通常所說的乳化油是將燃油(汽油、柴油或重油)70%~90%加水近30%~10%(質(zhì)量比,下同),再加添加劑0.5%~1%,而后通過專用設(shè)備進(jìn)行乳化。使油液成為油包水型分子基團(tuán),該分子基團(tuán)的顆粒一般為0.5~10 μm,顆粒越小、越均勻,乳化油的穩(wěn)定期越長,一般1~6個(gè)月,乳化油的油水分離即破乳,破乳后將失去其性能。

燃燒過程的物理作用

乳化油燃燒過程的物理作用即所謂"微爆"理論。油包水型分子基團(tuán),油是連續(xù)相,水是分散相。由于油的沸點(diǎn)比水高,受熱后水總是先達(dá)到沸點(diǎn)而蒸發(fā)或沸騰。當(dāng)油滴中的壓力超過油的表面張力及環(huán)境壓力之和時(shí),水蒸氣將沖破油膜的阻力使油滴發(fā)生爆炸,形成更細(xì)小的油滴,這就是所說的微爆或稱二次霧化。爆炸后的細(xì)小油滴更容易燃燒。因此,油液燃燒的更完全,使內(nèi)燃機(jī)或油爐達(dá)到節(jié)能之效果。化學(xué)作用即水煤氣反應(yīng)。許多文獻(xiàn)在談到乳化油節(jié)能、降污的原因時(shí),指出了水煤氣反應(yīng)的重要性。在缺氧條件下,燃料中由于高溫裂解產(chǎn)生的碳粒子,能與水蒸氣反應(yīng)生成CO和H2,使碳粒子能充分燃燒,提高了燃燒率,降低了排煙中的煙塵含量,經(jīng)環(huán)保部門檢測,煙度可降低50%。

減輕大氣污染和節(jié)約能源的雙重效果

通過上述的微爆及水煤氣反應(yīng),乳化油燃料可獲得減輕大氣污染和節(jié)約能源的雙重效果。但是獲得此雙重效果是有條件的。例如,柴油機(jī)使用乳化柴油,在氣缸內(nèi)高壓條件下,由于油滴蒸發(fā)速率受到抑制,因此,延長了油滴的蒸發(fā)時(shí)間。油滴中的水分在此時(shí)間內(nèi)不斷蒸發(fā),微爆力度相對減弱。從微爆角度認(rèn)識,柴油機(jī)不可能獲得大幅度節(jié)油的效果。但在氣缸內(nèi)缺氧的條件下容易得到滿足,為水煤氣反應(yīng)創(chuàng)造了條件。乳化柴油在柴油機(jī)的運(yùn)行實(shí)驗(yàn)證明,除節(jié)能、降污的效果外,氣缸不腐蝕、不磨損、不積炭,其動力性能基本保持不變。又如,常壓工業(yè)鍋爐具備產(chǎn)生微爆與水煤氣反應(yīng)的雙重條件,故常壓工業(yè)鍋爐使用乳化重油可以收到良好的效果。

水在其中起到的"媒介"作用

前面談到的微爆也好,水煤氣反應(yīng)也好,都離不開水,水在其中起到的作用被稱為"媒介"作用。在上述過程中水不會消耗,也不會增加,它的綜合作用是使碳粒子得到充分燃燒,抑制NOx的生成。這是否意味著摻水越多越好呢?不然,許多實(shí)驗(yàn)證明,摻水量增加,柴油打火難度也增加,甚至打不著火;摻水量增加,柴油機(jī)動力性能下降。另外,在燃燒過程中,大量的潛熱與顯熱被蒸氣帶走,增加了排煙熱損失,降低了熱效率。因此,摻水量的多少十分重要,適量摻水既節(jié)能又降污,摻水量過大反而達(dá)不到預(yù)期效果。這也是符合辯證法的。摻水量的多少有個(gè)"度",眾多實(shí)驗(yàn)認(rèn)為這個(gè)度為10%~30%(30%時(shí)打火啟動比較容易)。水在起媒介作用的同時(shí),高溫、高壓的水蒸氣,在膨脹過程中也要做功(即蒸汽機(jī)原理),這部分功同油燃燒做功一樣被利用。這是水的第2個(gè)作用。

粒度

乳液中油包水型粒子的直徑和微爆有關(guān),對乳化液的穩(wěn)定更為重要。粒子直徑愈小,油滴中水的質(zhì)量減少,而油膜的表面張力相對增加,穩(wěn)定期愈長;但油滴太小,也會因上述原因使微爆力度下降。乳化柴油粒度為1~10 μm,而且5 μm的占90%是比較好的。

對重油來說,乳化比較困難,但一旦乳化成功,卻不容易破乳。原因之一是水和重油的密度很接近;另外,重油中含有瀝青質(zhì)和石蠟,它就是一種天然乳化劑。乳化重油粒度一般為2~20 μm,而且10 μm以下占90%就可以了。

首先是添加劑的選擇。添加劑和燃油的熱值、閃點(diǎn)、穩(wěn)定期等因素均有關(guān)系。此外,還要考慮燃油的經(jīng)濟(jì)性。添加劑性能很好,但若不經(jīng)濟(jì),制成的乳化油比柴油或汽油還要昂貴,顯然是沒有市場的,因而也是沒有前途的。我們的許多研究,不能走向市場,這恐怕是一個(gè)重要原因。因此,添加劑的選取需要做大量的實(shí)驗(yàn),從中優(yōu)化出理想的添加劑配方,這個(gè)配方視應(yīng)用對象不同而有不同。

乳化油的制取可用機(jī)械的方法把按比例配好的油、水、添加劑進(jìn)行攪拌、剪切、混合、霧化等使粒子直徑達(dá)到要求。

報(bào)道中也有用機(jī)械進(jìn)行初混而后通過超聲的辦法促使油、水、添加劑乳化的。超聲用于化學(xué)反應(yīng)稱為聲化學(xué),在聲化學(xué)中超聲乳化可加速化學(xué)反應(yīng)過程,提高反應(yīng)產(chǎn)率,避免某些副反應(yīng),降低反應(yīng)條件等。超聲波在液體媒質(zhì)中傳播時(shí)會出現(xiàn)機(jī)械的、熱的及空化等作用機(jī)制,對傳聲媒質(zhì)產(chǎn)生一系列的效應(yīng)。超聲乳化的主要優(yōu)點(diǎn)是不用或少用表面活性劑。超聲發(fā)生器通過換能器將能量傳遞給油液。現(xiàn)已出現(xiàn)10 kW/h處理幾千升設(shè)備。 有把磁化技術(shù)用于燃油乳化的報(bào)道。

乳化油既是節(jié)能油也是改善環(huán)境的綠色燃料油。貫徹節(jié)能與環(huán)保兩大基本國策與之有著密切的關(guān)系。當(dāng)前應(yīng)重視起乳化油的研究,特別是基礎(chǔ)理論的研究要有所突破。單純的微爆理論與水煤氣理論還不能解釋眾多的異常現(xiàn)象,因而也限制了應(yīng)用開發(fā)的突破,在實(shí)踐中也要根據(jù)內(nèi)燃與外燃的需要,輕油與重油的不同優(yōu)選不同的表面活性劉,形成系列產(chǎn)品,使乳化油產(chǎn)品為我國人民服務(wù),為人類造福,可以肯定,乳化油的應(yīng)用前景是十分廣闊的。