4.3 助燃降烟剂
4.3.1 应用目的及工艺
助燃降烟剂是用于改善燃油燃烧品质的燃料助剂。它可以广泛应用于汽油、柴油、喷气燃料、锅炉燃料油以及渣油中，尤以柴油、锅炉燃料油和渣油中应用最多。其作用主要是促进燃料完全燃烧，抑制污染物（如碳烟与多环芳烃）的生成，提高燃料的燃烧效率。此外，还兼有清净分散、沉积物改性等功能。实际上，通常所说的助燃降烟剂已成为节油、降污及防止装置腐蚀的多功效燃料助剂。对于发动机而言，燃料燃烧不充分，产生的大量碳烟会沉积于气缸并堵塞喷油嘴，进一步使燃烧变差、功率降低、油耗增加，增大发动机磨损等。而且碳烟及其吸附的多环芳烃是重要的大气污染物，对环境和人体健康有很大的危害。提高发动机燃烧效率，减少碳烟生成的最根本方法是改进发动机燃烧室的结构，但在发动机设计技术取得突破性进展前，添加助燃降烟剂是一种经济、有效又方便的措施。
4.3.2 技术发展趋势
助燃降烟剂的认识始于薪碳上浇注盐水或固体盐颗粒可以促进薪碳燃烧，但对助燃降烟剂的研究还是从20世纪四五十年代才真正开始的。1949年，Bartholome和Sachsse根据德国合成煤气工业部门在富油烃类火焰中的试验研究结果，首次作了关于使用火焰助剂以减少碳烟生成的报告。早期的助燃降烟剂以无机金属盐（有灰型）为主，通常应用于工业和民用锅炉中。到20世纪六七十年代，随着能源紧缺与环境污染问题的出现，助燃降烟剂得到巨大的发展，油溶性有机金属盐（有灰型）成为研究的重点，并且将使用范围拓广到柴油机与汽油机上。20世纪80年代后，由于担心金属盐燃烧沉积造成二次污染以及某些产品过度吹嘘效果带来的负面作用，助燃降烟剂的研究走向了低潮。近年来，无灰型有机化合物开始引起人们的重视，进入了助燃降烟剂的发展新阶段。在燃烧装置的设计取得突破性进展前，助燃降烟剂是提高燃烧效率、减少污染、充分利用能源的有效、便捷的途径。助燃降烟剂包括了有灰型与无灰型两大类。有灰型的效果好，但其燃烧产物有可能造成二次污染（包括金属颗粒物与有毒金属化合物的排放），使其应用受到怀疑。无灰型由于效果不如有灰型明显，其研究与应用较少。但由于其基本上不存在污染问题，从长远上是助燃降烟剂发展的必然趋势。
4.3.3 现行主要品种简介
目前世界各国都在研究新型助燃节能助剂，而且已研究出多种节能助燃产品，由于种类、成分不同，功能和效果也不尽相同，但总的目标都是促进燃料完全燃烧。根据助燃剂催化燃烧后产物的不同，一般将其分为两类：一类是含金属或固体非金属氧化物的有灰型助燃剂，一类是含纯有机物的无灰型助燃剂。
燃油助燃剂的作用机理因其类型不同而异。有灰型助燃剂主要是通过金属功能元素的催化作用，如变价金属化合物的电荷转移作用、主族元素的电子发射作用、燃油分子和氧的活化吸附作用以及对碳烟前身物的催化加氢作用等产生助燃、消烟、除积炭和节油功能。无灰型助燃剂则主要是通过整体分子在高温下分解，产生活性自由基，对燃料氧化燃烧，使其产生具有催化助燃和节能助燃的作用。
（1）有灰型助燃降烟剂 有灰型助燃降烟剂是指含有金属元素的助燃降烟剂，主要为有机或无机金属盐，结构可用Me-L表示。其中，Me代表金属，L代表配位基。由于无机金属盐几乎都不溶于水，因此，应用较多的是有机金属盐，如烷基磺酸盐、烷基苯磺酸盐、环烷酸盐等。
