超聲乳化生物燃油-柴油工藝、機(jī)理及裝置的優(yōu)化研究.pdf

1、當(dāng)前，面對石化能源短缺和環(huán)境污染的雙重壓力，尋找可再生能源已成為全球研究的熱點(diǎn)，以秸稈等農(nóng)林廢棄物制取生物燃油，既可以降低燃油成本，又可使廢棄物得到資源化利用，但生物燃油具有熱值低、含水含氧量高、酸性等特點(diǎn)，離大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用還有一段距離，然而，以超聲波為外加能量，通過添加乳化劑和助乳劑的方式將生物燃油與柴油按一定比例混合，制成清潔環(huán)保的混合燃油，即可提高燃油熱值，改善其物化特性，又可增加穩(wěn)定性，但目前關(guān)于生物燃油乳化的研究多集中在乳化劑

2、、助乳劑等乳化體系的選擇上，針對超聲控制參數(shù)的研究十分有限，并存在超聲作用強(qiáng)度表征不一、優(yōu)化結(jié)果差異甚遠(yuǎn)的現(xiàn)象，且從未針對超聲激勵(lì)波形展開過探討，同時(shí)也缺少對影響乳化效果的多因素多指標(biāo)的相關(guān)分析，更缺乏用于超聲控制參數(shù)優(yōu)化的試驗(yàn)設(shè)備和滿足該乳化工藝參數(shù)的超聲裝置。本文在超聲空化動(dòng)力學(xué)分析基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了國內(nèi)首臺(tái)用于超聲參數(shù)優(yōu)化的試驗(yàn)裝置，通過實(shí)驗(yàn)和模型分析的方法對生物燃油/柴油乳化工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，同時(shí)對超聲乳化作用機(jī)理進(jìn)行研究，以期獲知

3、超聲乳化裝置的設(shè)計(jì)參數(shù)和運(yùn)行條件，并應(yīng)用以容器內(nèi)含氣泡液體介質(zhì)為基礎(chǔ)的駐波理論對中試裝置進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，最后通過制取的生物燃油/柴油理化特性、穩(wěn)定性及發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架實(shí)驗(yàn)分析對本文理論研究成果進(jìn)行驗(yàn)證。
　　本論文主要包含以下內(nèi)容:
　　通過超聲空化機(jī)理分析，數(shù)值模擬超聲場內(nèi)空化泡的運(yùn)動(dòng)特性，通過建立含氣泡生物燃油/柴油乳化液的聲學(xué)模型和乳化液中氣泡運(yùn)動(dòng)模型，提取出影響空化效應(yīng)的主要超聲參數(shù)，并首次將超聲激勵(lì)波形列入超聲參數(shù)考察范圍

4、，綜合考慮超聲乳化設(shè)備與作用對象這兩部分因素，提出以“反應(yīng)容器內(nèi)聲功率密度”作為乳化液中超聲作用強(qiáng)度的表征，以此為設(shè)計(jì)依據(jù)，研制國內(nèi)首臺(tái)適用于超聲控制參數(shù)優(yōu)化研究的試驗(yàn)裝置，為將來同類和相關(guān)研究提供了一種新的實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備。
　　以生物燃油/柴油超聲乳化工藝的試驗(yàn)研究為手段，采用乳化油濁度值、油珠粒徑和穩(wěn)定時(shí)間的多目標(biāo)優(yōu)化方法對影響乳化效果的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，首先，在正交試驗(yàn)及其分析基礎(chǔ)上對最佳乳化體系參數(shù)進(jìn)行綜合優(yōu)化;然后，通過響

5、應(yīng)面實(shí)驗(yàn)、優(yōu)化并建立二階回歸模型，確定適合該反應(yīng)體系的最優(yōu)超聲控制參數(shù)，優(yōu)化的工藝參數(shù)為構(gòu)建超聲乳化裝置的工作參數(shù)提供依據(jù)，同時(shí)，利用回歸方程顯著性分析，分別對各超聲參數(shù)對乳化油濁度值、油珠粒徑和穩(wěn)定時(shí)間的因子貢獻(xiàn)率進(jìn)行研究。
　　通過生物燃油/柴油超聲乳化作用機(jī)理分析，得到超聲作用強(qiáng)度高于空化閾值時(shí)，非線性超聲空化是乳化反應(yīng)的主要作用機(jī)理，同時(shí)也伴有機(jī)械作用，空化產(chǎn)生的高溫高壓、巨大剪切力和強(qiáng)烈沖擊波對分子結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不可逆的損傷，

6、促進(jìn)燃油分子相互滲透，因此乳化效果好，穩(wěn)定時(shí)間長。
　　在生物燃油/柴油超聲乳化工藝參數(shù)優(yōu)化基礎(chǔ)上，得到了超聲乳化裝置的設(shè)計(jì)參數(shù)和優(yōu)化運(yùn)行條件，通過建立換能器徑向振動(dòng)機(jī)電等效電路理論模型和包含容器形狀因素在內(nèi)的一維聲傳播方程，確定換能器諧振頻率、有效機(jī)電耦合系數(shù)、幾何尺寸及材料特性之間的關(guān)系，并應(yīng)用駐波理論通過模型優(yōu)化得出該裝置的結(jié)構(gòu)類型及對應(yīng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，依據(jù)此參數(shù)，成功研制一臺(tái)有效容積49L的中試裝置，并完成了與之配套的年產(chǎn)40

7、00噸混合燃油的超聲乳化生產(chǎn)線的設(shè)計(jì)工作，該裝置能夠有效驗(yàn)證本文理論研究成果的正確性，并為生物燃油與柴油乳化工藝的工業(yè)化生產(chǎn)奠定良好基礎(chǔ)。
　　制取的生物燃油/柴油與生物燃油、柴油進(jìn)行理化特性、穩(wěn)定性及柴油機(jī)應(yīng)用特性的對比分析，結(jié)果表明:其理化特性明顯優(yōu)于生物燃油，穩(wěn)定性顯著提高并遠(yuǎn)高于國家車用柴油30d標(biāo)準(zhǔn)，柴油機(jī)燃用混合燃油的當(dāng)量燃油消耗率與柴油持平或者略低，隨著生物燃油摻入量的增大，節(jié)油率增加，柴油機(jī)NO和碳煙排放有很大幅度