甲醇燃料分装式储罐研究及性能测试

李晓锦 闫海军 蔺欢欢 马军 陈彪

基金项目：陕西省技术创新引导专项（2022QFY06-02）

第一作者简介：李晓锦（1990-），男，硕士，工程师。研究方向为清洁能源。

DOI：10.19981/j.CN23-1581/G3.2024.13.012

摘  要：甲醇清洁燃料及配套设备在民用炊事行业的应用，是发展甲醇清洁燃料扩大应用领域成熟可行的推广技术。该文开发出一种新型甲醇燃料分装式储罐，首先选取6种不同橡胶内胆材料浸泡甲醇液体一定时间，结果表明其抗甲醇溶胀作用由好到差依次为丁睛橡胶、氢化丁睛橡胶、三元乙丙橡胶、硅橡胶、聚氨酯橡胶、F橡胶，最终选取丁腈橡胶作为内胆材料，其次对甲醇分装式储罐释放流量稳定性测试，结果表明该储罐在惰性气体驱动下将储罐中液体完全释放，但伴随着流量释放存在衰减。最后将储罐与灶具适配性测试，结果表明与传统电磁泵驱动效果相当，完全正常运行，可以作为甲醇储罐一种多元化选择。

关键词：甲醇燃料；民用炊事；储罐；自驱动；性能测试

中图分类号：TK-9       文献标志码：A          文章编号：2095-2945（2024）13-0048-04

Abstract： The application of methanol clean fuel and its supporting equipment in civil cooking industry is a mature and feasible promotion technology in the field of expanding application of methanol clean fuel. In this paper， a new type of separately packed methanol fuel storage tank is developed. Firstly， six different rubber liner materials are selected to soak methanol liquid for a certain time. The results show that the anti-methanol swelling effect is in the following order： butadiene binder rubber， hydrogenated butadiene butadiene rubber， EPDM rubber， silicone rubber， polyurethane rubber， F rubber. Finally， nitrile rubber is selected as the inner tank material. Secondly， the release flow stability of methanol separate storage tank is tested. The results show that the liquid in the tank is completely released under the drive of inert gas， but attenuates with the flow release. Finally， the adaptability of the storage tank and the stove is tested， and the results show that the driving effect is similar to that of the traditional electromagnetic pump， and it can be used as a diversified choice for methanol storage tank.

Keywords： methanol fuel; civil cooking; storage tank; self-drive; performance test

能源與环境问题已成为影响中国乃至世界经济和社会发展重要因素，发展甲醇清洁燃料产业既能解决能源问题又能解决环保问题，是未来清洁能源发展道路首选[1-5]。甲醇清洁燃料及配套设备在民用炊事行业的应用，是发展甲醇清洁燃料扩大应用领域成熟可行的推广技术[6]。随着技术的不断进步，相关配套设施的完善，标准化工作的完成，符合当前国情国策和社会需求，也会产生巨大的经济效益和社会效益[7]。

由于甲醇燃料不能像液化石油气等燃料那样被加压压缩，所以甲醇储罐也不能像液化石油气罐那样使燃料自动从罐中输送至燃具。目前甲醇燃料采用常压储罐存储，使用燃料泵将甲醇燃料增压后供燃烧装置使用。在商业、工业、农业热力燃烧领域使用这种方式是可行的，也是安全可靠的。但是，在将甲醇燃料用于民用时，运用甲醇燃料泵把常压燃料桶中的燃料泵入民用热水器或甲醇灶具就存在技术障碍和安全性问题[8-9]。

为解决上述问题，亟需开发一种新型民用分装式甲醇储罐，替代原有甲醇燃料储存方式，采用的技术是储罐自驱动输送技术。自驱动输送技术是指先将甲醇液体定量充装入钢瓶，然后再向钢瓶与内胆之间充装惰性气体，使钢瓶内的充装压力达到合格。这样依靠惰性气体形成压力可将甲醇燃料输送至燃具，该系统下储罐属于常用容器。

