醇基燃料、柴油燃燒特性實驗研究

張 全,劉 洋,劉 蒙,趙 軍,林 飛

(中南大學能源科學與工程學院,湖南長沙 410083)

醇基燃料、柴油燃燒特性實驗研究

張 全,劉 洋,劉 蒙,趙 軍,林 飛

(中南大學能源科學與工程學院,湖南長沙 410083)

在化石燃料資源日益枯竭的背景下,醇基燃料作為新能源和碳循環的載體,其低碳和清潔特性已經得到了社會的普遍關注。醇基燃料作為燃料直接燃燒加熱已經比柴油等傳統能源具有競爭優勢。本文通過實驗對比的方法從熱值、燃燒效率、煙氣成分方面進行醇基燃料、柴油燃燒特性實驗,為醇基燃料的推廣給出實驗依據。

燃燒特性;熱值;燃燒效率;煙氣

1 引言

柴油被廣泛應用于餐飲業燃燒器、鍋爐燃燒器,但是隨著化石燃料資源的日益枯竭,以及受產能、氣候、中東局勢和國際原油價格的影響,柴油被新能源燃料所取代是必然的[1]。醇基燃料這種可再生新型清潔低碳能源的燃燒特性是決定該燃料能否大規模應用的關鍵性問題。

2 醇基燃料、柴油的燃燒特性對比實驗

2.1 醇基燃料、柴油燃燒特性的實驗研究

通過圖1所示的實驗系統對醇基燃料、柴油進行燃燒特性實驗對比研究。

圖1中實驗選取市場上廣泛使用的0#柴油和純甲醇體積含量為70%的醇基燃料進行燃燒實驗,燃料油經過管道通過燃燒器噴嘴進入燃燒室燃燒,空氣由鼓風機從燃燒器側壁鼓入燃燒室,燃燒產生的煙氣由煙道排入大氣,并用煙氣取樣器抽取煙氣經過煙氣分析儀測量。醇基燃料燃燒器和柴油燃燒器都用來直接加熱20kg水,水溫由熱電偶測量,測量范圍為40～80℃。并從加熱時間、煙氣成分、燃燒熱效率等方面對比分析醇基燃料與柴油的燃燒特性。

圖1 醇基燃料、柴油燃燒特性實驗系統圖

通過實驗系統測試數據如下:

醇基燃料密度0.8543×103kg/m3,醇基燃料熱值14.0675MJ/kg。

測試20 kg水加熱,從40～80℃所需時間、消耗醇基燃料量和煙氣成分如表1:

表1 醇基燃料燃燒數據

由表1可知水溫從40℃升高到80℃消耗醇基燃料0.525kg,消耗時間285s,醇基燃料流量為7.76L/h。

柴油密度0.85×103kg/m3;熱值42.9MJ/kg。

測試20 kg水加熱,從40℃～80℃所需時間、消耗柴油量和煙氣成分如表2:

表2 柴油燃燒數據

由表2可知水溫從40℃升高到80℃消耗柴油0.295kg,消耗時間265s,柴油流量為4.67L/h。

2.2 對比分析醇基燃料、柴油的燃燒特性

2.2.1 燃燒效率的對比

計算醇基燃料燃燒熱效率為45.28%,柴油燃燒熱效率為26.42%[2,3],可以發現醇基燃料燃燒熱效率遠遠高于柴油燃燒熱效率,而醇基燃料的單位質量熱值(14.0675MJ/kg)遠低于人們習慣的柴油(42.9MJ/kg)等化石燃料能源,因此推廣醇基燃料大規模使用的關鍵性問題是醇基燃料應用技術的提高即研發高效率的燃燒器,充分發揮醇基燃料容易霧化、汽化、蒸發的特性。單純的依靠添加熱值提高劑,增加烴含量不但降低了醇基燃料的安全性能,而且導致了醇基燃料成本價格上升,不利于醇基燃料的推廣。

2.2.2 加熱時間的對比

從表1、表2可以發現由于柴油熱值幾乎是醇基燃料熱值的2倍,加熱水溫到同樣的溫度,燃燒醇基燃料所需要的時間僅僅是燃燒柴油所需時間的1.08倍,醇基燃料的耗油量是柴油耗油量的1.77倍,結合柴油、醇基燃料的成本來看,在獲得同樣有效熱能的前提下使用醇基燃料更加經濟,也體現了醇基燃料這種低碳能源比柴油更具有競爭優勢。

2.2.3 排煙的清潔性對比

燃燒醇基燃料煙氣中O2平均含量為14.89%,燃燒柴油煙氣中O2平均含量為9.85%,按相對空氣消耗系數為1.1換算得出醇基燃料燃燒、柴油燃燒煙氣成分的相對含量如表3和表4所示[4]:

表3 醇基燃料燃燒煙氣成分及相對含量/mg

表4 柴油燃燒煙氣成分及相對含量/mg

在同樣的空氣消耗系數下,醇基燃料的CO、SO2、NO、NO2等氣體的排放量遠遠低于柴油燃燒的煙氣排放量,從實驗角度驗證了醇基燃料的清潔性。

3 結論

在全球石化資源日益枯竭的今天,替代傳統石化能源的新能源的開發和利用迫在眉睫。而醇基燃料的出現無疑會給中國的能源資源注入新的活力,它不僅解決了能源的高效貯存和分配問題[5],而且其燃燒效率更高,更經濟,更環保。

REFERENCES

[1] 張全,劉洋,趙軍,等.后石油時代的選擇-醇基燃料[R].北京:2009年中國新能源及可再生能源科技發展論壇,中國能源學會,2009:269-277.

[2] 張全,劉洋,趙軍,等.醇基燃料熱值的研究探討[J].工業加熱,2009.

[3] 中華人民共和國農業行業標準.NY312-1997,醇基民用燃料灶具.北京:中國標準出版社,1997.

[4] 韓昭滄.燃料及燃燒[M].北京:冶金工業出版社,1994:27-56.

[5] George A.Olah,Alain Goeppert,G.K.Surya Prakash,Beyond Oil and Gas:The Methanol Economy,Angewandte Chemie International Edition Volume 44,Issue 18,Pages2636-2639,2005 .

Exper imental Study on Combustion Characteristics of Alcohol-based Fuels and D iesel oil

ZHANGQuan,L IU Yang,L IU Meng,ZHAO Jun,L IN Fei
(School of Energy Science and Engineering,Central South University,Changsha 410083,Hu’nan,China)

Alcohol-based fuel has low carbon and is clean.The competitive advantages to replace traditional energy sources are obvious.Thispaper compared alcohol-based fuelwith diesel combustion by testson calorific value,combustion efficiency and flue gas composition.

combustion characteristics;Calorific value;combustion efficiency;flue gas

TQ51

:A

:1009-3842(2010)01-0070-02

2009-12-31

張全(1962-),男,湖南常德人,中南大學教授,博士,從事新能源應用技術的研究開發和利用。