文|艺海探秘
编辑|艺海探秘
前言
目前，能源消耗的大部分（87%）来自化石燃料，其中原油占33.06%，煤占30.34%，天然气占23.67%。化石燃料的主导地位主要是由于其适应性强、燃烧效率高、可获得性高、可靠性强和处理设施完备。
化石燃料的储量正在减少，而需求每天都在增加。然而，化石燃料燃烧产生的排放对环境和人类健康有不利影响。预计如果不采取重大措施来减轻排放，化石燃料产生的温室气体（GHG）排放量将在2030年增加39%。
石油衍生燃料的消耗、气候变化的威胁和石油产品价格的上涨等多种因素激发了研究人员寻找替代能源的动力。因此，几十年来，许多研究人员一直在开发新的替代能源，这些能源易于获得、技术可行、经济可行且环保。
生物燃料是一种可行的清洁替代能源，不含有害物质，产生的有害排放比柴油燃料少。生物柴油是最佳的生物燃料之一，可以减少对基于化石燃料的柴油依赖性和环境污染物的排放，而无需对车辆进行改装。
生物柴油可以通过将植物油、动物脂肪、废食用油和餐厅的废油脂进行酯化处理获得。它最常见来源是食用油（棕榈油、菜籽油、葵花籽油、椰子油、花生油、大豆油等）。
据报道，食用油生物柴油在应对气候变化、经济增长和替代石油生产方面的能力有限。大规模生产食用油生物柴油会导致食品价格上涨，并对土地利用造成压力，使其不可持续。最近，非食用油原料，如马齿苋、辣木籽、红豆树、橡胶油和棉籽油，引起了全球的关注，用于生产生物柴油。
- 棕榈和辣木籽的植物描述
棕榈树在成熟时平均高达20米或更高。树木的生物物理限制如下：海拔高度：高达900米，年均温度：27-35°C，年均降雨量：2000-3000毫米。根系包括土壤顶部140厘米内的主根和次级根。树叶可以长到成年树的3-5米。叶片上有许多（100-160对）长叶片，有明显的主脉，逐渐变尖；这些叶片以群组或单独沿着中脉排列，有时在不同的平面上出现。
辣木（学名：Moringa oleifera）属于辣木科，主要生长在热带国家，是一种耐旱植物。辣木籽呈三角形，含油量约为40%（Atabani等，2013a,b）。从辣木籽仁中 提取的油呈金黄色。 最近的研究表明，辣木起源于马来西亚。
一、目标
笔者报告称，与柴油燃料相比，辣木甲酯混合物的制动热效率（BTE）较低，因为它们的低热值、较高的粘度和密度。关于发动机排放物，辣木甲酯混合物产生的碳氢化合物（HC）、一氧化碳（CO）和颗粒物（PM）排放较低，但氮氧化物（NOx）排放较高。
因此，我们的主要目标是研究作为生物柴油原料的非食用油来源，如辣木。在这项研究中，选取了5%棕榈油和5%辣木油与95%柴油混合的B5参考燃料，以改善其物化性质并评估其在柴油发动机中的性能。
表1
二、材料和方法
2.1. 材料
粗棕榈油（CPO）来自马来西亚林业研究所（FRIM），辣木油（CMOO）由一位同事慷慨提供（个人交流）。其他化学品、试剂和配件均从当地市场购买。表1显示了CPO和CMOO的性质。
2.2. 棕榈和辣木甲酯的生产
棕榈和辣木甲酯是在马来亚大学能源实验室使用1升批量反应器、回流冷凝器、磁力搅拌器、温度计和取样出口进行生产的。
为了生产棕榈生物柴油，将粗棕榈油与25%（体积比油）甲醇和1%（质量比油）氢氧化钾（KOH）反应，在60°C和400rpm的搅拌速度下保持2小时。反应完成后，产生的生物柴油在分离漏斗中沉淀15小时，将甘油与生物柴油分离。下层含有杂质和甘油的部分被放出。
辣木甲酯使用酸碱催化剂工艺进行生产。在开始酯化过程之前，将粗辣木油在真空下用温度控制的旋转蒸发器（IKA）加热到60°C以去除水分。
