生物柴油主要由C、H,、0三種元素組成,。作為柴油的替代燃料,生物柴油應(yīng)當(dāng)滿足柴油的使用要求,,才能保證其作為燃料使用,。因此,評價生物柴油是否可以作為柴油的替代燃料,,首先應(yīng)當(dāng)看其是否具有同礦物柴油相近的性質(zhì),,主要有以下幾方面的性質(zhì)和考察指標(biāo):
①良好的燃燒性能——十六烷值;
②良好的蒸發(fā)性能——餾程及餾出溫度,;
③良好的常溫和低溫流動性能——黏度,、密度及冷濾點(diǎn);
④良好的安全性——閃點(diǎn),、燃點(diǎn),;
⑤對發(fā)動機(jī)無腐蝕——酸度及酸值;
⑥良好的動力性能——熱值,。
其次,,受生產(chǎn)原料和工藝影響的生物柴油特有指標(biāo),,如甲醇含量、甘油含量,、游離脂肪酸,、磷含量等。
1.1十六烷值(CN值)
燃燒性能是評價燃料油品質(zhì)的重要指標(biāo),,而CN值是衡量燃料在壓燃式發(fā)動機(jī)中燃燒性能好壞的重要指標(biāo),。柴油機(jī)屬壓燃式發(fā)動機(jī),要求柴油噴入氣缸與壓縮空氣相混和后,,在高溫高壓條件下自燃,,并在氣缸中燃燒作功。柴油的CN值影響整個燃燒過程,。CN值低,,則燃料發(fā)火困難,滯燃期長,,發(fā)動機(jī)工作時容易爆震,;而當(dāng)CN值過高時,反而會因滯燃期太短而導(dǎo)致燃燒不完全,、發(fā)動機(jī)功率降低,、耗油增加和冒黑煙等后果。一般認(rèn)為,,適宜的柴油CN值應(yīng)為45—60,可以保證柴油均勻燃燒,,熱功率高,,耗油量低,發(fā)動機(jī)工作平穩(wěn),,排放正常,。根據(jù)Harrngton和Gerhard等人的研究,碳鏈長度的增加有助于CN值的提升,,而不飽和雙鍵數(shù)目的增加則會使CN值有所降低,。生物柴油的CN值比普通礦物柴油要略高,通常為50—60之間,。CN值的測定有“臨界壓縮比法”“延滯點(diǎn)火法”和“同期閃火法”,,我國國家標(biāo)準(zhǔn)(GB386-64)規(guī)定采用“同期閃火法”。
2餾程(95%)
生物柴油是由一系列復(fù)雜的脂肪酸甲酯組成的混合物,,因而與純化合物不同,,沒有一個固定的沸點(diǎn),其沸點(diǎn)隨氣化率的增加而不斷升高,,因此生物柴油的沸點(diǎn)以某一溫度范圍表示,,這一溫度范圍稱沸程或餾程,。柴油的餾程是保證柴油在發(fā)動機(jī)氣缸內(nèi)迅速蒸發(fā)氣化和燃燒的重要指標(biāo)。為保證良好的低溫啟動性能,,要有一定的輕質(zhì)餾分,,使其蒸發(fā)速度快,有利于形成可燃混合氣,,燃燒速度快,。我國輕柴油指標(biāo)規(guī)定,95%的餾出溫度不得高于360—365℃,。餾程的測定方法采用GB255—64,。
3運(yùn)動黏度
運(yùn)動黏度是衡量燃料流動性能及霧化性能的重要指標(biāo)。運(yùn)動黏度太高,,流動性就差,,會使成油困難,同時噴出的油滴的直徑過大,,油流射程過長,。使得油滴有效蒸發(fā)面積減少,蒸發(fā)速度減慢,,還會引起混合氣組成不均勻,,燃燒不完全,燃料消耗量大,。而黏度過低時流動性會過高,,會使燃料從油泵的柱塞和泵筒之間的空隙流出,致使噴入氣缸的燃料減少,,發(fā)動機(jī)效率下降,。同時霧化后油滴直徑過小,噴出油流射程短,,不能與空氣均勻混合,,燃燒不完全。一般認(rèn)為黏度在1.9—6.0mm/s之間適合做柴油機(jī)燃料使用,。生物柴油的碳鏈長度一般為l4—20個碳原子,,而礦物柴油為8一l0個碳原子。因此生物柴油的黏度要比礦物柴油稍高一些(如表1),。將生物柴油以一定比例與礦物柴油或其他溶劑混合,,可以有效降低其黏度并改善其低溫性能。運(yùn)動黏度的測定可按GB/T265—88進(jìn)行,。
