生物质基乙酰丙酸乙酯混合燃料动力学性能研究

发布时间：2020-07-22 08:07

【摘要】：生物质能是一种可以收集、储存、运输和最接近常规化石燃料的可再生能源，从原料构成到理化特性均与煤炭等化石能源相似，其不仅是绿色的洁净能源，而且是可再生能源中唯一可以培育和转化为液体燃料的碳资源，在6种可再生能源中占有重要的地位。木质纤维素生物质是目前地球上最丰富、最廉价的生物质资源，我国每年可作能源利用的农林剩余物等木质纤维素生物质达7亿吨以上，折合标煤3.5亿吨左右。木质纤维素生物质转化为液体燃料，进而可作为柴油机替代燃料，其对于增强我国石油安全、缓解能源和资源压力、减轻生态环境污染、发展社会经济等具有现实意义。乙酰丙酸乙酯可由木质纤维素转化获得，在国外已有作为车用燃料的研究，但国内对其在柴油机上燃烧动力及排放性能的研究几乎为空白。因此，结合我国生物质资源状况，以玉米秸秆基乙酰丙酸乙酯为对象，分析其与柴油的混合燃料柴油机特性，找出适合我国柴油机使用的合理配比混合燃料，有利于生物质基乙酰丙酸乙酯的推广利用和我国生物质资源的合理化、规模化利用。本文研究了生物质中典型的玉米秸秆制取乙酰丙酸并进行酯化工艺方法和反应条件。分析了乙酰丙酸乙酯-柴油混合燃料的动力性性能，借助内燃机试验台架，进行了混合燃料的动力性、经济性及排放性试验，找到了适合我国柴油体系和柴油机系统的燃料混合范围。以乙酰丙酸乙酯为中心，结合乙酰丙酸乙酯和生物柴油的各自理化特性特点，开展了乙酰丙酸乙酯、生物柴油与柴油的多种燃料配方的理化特性研究，优选了满足国家标准的燃料配方，并对配方进行了柴油机动力性能验证。对玉米秸秆为原料的生物质基乙酰丙酸乙酯进行了生命周期能耗、环境排放和经济性分析，针对相关环节提出了一定的建议。结果表明： (1)玉米秸秆纤维素和半纤维含量都较高，灰分含量较小，在水解制取乙酰丙酸平台化合物方面具有较大的优势。玉米秸秆制取糠醛后的残渣可用于制取乙酰丙酸，其较好的反应温度、硫酸浓度、固液质量比、反应时间等条件下，乙酰丙酸产率的可达70%。极性较强的吸附剂对乙酰丙酸水解液的分离效果较好，在合适的乙酰丙酸浓度、流量、填充柱的高径比、洗脱盐酸浓度情况下，乙酰丙酸收率为82.2%。酯化反应时，选用固体酸催化剂，找到了乙酰丙酸与乙醇酯化反应V酸:V醇、反应时间、反应温度、M催化剂:M酸等优化条件。 (2)合适比例的乙酰丙酸乙酯-柴油混合燃料可在水平单缸四冲程压燃式柴油发动机中正常工作；燃用这混合燃料与柴油的外特性的动力性变化趋势相同，转矩和功率较燃用纯柴油略小；混合燃料的燃油消耗率较柴油略大，能量消耗率却低于纯柴油；混燃燃料的NO_x、CO_2等排放在柴油机输出功率较大时较柴油排放浓度要高；CO和烟度排放在输出功率较大时，随乙酰丙酸乙酯含量的增加较为明显地降低。混合燃料柴油机利用过程中的油耗率受混合燃料的密度影响较大；NO_x、CO和CO_2等排放受混合燃料含氧量影响较大；HC排放和尾气烟度受混合燃料的运动粘度影响较大；混合燃料的含氧量是影响燃烧排放主要参数；尾气烟度受燃料特性变化影响最为明显。 (3)以乙酰丙酸乙酯为中心，开展乙酰丙酸乙酯、生物柴油和柴油不同配比混合燃料的理化特性研究，具体包括互溶性、低温流动性、雾化及蒸发性、氧化安定性、防腐性、洁净性、发火性、热值等方面，研究配制了13种B5系列混合燃料配方，经试验分析，有10种配方的满足GB/T25199-2010生物柴油调合燃料(B5)的指标要求。理化特性试验表明，乙酰丙酸乙酯和生物柴油的配合有一定的协同、相互促进作用，以柴油为主体，同时合理比例添加乙酰丙酸乙酯和生物柴油能够使燃料配方具有与柴油十分接近的理化特性等，较好地满足替代柴油的理化特性。对筛选的4种混燃燃料进行了柴油机试验验证，结果表明，燃料配方在柴油机中燃烧的动力性基本不变，经济性略有提高，HC、CO、烟度等污染物排放比燃烧柴油有明显降低，实现了节能减排。 (4)建立了玉米秸秆为原料制乙酰丙酸乙酯的生命周期能源消耗、排放和经济评价模型，考察了生物质的生长、收集、预处理、水解酯化、燃料运输分配及柴油机利用，详细讨论各个单元过程，定义了车用燃料生物质基乙酰丙酸乙酯生命周期的系统边界，进行了生物质转化乙酰丙酸乙酯的相关数据收集，整理和评价。生物质基乙酰丙酸乙酯生命周期中，乙酰丙酸乙酯的生产过程中水解和酯化过程的能耗最多，占到了总能耗的66%以上；玉米秸秆收集和预处理过程的能耗相当，分别占总能耗的16.0%和15.5%，提高水解和酯化效率是生物质转换为乙酰丙酸乙酯的主要节能途径和发展方向，减少玉米秸秆预处理和收集的能耗也是较为重要的节能途径。相比传统柴油，生物质基乙酰丙酸乙酯的环境污染物排放中NOx、PM10、SO2和温室气体均远低于传统柴油。随着乙酰丙酸乙酯价格和糠醛价格的升高，项目净现值增加；随着玉米秸秆价格、初投资费、乙醇费用、劳动力成本的增加，项目净现值减少。其中，对净现值影响最大的是乙酰丙酸乙酯价格。
【学位授予单位】：河南农业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TK6
【图文】：

