甲醇燃料掺杂表面活性剂的研究

时间：2024-09-03

尹国杰,孔永平,张玫姣,王文霞,郝山林,王景鹏

(1.洛阳理工学院环境工程与化学学院，河南洛阳 471023;2.郑州星创能源科技有限公司，河南郑州 450001)

能源是当今社会面临的一个非常严峻的问题，寻找更加清洁高效的新能源迫在眉睫。甲醇是一种能够大量生产使用的替代能源，是一种非常合适的清洁能源，其市场前景广阔[1]。

甲醇作为结构最简单的饱和一元醇，属于极性较大的溶剂。分子间存在氢键，氢键的作用力比范德华力大得多，使得甲醇的沸点比分子量接近的烷烃要高。同时作为碳链最短的醇，还可以与水形成氢键，使之能与水以任意比混溶。甲醇的化学性质主要由它的羟基官能团决定，既可以看成酸(羟基具有活泼氢)也可以看成碱(氧能提供电子对)，添加表面活性剂可以调控溶液的表面张力[2-4]。

近年来，甲醇燃料作为发动机机燃料已经在我国很多城市被推广使用[5-7]。作为车用燃料，其主要有形式两种：一是将甲醇添加至汽油、柴油中，再加入合适的添加剂或在甲醇中掺杂其他燃料成为混合燃料；二是由甲醇合成技术衍生出来的合成甲醇燃料。目前，国内外的研究和使用主要集中在第一种途径上[8]。作为能源，甲醇燃烧使用技术十分有限，传统蒸发汽化和简单加压雾化方式的燃烧工艺无法使其热效率最大化，无法满足大功率燃烧，在这方面传统的石油能源占据着巨大的优势，因此能否解决好这个问题成了甲醇燃料发展的一个巨大阻碍[9-10]。这使得向甲醇燃料中掺杂适当的添加剂，来改善提升甲醇燃料品质，成为了一个新的研究方向，这也是中国部分燃油工业锅炉、窑炉、中央空调等中小型热力装置所在部门正在探索的道路。

本文设计的甲醇燃料是醇基燃料的一种，以粗甲醇为原料，加入适当的水和起泡剂，其使用方向是应用于炊具的燃烧。还有一大方向是添加适当的添加剂后加入到汽油或柴油中，制成的一种新型清洁燃料。更低的成本以及更小的污染使之成为当今民用燃料发展的一大热点，同时这种技术的普及也得到了政府部门的高度重视。甲醇的生产方式有很多，天然气、煤炭、焦炭、渣油、石脑油、乙炔尾气等都可以作为原料生产甲醇。当今甲醇生产技术主要使用中压法和低压法两种工艺，并以低压法为主，而高压法的发展已处停滞状态，这两种工艺生产的甲醇约占世界甲醇总产量的八成以上[11]。

本文针对甲醇燃料掺杂表面活性剂进行研究，选取十二醇、AES、十六烷基三甲基溴化铵来加入到甲醇溶液中，使甲醇溶液起泡，以泡沫状态在炉具中燃烧。调整表面活性剂的比例，通过实验测定寻找低成本的最佳表面活性剂配方。研究甲醇燃料新的使用方法，使其在家庭灶具或餐饮行业中使用，从而代替传统的液化气。主要方向是实现甲醇燃料应用更简便、更清洁、更高效，设计出合适的工具，使配制的甲醇燃料能大规模生产并应用。

1 实验材料与方法

1.1 实验材料

本实验中使用的试剂和药品，均为化学纯或分析纯。

1.2 实验方法

1.2.1 表面活性剂的配方设计

实验的初始配比：在50 mL甲醇中加入20 mL去离子水，再加入0.1 g十六烷基三甲基溴化铵、1.5 g AES、0.3 g正十二醇[12]。考虑到成本问题，实验的理想配比应尽量小，起泡状态达到预计适合燃烧的状态即可。

实验采取对照法，对不同比例的表面活性剂、水的含量进行对照实验，达到适合燃烧的状态同时又能节约成本。本溶液起泡方式采用摇晃法。实验时，使用带有刻度的锥形瓶，加入适量的甲醇，并根据要求加入相应水和表面活性剂充分溶解后，急速摇晃30 s左右，观察溶液是否起泡并记录下停止搅拌时泡沫的体积。这种方法所用的试剂与仪器少，可以精确测量，也可以粗测表面活性剂的起泡性能，实验周期短，使用条件受限制较少[12]。实验的主要目的是使甲醇产生泡沫(在此不再记录半衰期)，相对有一定的稳定时间，适合燃烧即可。