本文通过甲醇燃料分装式储罐内胆材料的研究，确定一种优良橡胶内胆材料，具备耐甲醇溶胀性能。再对储罐和橡胶内胆材料进行设计与加工组装，对甲醇分装式储罐流量输送稳定性以及搭配民用灶具适用性进行测试。

1  甲醇燃料分装式储罐内胆材料研究

本试验选取6种常用橡胶材料，分别为丁睛橡胶（NBR）、F橡胶（FPM）、三元乙丙橡胶（EPDM）、硅橡胶（MVO）、氢化丁睛橡胶（HNBR）以及聚氨酯橡胶（PU）。参照国家标准GB/T 1690—2010《硫化橡胶或热塑性橡胶耐液体试验方法》通过测定橡胶试样在甲醇液体中常温浸泡不同时间后的质量和外径变化率来对比甲醇对各种橡胶溶胀性的影响[10]，测试周期28 d。图1为试验橡胶28 d后质量和外径最终变化率的柱状图（增大与减小都为变化，所以取其绝对值进行对比）。

图1  试验橡胶最终变化率

从图1可以看出，试验28 d后，结合质量与外径变化率可以得出以下结论，总体抗甲醇溶胀作用由好到差依次为丁睛橡胶、氢化丁睛橡胶、三元乙丙橡胶、硅橡胶、聚氨酯橡胶、F橡胶。其中，F橡胶、聚氨酯橡胶、氢化丁睛橡胶外径增大；丁睛橡胶、硅橡胶、三元乙丙橡胶外径缩小。本研究甲醇分装式储罐内胆选用丁腈橡胶。

2  甲醇分装式储罐设计

基于国家完全纳入《固定式压力容器安全技术监察规程》适用范围的压力容器应同时具备下列3个条件：压力P≥0.1 MPa；容积V≥0.025 m3；介质为气体，液化气体或最高工作温度高于等于标准沸点的液体[11]。本项目开发出甲醇分装式储罐为常压容器（图2），旨在安全高效使用。橡胶内胆设计：内胆充满11 kg，换算容积13.75 L。

图2  甲醇燃料分装式储罐

3  甲醇分装式储罐流量输送稳定性测试

3.1  流量输送最小驱动压力测试

为了使甲醇分装式储罐充装惰性气体以及充装满甲醇燃料后仍能保持为常压容器，首先以初始驱动压力为0.01 MPa进行测试，充装11 kg甲醇燃料后储罐压力变为0.08 MPa，验证在惰性气体自驱动下，甲醇燃料是否可以释放完成（表1）。

表1  甲醇燃料分装式储罐参数

甲醇燃料充装完成后，将分装式储罐阀门开到最大时，释放出甲醇燃料质量变化如图3所示，最终可以流出10.89 kg，达到充装甲醇的99%，几乎是全部流出，得出在初始驱动压力0.01 MPa、工作最大压力0.08 MPa，可以满足将甲醇燃料全部释放完成。

图3  甲醇储罐流量释放趋势

3.2  储罐输送最小流量测试

通过调节甲醇储罐角阀大小，共测试5组储罐输送流量数据如图4所示，1—5组分装式储罐释放平均流量分别为6.39、3.67、3.16和1.72、0.16 kg/h，得出甲醇储罐目前可以控制最小流量为0.16 kg/h。

图4  甲醇储罐释放最小流量

测试过程中心释放流量会出现衰减现象，如图5所示，达不到稳定控制，流量衰减依次为37%、39%、45%、60%、94%，得出甲醇储罐流量越小时，衰减程度越严重。

图5  甲醇储罐流量衰减度

3.3  测试结论

本测试得出通过自驱动方式可以将储罐内甲醇燃料释放完全，达到设计要求。

4  甲醇分装式储罐与民用灶具适配性测试

4.1  测试流程

分别对甲醇商用灶具一、二、三、四档控制时，灶具运行15 min，记录甲醇消耗量。将灶具电磁泵接短路后，调节储罐阀门，从灶具运行起记录为最小档，再调节4个档位，灶具运行15 min，记录甲醇消耗量。

