超聲乳化生物燃油-柴油工藝、機理及裝置的優(yōu)化研究.pdf

1、當前，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，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，離大規(guī)模工業(yè)應用還有一段距離，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，并存在超聲作用強度表征不一、優(yōu)化結果差異甚遠的現(xiàn)象，且從未針對超聲激勵波形展開過探討，同時也缺少對影響乳化效果的多因素多指標的相關分析，更缺乏用于超聲控制參數(shù)優(yōu)化的試驗設備和滿足該乳化工藝參數(shù)的超聲裝置。本文在超聲空化動力學分析基礎上，設計了國內(nèi)首臺用于超聲參數(shù)優(yōu)化的試驗裝置，通過實驗和模型分析的方法對生物燃油/柴油乳化工藝參數(shù)進行優(yōu)化，同時對超聲乳化作用機理進行研究，以期獲知

3、超聲乳化裝置的設計參數(shù)和運行條件，并應用以容器內(nèi)含氣泡液體介質(zhì)為基礎的駐波理論對中試裝置進行優(yōu)化設計，最后通過制取的生物燃油/柴油理化特性、穩(wěn)定性及發(fā)動機臺架實驗分析對本文理論研究成果進行驗證。
　　本論文主要包含以下內(nèi)容:
　　通過超聲空化機理分析，數(shù)值模擬超聲場內(nèi)空化泡的運動特性，通過建立含氣泡生物燃油/柴油乳化液的聲學模型和乳化液中氣泡運動模型，提取出影響空化效應的主要超聲參數(shù)，并首次將超聲激勵波形列入超聲參數(shù)考察范圍

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

5、應面實驗、優(yōu)化并建立二階回歸模型，確定適合該反應體系的最優(yōu)超聲控制參數(shù)，優(yōu)化的工藝參數(shù)為構建超聲乳化裝置的工作參數(shù)提供依據(jù)，同時，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)定時間的因子貢獻率進行研究。
　　通過生物燃油/柴油超聲乳化作用機理分析，得到超聲作用強度高于空化閾值時，非線性超聲空化是乳化反應的主要作用機理，同時也伴有機械作用，空化產(chǎn)生的高溫高壓、巨大剪切力和強烈沖擊波對分子結構產(chǎn)生不可逆的損傷，

6、促進燃油分子相互滲透，因此乳化效果好，穩(wěn)定時間長。
　　在生物燃油/柴油超聲乳化工藝參數(shù)優(yōu)化基礎上，得到了超聲乳化裝置的設計參數(shù)和優(yōu)化運行條件，通過建立換能器徑向振動機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、有效機電耦合系數(shù)、幾何尺寸及材料特性之間的關系，并應用駐波理論通過模型優(yōu)化得出該裝置的結構類型及對應的結構參數(shù)，依據(jù)此參數(shù)，成功研制一臺有效容積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)線的設計工作，該裝置能夠有效驗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。
　　制取的生物燃油/柴油與生物燃油、柴油進行理化特性、穩(wěn)定性及柴油機應用特性的對比分析，結果表明:其理化特性明顯優(yōu)于生物燃油，穩(wěn)定性顯著提高并遠高于國家車用柴油30d標準，柴油機燃用混合燃油的當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NO和碳煙排放有很大幅度