图1
对于酯化过程，将12：1的甲醇与粗油的摩尔比和1%（体积比）硫酸（H2SO4）加入预热的油中，在600rpm和60°C的条件下搅拌3小时。然后，用分离漏斗将酯化的油与剩余的酒精、硫酸和杂质分离。然后，将分离的酯化油在旋转蒸发器中加热到60°C，持续1小时以去除甲醇和水分。
对于酯交换反应，将6：1的甲醇与油的摩尔比和1%（质量比油）氢氧化钾（KOH）与预热的酯化油混合，在恒定速度600rpm、60°C温度下搅拌2小时。反应完成后，甲酯在分离漏斗中静置24小时。然后，将下层的甘油排出，用温热蒸馏水洗涤甲酯（3次），在旋转蒸发器中干燥，并使用定性滤纸过滤收集最终产品。
表2
2.3. 燃料性质分析
棕榈和辣木甲酯的物化性质按照 ASTM D6751标准 方法进行表征。 表2 显示了本研究中用于分析酯类相关物理化学性质的设备，并根据ASTM D6751标准使用的测试方法进行分析。
2.4. 生物柴油-柴油混合
使用转速为2000rpm的均质器，在20分钟内将POME和MOME测试燃料与柴油混合。均质器固定在垂直支架上，高度可调节。燃料通过适当的转速进行均质混合。
2.5. 发动机测试
本实验研究使用了五种燃料样品：柴油燃料（B0）、MB5（95%柴油和5%辣木甲酯）混合物、PB5（5%棕榈油甲酯和95%柴油）混合物、MB10（90%柴油和10%辣木甲酯）混合物和PB10（10%棕榈油甲酯和90%柴油）混合物。
表3
测试发动机是一台三菱帕杰罗（4D56 T型号）多缸柴油发动机。 图1显示了发动机测试装置。发动机的详细规格列在表3中。在进行生物柴油燃料测试之前，发动机先使用柴油燃料运行数分钟进行预热。同样，在关闭发动机之前，也先使用柴油燃料运行。
对于每个燃料测试，采用相同的程序。为了进行发动机性能和排放测试，发动机在1000至4000转/分钟的不同速度下全负载运行，并按照SAE J1515 MAR88程序进行。
通过桌面计算机连接到发动机试验台的REO-DCA控制器对发动机试验条件进行监控（图1）。使用BOSCH排气分析仪（型号BEA-350）测量NO、HC、CO和CO2排放。该气体分析仪的规格如表4所示。每个测试重复进行三次，并取平均结果。
表4
2.6. 误差分析
实验中的误差和不确定性可能来自于仪器选择、条件、校准、环境、观测、读数和测试计划。需要进行不确定性分析来确定实验的准确性。
在本研究中，速度、燃料、制动功率和时间测量的准确度分别为±10转/分钟、±读数的1%、±0.07 kW和±0.1秒。使用线性化逼近方法确定了BSFC的相对不确定度。 表5总结了各参数（包括BP、BSFC、CO、HC、NO和CO2排放）的测量准确度和相对不确定度的值。
表5
三、结果与讨论
3.1. 棕榈油和辣木油甲酯及其混合物的表征
为了表征纯棕榈油和辣木油甲酯（B100），我们对其密度、闪点、运动粘度、粘度指数、热值、冷过滤堵塞点、云点和凝点以及氧化稳定性等性质进行了研究，并与ASTM D6751标准进行了比较。
表6显示了棕榈油和辣木油甲酯及其5%体积混合物（PB5和MB5）的详细物化性质。所有棕榈油和辣木油甲酯的物化性质均符合ASTM D6751和EN 14214标准。因此，棕榈油和辣木油甲酯可以在未经改装的柴油发动机中使用。
表6
3.2. 发动机性能
在本研究中，我们从制动功率（BP）和比制动燃料消耗（BSFC）两方面评估了发动机的性能。下面将讨论这方面的细节。
3.2.1. 制动功率（BP）