对外依存度,原油进口,依存度,能源消费结构

今世界人类面临着经济增长、环境保护社会发展等多重压力，改变能源的生产方式于建立可持续发展的能源系统，促进经济社会发展和生态环境改善，具有重大意义展的经济中，化石能源还起着关键作用，然而，由于人类的过度开发和消耗，化石环境污染日益严重。发展低碳经济，促进绿色发展，成为世界经济社会发展的总趋在推动低碳经济发展的过程中显示出独特的优势和广阔的发展前景，在 6 种可再生重要的地位。生物质能是一种可以收集、储存、运输的最接近常规化石燃料的可再构成到理化特性均与煤炭相似，其不仅是绿色的洁净能源，而且是可再生能源中唯够转化为液体燃料的碳资源[3-4]。生物质液体燃料技术是生物质能转化利用技术中发展生物质液体燃料产业不仅对增强我国石油安全具有重要战略意义，而且对于缓源压力、减轻生态环境污染和发展社会经济等具有现实意义。石油燃料消耗加速国人均石油资源占有量只有世界平均水平的十分之一[5]，随着我国经济的高速发展越来越大，经济发展和资源短缺的矛盾日益突出。2012 年我国原油进口 2.7 亿吨 56.4%[6]，从 2009 年以来我国石油对外依存度开始超过 50%的“国际警戒线”[7]，油进口量及依存度逐年攀升(如图 1.1 所示)，预计 2020 年对外依存度将达 65%以上

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其在柴油机上燃烧动力及排放性能的研究几乎为空白。乙酰丙酸乙酯的含是一种清洁的燃料。同时，乙酰丙酸乙酯具有较好的润滑性，可使其与柴油好的润滑性也延长了柴油发动机的寿命。以乙酰丙酸乙酯为添加燃料，综合料的燃烧排放特性，找出适合柴油机使用的优化配比改性混合燃料，将有利酯的推广利用和木质纤维素生物质的合理化、规模化利用。基乙酰丙酸及酯类燃料研究现状酸(Levulinic Acid，LA)，又名果糖酸、左旋糖酸，生物质在水解条件下可酸是继乙醇之后的新一代生物质资源平台化合物，其分子中包含了羰基和化还原、取代、聚合等多种反应(图 1.3)[37,38]，乙酰丙酸作为一种新型、绿们关注，经过化学转化它可以生产出许多高附加值产品，如琥珀酸、聚合香料、溶剂、增塑剂、防冻剂等[39]，除此之外，乙酰丙酸加氢生成甲基四燃料，乙酰丙酸与乙醇、丁醇等反应生成乙酰丙酸乙酯、乙酰丙酸丁酯可生生物质中获取乙酰丙酸，进而生成乙酰丙酸酯类等替代燃料的研究，越来

生物质,乙酰丙酸,木质纤维素,纤维素类

国乙酰丙酸生产厂家较少，在乙酰丙酸加氢合成甲基四氢呋喃的技术及工艺，国内相关研究报道及专利很少，而在以乙酰丙酸乙酯生产柴油替面国内几乎是空白。酸研究现状是该合成路径的主要原料，其来源可以由糠醇催化水解法和生物质直接前，生物质直接水解法制备乙酰丙酸已成为制备乙酰丙酸的主要方法是建立在木质纤维素生物质的基础上，木质纤维素生物质转化为乙酰丙包含了许多副产物和中间产物(图 1.4)。半纤维素和纤维素是生物质的物形式存在，可以水解情况下转化为低分子量的糖类，并以此为途径转木质纤维素生物质无需经过复杂的预处理，通过物理的或化学的方法直，常见的平台化合物代表有糠醛、5-羟甲基糠醛和乙酰丙酸等。这些平，一般以无机酸为催化剂，在一定温度、压力反应条件下，直接将木质获得。相比于其它转化途径，该转化途径具有工艺简单，并且纤维素、，是生物质开发利用有效方法之一[43]。

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