乙醇柴油替代燃料排放功效及熱力學效率計算分析

高洪濤，赫明月

(大連海事大學輪機工程學院，遼寧 大連 116026)

乙醇柴油替代燃料排放功效及熱力學效率計算分析

高洪濤，赫明月

(大連海事大學輪機工程學院，遼寧 大連 116026)

對遼寧海事局30 m級海事巡邏船0210輪主機進行熱平衡和火用分析，獲得該主機各部分熱量損失和火用損失分布情況，對于采用替代燃料——乙醇柴油進行熱力學分析和排放估算，計算結果表明:在保持燃料火用和有用功不變的條件下，采用乙醇柴油時發動機所耗燃料增加3.456%，熱效率微增，而二氧化碳排放量有了較大幅度的減少。

柴油機;熱平衡分析;火用分析;乙醇柴油替代燃料

隨著國際燃油價格的居高不下和排放法規日益嚴格［1］，降低船舶主機的燃料費用和減少碳、硫等污染物的排放變得越來越重要。使用替代燃料是降低船舶主機的燃料費用和減少碳、硫等污染物排放的一個重要的途徑［2］。文中應用熱平衡分析和火用分析相結合的熱力學分析方法［3-4］，針對遼寧海事局30 m級海事巡邏船0210輪(其主機參數見表1)，分析其使用乙醇柴油作為替代燃料后，主機能量分布以及排放情況。

1 柴油機熱力學分析

將熱力學第一定律分析法(熱平衡分析)和熱力學第二定律分析法(火用分析)相結合，對柴油機進行綜合性的熱力學分析，以揭示柴油機各部分的能量利用情況［10］。

1．1 熱平衡分析

熱平衡分析是依據熱力學第一定律(即只從能量的數量出發)分析揭示裝置或設備在能量數量上的轉換、傳遞、利用和損失的情況，故又稱為“第一定律分析法”，可以定量地表明能量的轉換效果和估計節能潛力的大小。

表1 30 m船主機參數表

熱平衡方程可表示為:

式中:Qf——柴油機燃料燃燒產生的總熱量，kJ/h;

Qe——轉化為有效功的熱量，kJ/h;

Qex——排氣帶走的熱量;

Qcw——冷卻水帶走的熱量，kJ/h;

Qco——潤滑油帶走的熱量，kJ/h;

Qr——其他熱量損失，kJ/h，包括機體散熱損失、不完全燃燒損失、部分機械損失(未被冷卻介質帶走的摩擦熱、驅動輔助機械消耗的熱量等)及廢氣動能損失等。

Qf～Qr的計算公式匯總于表2。

表2 30 m船主機熱平衡計算公式表

1．2 火用分析

火用分析法根據熱力學第二定律，從能量的數量和質量相結合的角度揭示裝置或設備在能量中的火用轉換、傳遞、利用和損失。

主機火用平衡方程為

Ef=Ee+Eex+Ecw+Eco+Efl+Er(2)式中:Ef——進入燃燒室的燃油火用值，kJ/h;

Ee——主機功率，kJ/h;

Eex——排氣產生的火用損，kJ/h;

Ecw——冷卻水產生的火用損，kJ/h;

Eco——滑油產生的火用損，kJ/h;

Efl——燃燒不可逆而造成的火用損失，kJ/h;

Er——余項火用損失，kJ/h，包括機體散熱、部分機械以及廢氣動能等造成的火用損失。

Ef～Er的計算公式匯總后列于表3。

1．3 0號柴油的熱力學分析及結果對比

根據表1的柴油機參數值和表2、3的熱力學計算公式，計算得到燃燒0號柴油時柴油機的各部分的熱量以及火用分布，見表4、表5。

由表4、5可見，在熱平衡分析中，燃料燃燒所產生的熱量只有35.24%轉化為有效功，而在火用分析中，燃料燃燒所產生的火用也只有37.18%轉化為有效功，柴油機的熱效率和火用效率差別不大。這是因為燃料燃燒所產生的熱量一部分轉化成為動力(機械能)，而機械能為100%的火用。而其他熱量均以廢熱的形式排到環境中。

表3 30 m船主機火用平衡計算公式表

表4 柴油機各部分熱量分布結果表

表5 柴油機各部分火用分布結果

在熱平衡分析中，排氣熱量占廢熱的40.16%，冷卻水帶走的熱量占29.11%。這兩部分占到了廢熱的近70%。這表明被排氣和冷卻水帶走而散失到環境中的能量占據了廢熱較大的比例，是余熱利用的潛力所在。而在火用分析中，排氣火用占火用損失的30.58%，冷卻水帶走的火用占16.62%，兩者占總火用損失的47.2%。通過火用分析可以看出這兩部分余熱可利用的量并沒有人們想象的那么大，這是因為火用分析不僅考慮了能量的數量還同時考慮了能量的質量，當排氣和冷卻水中能量的品位下降到一定程度后，就無法被回收利用了。

燃燒不可逆而造成的火用損失占23.78%，這部分火用損較大，且不能被利用。這是因為燃燒不可逆而造成的火用損失，是由系統循環帶來的，雖然數量很大，但目前無法被利用。

