乳化柴油靜電霧化的試驗研究

鄭捷慶，張 軍，鐘曉龍

（集美大學 福建省清潔燃燒與能源高效利用工程技術研究中心，福建 廈門 361021）

0 引 言

乳化柴油的燃燒技術在世界范圍內的研究已經持續數十年，隨著環境與發展矛盾日漸明顯，同時石油危機的出現，具備節能降污雙重機能的燃料油摻水乳化技術獲得重視。由于其明顯的節油效果和環保效益（降低了排煙中的NOx及煙塵含量），在其科學機理尚未完全揭示的同時，各方面的應用已在發達國家及部分發展中國家迅速展開，這包括燃油鍋爐燃用乳化重油、渣油技術，內燃機燃用乳化柴油、汽油、煤油技術等。同其它燃料一樣，乳化燃油不管是應用在內燃機還是外燃機，它的高效率清潔燃燒取決于燃油良好的霧化質量，因為霧化特性強烈地影響著乳化燃料的燃燒穩定性、燃燒效率以及污染物的排放［1-5］。乳化燃油在燃燒時產生的微爆“二次霧化效應”使得油包水霧滴在燃燒之前“團爆”為更加細小的顆粒，從而使燃料與空氣混合更加充分。

但與常規燃油相比，乳化燃油摻入了近20%的水和約1%的乳化劑之后，物性參數發生較大變化。表面張力的增加、粘度成倍的提高（特別是為了提高乳化燃油的穩定性而不得不加入較多乳化添加劑的情況下［6］）直接導致了霧化阻力的增加。因此，在相同霧化條件（壓力、溫度、流量、霧化方式等）下，乳化燃料從霧化噴油嘴噴出時（即“初次霧化”）的霧化質量將明顯下降，霧滴平均直徑偏大，流場分布不合理。這樣就無形中削弱了乳化燃料節能減排的效果。通常為了達到相同霧化效果的辦法是提高霧化壓力或更換燃燒器噴油系統，這在一定程度限制了乳化燃油作為新型節能清潔代用燃料的大量推廣使用。另一致命的因素是固定摻水比例的乳化燃料在內燃機上使用時無法解決低負荷工況平穩和高負荷工況降低排放的矛盾［7-8］。實際上，以上兩個問題本質上就是一個燃油霧化的問題。鑒于靜電霧化技術應用于液體燃料霧化燃燒領域所具有的獨特優勢［9-15］，如：霧滴粒徑更加細小、空間彌散度更高、霧化流場可控等，本文首次提出將靜電霧化技術與燃油乳化燃燒技術相結合的構想并利用三維粒子動態分析儀（Particle Dynamic Analyzer，PDA）進行了流場以及霧滴特性的測試，為進一步深入開展乳化燃油靜電霧化燃燒技術的研究提供有價值的基礎數據及參考。

1 試驗設計與方法

試驗用乳化柴油由80%的0＃柴油、19%的水以及1%的乳化劑經充分攪拌而成。圖1 為乳化柴油靜電霧化噴射系統的試驗簡圖。乳化柴油由恒流泵（BT50-1K）經絕緣的供油管路泵入一由不銹鋼注射器針頭改制而成的噴嘴（內徑0.45mm），該噴嘴固定在特氟龍材料制成的固定板上，并與負高壓靜電發生器（PNG -III）通過高壓電線相接作為高壓電極，負高壓靜電發生器接地。為獲得穩定的靜電霧化射流，讓不銹鋼針孔噴出的射流穿過一銅環電極（內徑106mm），該銅環電極固定在一可調的坐標架上并經導線接地，作為零電位電極。霧滴由收集箱回收利用。

霧炬中霧滴群的速度、粒徑參數的測量利用三維粒子動態分析儀（PDA，丹麥DANTEC）。該PDA 測量系統的氬離子激光器（Stabilite 2017）的額定輸出功率5W，發射激光波長457.9～514.5nm。PDA 發射及接收鏡頭的焦距分別為500及300mm。光路布置采用前向接收偏置角為60°，粒度測量采用一級折射光模式。該測試系統的速度測量精度為±0.5%，粒徑測量精度為±0.5%。由于霧滴并非嚴格球形，因此球形校驗度設為80%。

圖1 試驗配置簡圖Fig.1 Schematic diagram of experiment arrangement

由于PDA 在測量空間霧滴粒徑及速度時其測量精度對霧滴的統計數量要求較高，而本試驗中霧炬邊緣的有效顆粒數量相對較少，大量的霧滴集中在霧炬主體核心區域，因此選定試驗測試區為核心區域內一梯形平面，其中梯形頂面距銅環電極平面5mm。測試區內測點的具體布置及尺寸見圖2，共93個測量點。

圖2 PDA 測點布置示意Fig.2 Schematic layout of measurement points

2 試驗結果與分析

2.1 荷電霧滴粒徑及空間分布的統計特性

霧滴的統計平均直徑有很多的評價方法，如算術統計平均、幾何統計平均等。本文采用最常用的索泰爾平均（SMD）法，SMD表示霧炬中液滴的全部體積與全部表面積之比，表達式為：SMD=∑Nid3i／∑Nid2i，其中Ni表示直徑為di的液滴數。SMD值越小就表明霧炬中液滴的平均直徑越細，該指標廣泛地應用于研究燃燒和霧化特性領域中。

試驗中由于噴嘴所施加的電壓較小時射流所形成的霧滴粒徑很大，并且霧滴數量較少，達不到PDA測試所需的統計要求，因此本試驗采取保持乳化柴油的流量恒定，充電電壓從1kV 開始起加的方案。