4 密度
油品密度的大小對燃料從噴嘴噴出的射程和油品的霧化質(zhì)量影響很大,。0號柴油的密度約為0.83g/cm,2號柴油約為0.85g/cm,,生物柴油的密度比柴油略高2%-7%,,一般在0.86—0.90s/cm之間,,詳見表1。密度的測定一般采用GB5526-85規(guī)定的方法,。
5 閃點(diǎn)及燃點(diǎn)
油品在規(guī)定條件下加熱到它的蒸氣與火焰接觸發(fā)生閃火時的最低溫度,,稱為閃點(diǎn);油品在規(guī)定條件下加熱到能被接觸到的火焰點(diǎn)著并燃燒且不少于5s時的最低溫度,,稱為燃點(diǎn),。測定油品閃點(diǎn)的意義是:①從油品的閃點(diǎn)可以判斷其餾分組成的輕重,一般來說,,油品蒸氣壓越高,,餾分組成越輕,其閃點(diǎn)越低,;②閃點(diǎn)是油品(汽油除外)的爆炸下限溫度,,即在此溫度下油品遇到明火會立即發(fā)生爆炸燃燒。閃點(diǎn)可以鑒定油品發(fā)生火災(zāi)的危險性,,燃點(diǎn)越低,,燃料越易燃。生物柴油的閃點(diǎn)最小值為110cI=,。閃點(diǎn)的測定有閉口杯法(GB/T261-83)和開口杯法(GB/T267-88),。
6 酸度及酸值
油脂的酸度(值)是指中和單位質(zhì)量油脂中的酸性物質(zhì)所需堿的量。柴油的酸度對發(fā)動機(jī)的工作狀況影響很大,,酸度(值)大的柴油會使發(fā)動機(jī)內(nèi)積炭增加,,造成活塞磨損,使噴嘴結(jié)焦,,影響霧化和燃燒性能,;酸度(值)大還會引起柴油的乳化現(xiàn)象。酸度和酸值是衡量油品腐蝕性和使用性能的重要依據(jù),。通過酯交換制備的生物柴油,僅含有極微量的脂肪酸,、環(huán)烷酸等有機(jī)酸和硫等,,酸值較低,一般在0.5mgKOH/g以下,,遠(yuǎn)低于優(yōu)質(zhì)柴油的酸度值(5mgKOH/g),。酸值的測定可采用GB/T14489.3—93規(guī)定的方法。
7 熱值
熱值是生物柴油應(yīng)用于發(fā)動機(jī)的基本衡量指標(biāo),,關(guān)系到發(fā)動機(jī)的動力性能,。生物柴油的質(zhì)量熱值比礦物柴油低10%左右(見表1),但其密度高于礦物柴油,,因此其體積熱值僅低于礦物柴油3%~4%,。而進(jìn)入柴油機(jī)缸內(nèi)的能量正是以燃油系統(tǒng)每個循環(huán)所供給的燃油體積熱值來計算的,。生物柴油直接應(yīng)用于柴油機(jī),在每個循環(huán)供油量不變的情況下,,功率只比燃用柴油略低,,而其含氧性卻可以大幅降低黑煙排放。熱值測定可采用GB384—81規(guī)定的方法,。
8 碘值
油脂的碘值為每100g油脂吸收碘的克數(shù),。碘值的高低反映油脂的不飽和程度,碘值越高則不飽和程度越大,。通過碘值的測定,,可以計算出油脂中混合脂肪酸的平均雙鍵數(shù),而不飽和鍵的多少又與生物柴油的燃燒性能,、運(yùn)動黏度,、冷濾點(diǎn)等有關(guān),因此碘值可以在一定條件下判斷生物柴油的性質(zhì),。然而,,低不飽和度的生物柴油,其碘值低,,CN值高,,但低溫性能差,而高不飽和度的生物柴油,,則碘值高,,CN值低,但低溫性能優(yōu)異,。這樣,,碘值、CN值和低溫性能就存在相互矛盾的關(guān)系,。目前已有研究,,用基因工程技術(shù)可培育出CN值較高的油脂資源。碘值測定方法可參閱GB5532-85,。
