[发明专利]一种用于改善柴油性能的生物质基添加剂制备和使用方法

说明书

本发明涉及一种用于改善柴油性能的生物质基添加剂制备和使用方法，该添加剂的制备方法包括以下步骤：使用热解炉在惰性气氛下快速升温进行热解生物质，对热解产物水相生物油进行除水、过滤，得到生物油，之后对生物油进行酯化反应，该反应生成的短链酯经蒸发、冷凝后得到短链酯溶液即所述的改善柴油性能的生物质基添加剂。所述添加剂的使用方法包括以下步骤：将所述的生物质基添加剂加入到柴油燃料中，搅拌均匀即得到性能改善的短链酯‑柴油混合燃料，其中所述的短链酯‑柴油混合燃料中短链酯的体积占比V％为0％＜V％≤50％；该方法可以高效收集短链酯溶液，提高柴油混合燃料中添加剂掺混比例，节约了石油资源的使用。

技术领域

本发明涉及一种用于改善柴油性能的生物质基添加剂制备和使用方法,属于柴油燃料添加剂技术领域。

背景技术

含氧燃料的燃烧一直是人们关注的重点及热点，随着生物柴油的蓬勃发展，含氧燃料的研究被推上又一个高潮，但大多数研究的目的在于能源的替代，而非含氧燃料的燃烧排放特性。但随着越来越严峻的环境问题，不同燃料在内燃机中的排放特性也逐渐为人们所研究。

含氧燃料能够降低污染物如CO、NO_x(除生物柴油)、HC、碳烟等的排放，并节约了化石能源的消耗，到目前为止，醇类、生物柴油的研究已较为成熟：醇类燃料可以很好实现尾气中NO_x和碳烟的减排，但相应的，CO和HC会有一定程度的增加，除此之外，排放产物中的醇类和醛类会高于传统的柴油；生物柴油主要成分一般是不饱和脂肪酸甲酯，使用生物柴油可以很好的实现柴油机尾气中污染物的减排，却会导致NOx的增加。生物质快速热裂解制油技术能以连续的工艺和工厂化的生产方式将以木屑和秸秆等废弃物为主的生物质转化为易储存、易运输、能量密度高的生物油，但其成分十分复杂，物理化学性质不稳定(含水量高、酸性强、颗粒物多)，必须通过进一步改性升级才能转化为柴油或汽油等内燃机燃料的添加剂。目前主流的生物油提质方法有催化加氢和催化裂解，但他们都需要复杂的操作系统并且容易堵塞管路，而催化酯化是一种温和简单的提质方法，不需要复杂的加工工艺和系统，产物为不同的羧酸对应的短链酯。

在以往的研究中，已经证实了酯类燃料的碳链越长，则十六烷值越高，着火越提前，瞬时着火温度越高。因此，着火提前的生物柴油一般有着较高于柴油的NO_x排放。酯类燃料碳链越短，则放热速率越平缓，但相应的十六烷值越低，燃料燃值越低，点火延迟，放热速率平缓。为了验证上述理论，本发明分别进行10％甲酸乙酯、10％乙酸乙酯、10％丙酸乙酯混合燃油排放特性实验(如图1)，图中横坐标为2200r/min转速下10％、30％、50％、70％、90％的标定功率(8.8kw)，纵坐标为别为有效能量消耗率、尾气温度、CO、NOx、烟度排放。由排放数据可知，酯类燃料添加剂可以有效促进燃烧热效率的提升，并降低NOx，碳烟等排放，其中甲酸乙酯由于其理化性质的限制，无法降低CO和碳烟的排放，实验中乙酸乙酯、丙酸乙酯混合燃油的燃值分别是43255KJ/kg和43991KJ/kg，两种混合燃料的十六烷值分别为52和53，可以直接用于未改装柴油机。基于上述研究基础可以推论出：在柴油中添加合适比例的短链酯，可以有效抑制NOx的生成。因此，本发明提出了一种温和快速制取短链酯添加剂的方法：催化酯化生物质热解油制取短链酯。对于生物油酯化反应的催化剂，SO₄^2-/ZrO₂和5wt％Pt/SO₄²-/ZrO₂/SBA-15等都是可选择的对象，但上述催化剂价格稍贵，同时也容易失活，用于生物油的酯化反应过于浪费，本实验中选用阳离子酸性树脂作为催化剂，阳离子酸性树脂价格便宜且在反应中不易失活，是理想的酯化反应催化剂。酯化生物油中含有多种成分，无法完全和柴油互溶，因此需要进一步对生物油进行分离，在80℃的水浴锅中，生成的短链酯蒸发气会进入冷凝管进行冷却收集。