北京理工大學的趙長祿等［11］研究了6V150柴油機能量利用情況:燃料產生的熱量中有用功占41.3%，排氣熱量占27.5%，散熱占23.2%;燃料產生的火用中有用功占43.1%，排氣和散熱火用分別占21.8%和14.0%，其余是因系統內部不可逆的因素，蛻化為不可用能量。之所以文中的結果和文獻中的結果略有差別，是因為柴油機機型的不同所致。

2 燃料火用值不變時燃燒乙醇柴油熱力學和減排分析

目前，乙醇在汽油機上已得到了廣泛應用，但是在柴油機上還處于應用研究階段。根據文獻［9］分析，在柴油中混合10%體積分數的燃料乙醇對柴油機運行影響較小，無需更換設備。因此，采用在柴油中混合10%體積分數的燃料乙醇作為對象進行研究對比。但是燃料乙醇的熱值較低，只有柴油的62.8%，所以混合后乙醇柴油的熱值會降低。為保持燃料火用值和柴油機有效功率不變，乙醇柴油的消耗量比原燃料多3.456%。乙醇柴油中C、H、O及S的比例分別為82.62%、13.72%、3.498%及0.153%。

2．1 更換燃料前后熱力學分析對比

采用乙醇柴油后，因燃料火用值和有效功率不變，即柴油機火用效率不變。對柴油機進行熱力學計算，并與0號柴油進行對比，結果見表6、7。

由表6和表7可見，在燃燒乙醇柴油時，燃燒火用損有較大幅度的減少，其原因是乙醇柴油的消耗量比原燃料多了3.456%，而和原燃料相比熵值、焓值變化不大，這就使燃燒的有效火用有所增加，所以在柴油機火用效率不變的情況下，燃燒火用損有了較大幅度的減少。熱平衡分析中，熱效率有所上升，由38.14%變為38.21%，同時因為燃油消耗量的增加，排放流量也相應上升，致使排氣帶走的熱量有所增加，由26.01%變為26.08%，增幅很小。

表6 燃燒0號柴油和乙醇柴油主機各部分熱量分布對比

表7 燃燒0號柴油和乙醇柴油主機各部分火用分布對比

2．2 主機更換燃燒乙醇柴油后減排算例

燃油消耗量232.1 kg/h，以平均每天運轉時間為3.5 h計算，年航行300 d，則年耗油量為243.71 t;采用乙醇柴油后，油耗量會上升3.456%，計為240.12 kg/h。年耗油量為252.13 t。

混合燃料中的碳為82.62%，而0號柴油為86%，根據化學式(3)，碳和二氧化碳質量比為3∶11。

混合燃料的硫為0.153%，而0號柴油為0.17%，根據化學式(4)，硫和二氧化硫質量比為1∶2。

采用乙醇柴油后，其年排放減少量見表8。雖然燃料消耗量會有所升高，但是柴油機的排放仍然有了較大幅度的改善。

表8 主機更換乙醇柴油排放對比t

3 結論

1)在熱平衡分析中，排氣熱量占廢熱的40.16%，冷卻水帶走的熱量占29.11%。而在火用分析中，排氣火用占火用損失的30.58%，冷卻水帶走的火用占16.62%，通過熱平衡分析和火用分析可以看出這兩部分可利用余熱很多，是船舶節能的潛力所在。

2)采用乙醇柴油后，雖然為保證船舶柴油機的實際動力不變(即火用效率不變)，乙醇柴油的消耗量比原燃料多了3.456%，但船舶柴油機的熱效率略有提高，而船舶柴油機排放中主要污染物則大幅減少。算例中船舶柴油機可以每年分別減排二氧化碳和二氧化硫4.69 t和0.057 t。可見，在柴油中摻燃乙醇是船舶柴油機減排的一條有效途徑。

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Thermodynamic Analysis and Emission Calculation of Diesel Engine Using Ethanol Diesel-oil Alternative Fuel

GAO Hong-tao，HE Ming-yue
(Marine Engineering College，Dalian Maritime University，Dalian Lioaning116026，China)

The thermal balance analysis and exergic analysis of the diesel engine for the 30 m class patrol boats are performed to investigate the loss distribution of heat and exergy for every part of the diesel engine.For the ethanol diesel-oil alternative fuel，the thermal balance and exergic analysis of the diesel engine are carried out also.The results illustrate that，after using ethanol diesel alternative fuel，at the same time keeping fuel exergic and useful work as a constant，the fuel consumption increased 3.456%.However，thermal efficiency slightly increases and the carbon dioxide of diesel engine emission is greatly reduced

diesel engine;thermal balance analysis;exergic analysis;ethanol diesel-oil alternative fuel

U677

A

1671-7953(2015)02-0111-04

10.3963/j.issn.1671-7953.2015.02.029

2014-08-28

修回日期:2014-12-19

國家海事局科技項目(2012-27)

高洪濤(1966-)，男，博士，教授

研究方向:空調制冷、傳熱傳質、節能技術及可持續能源利用

E-mail:gaohongtao@dlmu.edu.cn