4.2  结果分析

4.2.1  2种方式下灶具用甲醇消耗量

如图6所示，使用电磁泵驱动时，一档和二档控制下甲醇消耗量基本接近、三档和四档控制下甲醇消耗量基本接近，说明电磁泵驱动时甲醇灶具可以实现小火和大火。使用惰性气体自驱动时，通过调节储罐阀门，二档和三档控制下甲醇消耗量基本接近，说明甲醇灶具可以实现小火、中火、大火3个档位。另外自驱动下小火状态下甲醇消耗量较电磁泵驱动下少，说明自驱动可以实现更小火控制；两者驱动方式下大火状态甲醇消耗量基本一致。

图6  2种方式下灶具用甲醇消耗量

4.2.2  自驱动控制下甲醇灶具甲醇消耗量

使用惰性气体自驱动时，甲醇灶具运行15 min，以2 min 30 s为一个单位记录甲醇消耗量，共计6组数据。由图7可见，小火状态下，2 min 30 s、5 min、7 min 30 s、10 min、12 min 30 s、15 min时，甲醇消耗量分别为0.11、0.09、0.07、0.05、0.04、0.03 kg，依次降低，结合灶具运行时火焰出现断断续续、一上一下情况，可以说明在小火状态下惰性气体驱动流量不稳定。中火和大火状态下，每个时间段甲醇消耗量波动在0.01 kg左右，可以说明在中火和大火时，甲醇灶具运行稳定，可以正常运行。

图7  自驱动控制下灶具用甲醇消耗量

4.2.3  不同驱动方式甲醇灶具运行噪音

从如图8所示，电磁泵驱动时甲醇灶具一档与二档、三档和四档噪音相近，与甲醇消耗量趋势一致。惰性气体驱动时一档噪音最小、二檔和三档噪音相近，四档噪音最大，与甲醇消耗量趋势一致。二者对比，一档时自驱动运行时灶具噪音较电磁泵较小，二档、三档、四档噪音相近，由此可见，自驱动一档运行时具备优势。

（a）  电磁泵驱动时甲醇灶具运行噪音

（b）  自驱动时甲醇灶具运行噪音

图8  不同驱动方式甲醇灶具运行噪音

4.2.4  灶具燃烧烟气CO含量

对2种驱动方式下甲醇灶具燃烧烟气排放中CO含量测试，如图9（a）所示，在电磁泵驱动下，甲醇灶具一档、二档、三档和四档控制时燃烧烟气中CO含量相当，均在10～20 ppm。如图9（b）所示，在惰性气体驱动时，甲醇灶具在一档时燃烧烟气中CO含量较其他档位高10 ppm左右，分析由于一档时甲醇分装式储罐流量驱动不稳定造成，导致燃烧过程火焰会出现断断续续的现象。

（a）  电磁泵驱动下甲醇灶具燃烧烟气中CO

（b）  惰性气体自驱动灶具燃烧烟气中CO

图9  不同驱动方式甲醇灶具烟气中CO

4.2.5  测试结论

通过对电磁泵和惰性自驱动2种方式下甲醇灶具运行工况进行测试，得出甲醇分装式储罐与灶具匹配可以正常运行，实现分档控制，甲醇消耗量、噪音与电磁泵驱动相当。惰性气体自驱动在甲醇商用灶具运行方面可以替代电磁泵驱动。

5  结论

本文通过对甲醇分装式储罐内胆材料、储罐释放流量稳定性以及与灶具适配性测试，得出如下结论：

1）甲醇分装式储罐内胆材料选用丁腈橡胶，其耐甲醇溶胀性最优。

2）通过惰性气体自驱动可以将储罐中甲醇燃料释放完全，但控制在小流量时衰减比较严重。

3）该甲醇分装式储罐与灶具匹配性使用可以满足正常使用。

参考文献：

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[10] 硫化橡膠或热塑性橡胶耐液体试验方法：GB/T 1690—2010[S].2010.

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