圖3 給出了流量在300ml／h 時，不同電壓下測試區內PDA 所獲得的霧滴SMD變化曲線。由圖3可以看出：電壓小于4kV 范圍內，測試區內霧滴粒徑小幅增加（從46.5μm 增加到51.6μm），直至4kV 出現拐點，而后隨著電壓的不斷增加，霧滴粒徑基本呈線性迅速減小。

圖3 不同電壓下測試區霧滴的SMDFig.3 Droplets SMDof test area under different charging voltages

圖4分別給出了電壓為2、4及6kV 時霧滴空間密度的分布，也即PDA 所記錄的流場中各測試點相同時間范圍內（本試驗設為10s）的有效粒子數量。由圖4可以看出，電壓為2kV 時，射流軸心處的數量較大，而測試區邊沿處數量較少，在射流沿程的各截面上基本形成較為陡峭的單峰分布。電壓升高至4kV 時，軸心處的霧滴數量集中程度略有減少，在截面上的分布開始略呈向軸心兩側平緩攤開分布的趨勢。電壓到達6kV 后，這種外移的趨勢更趨明顯，并且，各截面上軸心處的霧滴數量已不再是最多，而是呈M型的雙峰分布。上述現象說明，測試區內慣性力較小的小霧滴在電場力的作用下不斷地偏離軸心方向，而且隨著電壓的逐步升高，逸出測試區內的小霧滴數量逐漸增加。

圖4 不同電壓下霧滴空間密度的分布Fig.4 Space density distribution characteristic of droplet under different charging voltages

Reyleigh 認為［11］：若霧滴的靜電能全部貢獻于霧滴的破碎，則當其荷電量超過荷電極限Qc=8π（ε0γR3），霧滴將破碎。而當荷電量小于該值時，霧滴仍然處于穩定狀態。若以穩定因子ξ來表征霧滴荷 電 之 后 的 維 持 穩 定 的 能 力，則：ξ=，即霧滴的荷電量Q越大，霧滴維持穩定的能力越弱，越容易在庫侖力的作用下破碎。基于該理論，圖3 的試驗數據表明，噴嘴施加電壓4kV 以內時，只有部分霧滴能夠達到靜電霧化所需的電量。結合圖4（a）、（b）可以發現，此時雖已有細小霧滴在電場力的作用下開始逸出PDA 測試區，但測試區內仍然存在眾多的大粒徑霧滴。因此如僅對測試區內的霧滴進行粒徑統計分析而言，其SMD在1～4kV 范圍內必然隨電壓增加而增大（盡管總體而言，霧滴SMD的統計值是隨電壓的增加而不斷下降）。而電壓一旦超過4kV，結合圖4（b）、（c）可以發現，此時霧滴荷電效果顯著增加，流場中大量霧滴發生了靜電失穩破碎。一方面留在測試區內的大霧滴粒徑不斷較少，另一方面電場力的增強使逸出的霧滴數量增加，造成了對測試區內的霧滴進行分析時，其SMD統計值迅速下降。

2.2 靜電場對流場的影響

圖5給出了流量為300mL／h時，測試區內（見圖2）利用PDA 獲得的電壓分別為2、4及6kV 時的速度-粒徑聯合信息矢量圖。其中實心圓表示霧滴SMD大小，箭頭大小及方向為速度矢量。由圖5可以較直觀地看出，電壓在2kV 及4kV 時，測試區內霧滴的橫向速度有所增加，這表明射流霧炬隨電壓的增加逐漸向外擴展，而到了6kV 之后，各個橫截面的霧滴均出現了不同程度的逆向運動，尤其是測試區邊緣處的霧滴由于粒徑最小，動量也最小，極易在電場力的作用下改變運動方向。該現象充分說明了高壓靜電場在促使霧炬不斷外擴的同時，還將出現荷電霧滴受靜電場力牽引回流的所謂“卷吸”現象。

圖5 PDA 測試區速度-粒徑矢量圖（mL／h）Fig.5 Velocity-SMD vector graphs of PDA testing area

3 結 論

由于靜電場耦合氣、液兩相流場在理論上的復雜性以及實驗測試的難度，尚未全面考慮乳化柴油的物性參數（如乳化油摻水比例，乳化劑特性等）以及射流流量、噴嘴內徑等對其靜電霧化特性的影響，這也是進一步深入展開研究的方向。然而，從前文初步試驗的結果中，依然可以得出如下有價值的結論：

（1）乳化柴油射流在高壓靜電場中其霧滴尺寸將隨靜電場強度的增大而有規律地減少，且其粒徑的均勻度得到較好的體現，這種電壓與粒徑大小之間的變化規律可用于調節乳化柴油的霧化質量；

（2）高壓靜電場的施加使射流流場的霧炬張大，這在一定程度上促進了燃油與空氣的充分接觸。另外隨靜電場的不斷增加，流場邊緣細小霧滴還將出現靜電“卷吸”現象，該現象能使燃油霧滴與空氣充分混合。 從以上兩點結論不難看出，比起常規霧化手段，靜電霧化技術使得乳化柴油的霧化質量得到一定程度提高，對于提高其燃燒效率及降低排放具有良好的應用前景，同時霧化效果可通過靜電場調節的優點亦使其可適應不同工況的功率輸出。另外，本研究的環狀電極結構靜電場配置下，乳化柴油發生二次霧化的門檻電壓并不高，綜合實驗觀察來看，其值大約在6kV 附近；如能繼續減少環電極的內徑，提高單位電壓降，則該值還將進一步減少，這對于其工業化應用可謂極具前景。

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