9 酯含量
生物柴油是由各種油脂經(jīng)酯交換反應(yīng)制備的脂肪酸甲酯,,因而測定其甲酯含量及結(jié)構(gòu)就可以確定生物柴油的純度,這對于生物柴油的質(zhì)量控制具有重要意義,。酯含量的測定可采用儀器分析的方法,,如氣相色譜等,也可參照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T14489.3—93或GB5534-85,。
10 硫含量
硫含量對發(fā)動機(jī)尾氣排放有很大影響,,低硫燃料油對排放控制主要有兩方面作用:直接減少顆粒和SO:排放;確保各類柴油汽車的顆粒物和NO排放控制的工作效能。硫含量的測定可按GB38O—77規(guī)定的方法進(jìn)行,。
11 水分和灰分
水分的存在對生物柴油的燃燒性能有很大影響,,還會對柴油機(jī)產(chǎn)生腐蝕作用。水分還會提高生物柴油的化學(xué)活性,,使其容易變質(zhì),,降低存儲穩(wěn)定性。生物柴油中的灰分主要為殘留的催化劑(堿催化)和其他原料中的金屬元素及其鹽類,,限制灰分可以限制生物柴油中無機(jī)物如殘留催化劑的含量等,。水分和灰分的測定可分別按GB6283—86(卡爾一費(fèi)休氏法)和GB508—65進(jìn)行。
12 殘?zhí)?/p>
油脂在隔絕空氣的情況下加熱時會蒸發(fā),、裂解和縮合,,生成一種具有光澤鱗片的焦炭狀殘留物即為殘?zhí)浚饕捎推分械哪z質(zhì),、瀝青質(zhì),、多環(huán)芳烴及灰分形成。殘?zhí)苛康母叩椭苯佑绊懹推返姆€(wěn)定性,、柴油機(jī)焦炭量,、積炭等。殘?zhí)康臏y定可按GB/68—87規(guī)定的方法進(jìn)行,。
13 腐蝕性
腐蝕性是影響生物柴油使用的重要指標(biāo),。生物柴油作為一種溶劑可以逐漸溶解人造橡膠,使過濾器和噴口堵塞,。腐蝕試驗是將紫銅條放入油品中,,50cI=下放置3h,然后觀察銅片的變化,,它與硫含量有很大關(guān)系,。測定方法參照GB378—64。
14 甲醇含量
生物柴油的生產(chǎn)過程要用大量的甲醇,,而甲醇與酯類是互溶的,,盡管大部分甲醇都在后續(xù)工藝中回收,但仍有微量殘存于生物柴油成品中,,所含的微量甲醇和甘油會使與之接觸的橡膠零件逐漸溶解,,進(jìn)而影響發(fā)動機(jī)的正常工作。甲醇含量的測定可采用氣相色譜及分光光度法等,。
15 游離甘油和總甘油
生物柴油中甘油含量的高低取決于酯交換的工藝過程。甘油酯的高黏度是生物柴油在啟動和持久性上產(chǎn)生問題的主要原因,,甘油酯特別是甘油三酯會在噴嘴,、活塞和閥門上產(chǎn)生沉積。許多國家的生物柴油標(biāo)準(zhǔn)均要求游離甘油小于0.02%,總甘油小于0.25%,。游離甘油和總甘油的測定通常采用皂化-高碘酸氧化法或比色法,。
16 磷含量
生物柴油中高的磷含量會使燃燒排放物中的顆粒物增加,并影響汽車尾氣催化劑的性能,。植物油的磷含量主要取決于油脂精煉的程度,,深度精煉的油脂每升只含有幾毫克磷,而粗油和水化脫膠油的含磷量可達(dá)lOOmg/L,。對磷含量的測定文獻(xiàn)報道有分光光度法,。