图2显示了不同发动机转速下棕榈油和辣木油甲酯混合物的发动机制动功率（BP）。对于所有测试燃料，制动功率随发动机转速的增加而稳步增加，直到3500转/分钟后由于摩擦力的增加而减少。
在所有测试转速下，B0、PB5、MB5、PB10和MB10燃料的平均制动功率分别为28.72、28.32、28.07、27.81和27.51千瓦。与柴油燃料的制动功率相比，由于其较低的热值和较高的粘度（表6），PB5和MB5燃料的制动功率较低（分别降低了1.38%、2.27%、3.16%和4.22%），这影响了它们的燃烧过程。生物柴油燃料的不均匀燃烧特性降低了发动机的制动功率（Muralidharan and Vasudevan, 2011）。
图2
3.2.2. 比制动燃料消耗（BSFC）
图3展示了不同发动机转速下各种燃料的比制动燃料消耗（BSFC）值的变化。每种生物柴油混合燃料的BSFC值均高于柴油燃料。这与文献报道的结果一致（Kalam et al., 2011; Chauhan et al., 2012; Wang et al., 2013）。燃料体积注射系统、燃料密度、粘度和较低的热值等因素会影响柴油发动机的BSFC（Qi et al., 2010a）。
图3
在所有转速下，B0、PB5、MB5、PB10和MB10混合物的平均BSFC分别为385.71、388.4、395.40、393.54和405.51 g/kWh。对于每产生一千瓦的功率，消耗的生物柴油混合物比柴油燃料更多，因为生物柴油的热值低于柴油燃料。
与柴油燃料的BSFC相比，PB5、MB5、PB10和MB10混合物的BSFC分别高出0.69%、2.56%、2.02%和5.13%。这是因为这些混合物的密度和粘度较高，能量密度较低，低于柴油燃料（Mofijur et al., 2013c）。MB5混合物的粘度和BSFC均高于PB5混合物（表6）。
图4
3.3. 排放分析
3.3.1. 一氧化碳（CO）排放
燃料不完全燃烧和CO的排放是由于燃料中分子氧含量不足。通常，空燃比、发动机转速、喷射时机和压力以及燃料类型等因素会影响CO的排放（Gumus et al, 2012）。
图4显示了不同燃料类型下CO排放的变化。在整个发动机转速范围内，PB5、MB5、PB10和MB10混合物的CO排放分别比B0低13.17%、5.37%、17.36%和10.60%。
这种CO排放的减少归因于生物柴油燃料较高的含氧量和十六烷值。 生物柴油的较高含氧量使更多的碳分子燃烧，从而完成燃料的燃烧过程。因此，当柴油发动机燃烧生物柴油燃料时，CO排放较低。此外，在半负荷工况下，生物柴油混合燃料的CO排放降低了（10-23.5%）。
图5
3.3.2. 碳氢化合物（HC）排放
未燃烧的碳氢化合物是燃料不完全燃烧和火焰熄灭的结果。 图5显示了柴油和生物柴油混合燃料的碳氢化合物排放变化。对于PB5和MB5混合物，未燃烧的碳氢化合物排放低于柴油燃料。
在整个转速范围内，与B0相比，PB5、MB5、PB10和MB10的平均碳氢化合物排放分别降低了14.47%、3.94%、18.42%和9.21%。这种降低归因于这些生物柴油燃料中较高的氧含量。生物柴油含氧量较高，碳和氢含量较低，能够保证更完全的燃烧（Lin et al., 2009；Qi et al., 2010b）。另外，随着发动机负荷的增加，碳氢化合物排放也会减少。
图6
3.3.3. 氮氧化物（NO）排放