有灰型助燃剂根据其金属特性，可分为以下几类：碱金属盐（无机盐、有机盐）；碱土金属盐（无机盐、有机盐）及其氧化物；过渡金属盐及其氧化物；稀土金属盐及其氧化物；贵金属及其有机配合物。这些化合物以可溶性的羧酸盐、环烷酸盐、碳酸盐、磺酸和磷酸有机盐、酚盐、有机配合物、金属及其氧化物等形式引入燃料，作为燃料燃烧的催化剂，具有提高燃料燃烧效率等功能。表4-1给出了一些有灰型助燃剂的性质组成及作用效果。由表4-1可以看出，有灰型助剂主要以其相应的油溶性金属有机盐、配合物等形式添加至燃油中，其主要作用是降烟助燃、节能、降低有害气体排放。对于贵金属铂、钯、铑金属配合物，极少量添加至燃油中，不仅可以降烟助燃，还可大幅降低排放尾气中NOx和CO的含量，从而达到很好的节能环保效果。表4-1还表明，在改善燃油燃烧性能方面，金属化合物具有很好的效果，加入少量的这些化合物就可使燃油的燃点温度降低，燃烧速度加快并促使其安全燃烧。
表4-1 有灰型助燃剂的性质组成及作用效果
（2）无灰型助燃降烟剂 无灰型助燃降烟剂是指一些燃烧后不产生灰分或其他固体颗粒物的有降烟助燃作用的化合物。它主要是一些胺类、醇类、酯类、醚类以及酮类和醛类有机化合物，其中的氨基、羟基、羧基、羰基以及醚键、酯键可能是有效的官能团。常用的无灰型助燃降烟剂有叔丁基过氧化物、硝基烷基酯、二乙基月桂基酰胺、三乙醇胺以及烷基磷酸酯等。资料表明，乳酸酯也具有较好的助燃降烟作用。无灰型助燃降烟剂，其作用有清静分散，改善燃料的雾化性能（如表面活性剂）；提供自由基分子，加速燃烧进程（如有机硝酸酯、过氧酸）；转化为不生烟或可消除碳烟母体的质点，减少碳烟生成（如含氮化合物）。目前，无灰型助燃降烟剂的研究还较少，但它是助燃降烟剂的必然发展方向。
无灰型助燃剂是含有多种官能团、不含金属的纯有机化合物，并具有多重作用。在燃烧起始阶段，这些化合物可提供自由基强化燃烧，有的还可在燃烧反应区引入补充氧；有的还具有表面活性，降低燃料-空气边界上的表面张力，使燃料雾化得更好，燃烧得更完全；有的还具有清净作用，能在金属表面形成保护膜，防止在燃烧室和喷油嘴上结焦。根据结构和组成，无灰型助燃剂主要分为以下几类：羧基类助燃剂；氨基类助燃剂；复合有机物助燃剂；聚合物类助燃料；多效复合助燃剂。表4-2给出了一些无灰型助燃剂的结构、组成及作用效果。由表4-2 可以看出，无灰型助燃剂主要是以含氧、含氮的羧基、醚基、酮基、氨基、硝基等官能团的脂肪族、芳香族、聚合物等取代的单一有机物或多功能复合有机物组成。其主要功能是助燃、清净、降低污染物排放，最大特点是燃烧后无灰，不会对燃烧系统造成不利影响，是具有研究开发潜力的燃烧助剂。
表4-2 无灰型助燃剂的结构、组成及作用效果
（3）纳米材料及复合助剂 纳米材料是指部分或全部维度上处于纳米级（0～100nm）的物质。由于其具有的奇特性能，受到广泛的重视。有研究者将纳米材料应用在助燃降烟剂方面，他们将纳米材料通过表面修饰增强其油溶性，均匀分散于液体石蜡中，可稳定分散7天以上。
1973年，Blazowski就美国空军使用助燃降烟剂减少飞机发动机排放问题，提出了“掺兑几种助剂，各取其长，以便获得最好效果”的基本思想。如今该思想已为广大研究者所接受并得以发展，提出了利用金属之间、金属与无灰剂之间的协同效应，研制出效果好、有灰成分少的复合助燃降烟剂。由于无灰剂研究的难度较大，复合助剂的研究也成为助燃降烟剂的另一个发展方向。