际且经济性能良好的制备丁醇的一种不可食用的可再生原料，同时具备极大的商业潜能。

(4)用淀粉类植物抽取。可将淀粉类植物作为原料进行生物丁醇的发酵与制备。

正丁醇作为新一代的生物可替代燃料，替代汽柴油用于发动机燃烧的诸多优良特性得到世界的广泛认可，是一种良好的汽柴油潜代燃料。但就目前而言，其生物法制备及提纯方法的成本仍较高且产量低，如能进一步提高生物丁醇的产量及降低制造成本的问题，完善其燃烧的排放问题，正丁醇将会获得极大的市场竞争优势。

4 结语

以上分析可见，正丁醇燃料是一种很有潜力的新型石油替用生物燃料。因较好的理化特性，正丁醇已被研究应用于汽油发动机，更多的已被研究应用于柴油机上。在较低混合比例情况下(约30%)，正丁醇柴油混合燃料能使发动机动力下降不到纯柴油状态的10%，且能有效的改善NOx、HC 及碳烟的排放。因此，如果按B20～B30 的比例掺烧柴油中投入使用，并进一步改善尾气的排放，长远来看这样则能节省大量的柴油资源，达到有效节约柴油资源的效果。因此，正丁醇柴油燃料在节约石油资源方面有着良好的发展前景。今后如能进一步提高生物丁醇的产量及降低制造成本的问题，完善其燃烧的排放问题，正丁醇燃料就会得到更广泛的应用与推广，人类对石油资源的依赖程度将会降低。