1.2.2 掺杂表面活性剂的甲醇燃料燃烧实验

甲醇燃料需要一个能够加压的装置让其压出，选择市面上十分常见的压力喷壶，实现了甲醇燃料在炉具里燃烧，并且能够控制火焰的大小，贴近生活实际。起初的甲醇燃料以泡沫状燃烧，待燃烧一段时间后炉具温度升高，甲醇汽化，会产生更旺的火焰。

2 结果与讨论

实验过程中发现，直接在配制好的甲醇溶液中加入这3种表面活性剂其溶解速度非常缓慢，主要原因是AES在甲醇中溶解缓慢，十二醇在常温下是固体加热溶解后加入到甲醇溶液中又会凝固，十六烷基三甲基溴化铵在甲醇溶液中溶解也较为缓慢。考虑到AES易溶于水、十二醇易溶于甲醇，将十二醇溶解在甲醇中，AES溶解在水中。十六烷基三甲基溴化铵在甲醇中溶解速度快，先加入到甲醇溶液中，最后再混合二者溶液，可以大大减少溶解的时间。甲醇燃料掺杂表面活性剂的最佳溶解方式为在甲醇中溶解十六烷基三甲基溴化铵以及十二醇，在水中溶解AES，再将二者溶液混合。

50 mL无水甲醇添加20 mL水，再添加十六烷基三甲基溴化铵0.1 g、AES1.5 g、十二醇0.3 g，在此最佳起泡配比的基础上探究更为合适的低成本比例如表1所示，主要目的为降低各种添加剂的加入量。

表1 不同配比的表面活性剂

甲醇溶液的起泡效果随着水量的减少而降低，也随着添加的表面活性剂量的减少而降低，如图1所示。考虑到成本以及水量对后期燃烧的影响，确定使用比例为1.0 W的甲醇添加水0.375 W(约27.27%含水量)、0.001 9 W十六烷基溴化铵、0.028 1 W AES、0.005 6 W十二醇(注：W表示为质量比)。实验结果中燃料含水量略高于工业粗甲醇，只需在工业粗甲醇中再添加少量的水即可达到配制需求。

图1 甲醇燃料起泡效果对比

在不点燃的情况下进行流量控制实验，如图2所示。氮气的压力从5 MPa开始向下调整，直至能控制甲醇流速稳定，不至于压力过大喷射飞溅，最终确定充入压力为3 MPa左右。在流速稳定并能根据炉具的阀门调节控制流量大小后进行了燃烧实验，如图3所示。甲醇燃料与小试结果一样顺利燃烧，并在燃烧一段时间后炉具的温度升高，甲醇汽化燃烧火焰温度会大幅度提高，但是会有较多水流出。结果表明本燃料用于烹饪是可以满足需求的，但还需要对炉具进行改造，增加自动点火装置、熄火自动停止燃料流出装置、流量调节装置等，使其更加安全，更加便捷。

图2 甲醇燃料流速测试装置图3 甲醇燃料燃烧测试

3 甲醇燃料市场调查研究

3.1 生产成本

本燃料使用的甲醇对纯度要求不高，一般工业粗甲醇含量80%～90%，剩余物质主要是水,还含有少量其他醇、醚、醛、酸等有机物。工业粗甲醇价格在1 500～1 900元/t。按照实验结果，1 t粗甲醇需添加十六烷基三甲基溴化铵1.6 kg、AES 23.9 kg、十二醇4.8 kg，十六烷基三甲基溴化铵市场价为220元/kg、AES为7元/kg、十二醇为12.5元/kg，粗略估算本甲醇燃料成本约为2 100～2 600元/t。

3.2 甲醇燃料与液化气、天然气价格对比

目前市场上天然气价格在3.5元/m3左右，液化气价格6～7元/kg。掺杂表面活性剂后的甲醇燃料价格在2.5元/kg左右。甲醇燃料的热值约30.6～37.7 MJ/kg，天然气的热值约为31～37 MJ/m3，液化气的热值45.22～50.23 MJ/kg。从单价以及理论燃烧热值来说，甲醇燃料的价格与天然气比较接近，二者相对于液化气便宜的多。所以从价格方面甲醇燃料是值得推广发展的能源。