图6显示了柴油和生物柴油混合燃料的氮氧化物（NO）排放变化。生物柴油混合物的NO值比柴油燃料高。这个结果与其他研究人员的研究结果一致（El-Kasaby和Nemit-allah，2013）。
在整个转速范围内，与柴油燃料相比，PB5、MB5、PB10和MB10混合物的平均NO排放分别高出1.96%、3.99%、3.38%和8.46%。此外，在半负荷工况下，生物柴油混合燃料的NO排放比B0燃料增加了（10.38-16.50%）。
这个结果可以归因于混合燃料的稀薄空燃比，生物柴油是一种富氧燃料，比柴油含有12%更多的分子氧，提高了燃烧室温度，改善了燃烧过程（Devan和Mahalakshmi（2009））。因此， 生物柴油混合燃料的NO排放比柴油燃料高。
此外，更高的NO排放可能归因于混合燃料的较高绝热火焰温度。含有更多不饱和脂肪酸的生物柴油燃料具有较高的绝热火焰温度，从而导致更高的NO排放（El-Kasaby和Nemit-allah，2013）。
图7
3.3.4. 二氧化碳（CO2）排放
图7显示了不同燃料样品在不同转速下的二氧化碳（CO2）排放变化。随着发动机转速的增加，二氧化碳排放也增加。平均而言，PB5、MB5、PB10和MB10混合燃料相对于柴油燃料分别产生了5.60%、2.25%、11.73%和4.96%的额外二氧化碳排放。还发现在半负荷工况下，生物柴油混合燃料的二氧化碳排放比柴油燃料增加了（6-15%）。
化石燃料燃烧产生的二氧化碳会导致许多环境问题，如大气中二氧化碳的积累。尽管生物燃料燃烧会产生二氧化碳，但作物的吸收有助于保持二氧化碳水平的稳定（Ramadhas等，2005）。
四、结论
在我们的研究中，利用原始棕榈油和辣木籽油生产了生物柴油，并评估了5%和10%体积比的生物柴油混合物在柴油发动机中的性能。基于这项实验研究，得出以下结论：
①棕榈油和辣木籽油甲酯及其混合物的物化性质符合ASTMD6751和EN14214标准。
②在所测试的整个转速范围内，PB5、MB5、PB10和MB10生物柴油的平均制动功率分别为28.32、28.07、27.81和27.51千瓦，比B0燃料的平均制动功率分别降低了1.38%、2.27%、3.16%和4.22%。PB5、MB5、PB10和MB10混合物的平均比燃料消耗为388.4、395.40、393.54和405.51克/千瓦时，略高于B0燃料的平均比燃料消耗（分别增加了0.69%、2.56%、2.02%和5.13%）。这些结果归因于这些生物柴油混合物的较高粘度和密度以及较低的能量含量。
③作为柴油燃料替代品，PB5、MB5、PB10和MB10混合物分别将柴油燃料的平均CO排放减少了13.17%、5.37%、17.36%和10.60%，将柴油燃料的平均HC排放减少了14.47%、3.94%、18.42%和9.21%。然而，PB5和MB5混合物略微增加了NO排放（分别增加了1.96%、3.99%、3.38%和8.46%）。此外，PB5、MB5、PB10和MB10混合物使柴油燃料的CO2排放增加（分别增加了5.60%、2.25%、11.73%和4.96%）。这些结果归因于生物柴油混合燃料的较高含氧量和十六烷值。
总之，辣木籽油是生物柴油生产的潜在原料，MB5和MB10生物柴油混合物的性能与PB5、PB10生物柴油混合物和柴油燃料相当。由于MB5和MB10混合物降低了柴油燃料的尾气排放，这些混合物可以在未经修改的发动机中替代柴油燃料，以降低全球能源需求和尾气排放对环境的影响。
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