生物柴油對柴油火焰碳黑生成特性影響的試驗研究

戴鈺杰，張韓西子

(1. 中國船舶工業系統工程研究院，北京 100094；2. 中國艦船研究院，北京 100192)

0 引 言

隨著人們對船用柴油機排放污染問題的日益重視，使得尋找和應用綠色環保、價格低廉的柴油替代燃料變得愈發重要和急迫。生物柴油作為一種可再生能源，是從植物油或動物脂肪油中提煉而來，來源廣泛，具有綠色環保特性[1]。其十六烷值高，含氧量大（約11%），著火性能好，能量密度約為普通柴油的92%～97%[2,3]。將其按一定濃度比例與普通柴油混合使用，對船用柴油機幾乎不產生任何影響。這些優點使得生物柴油受到越來越多的重視，近些年來發展速度較快。

我國很早之前就曾開始生物柴油的研究工作，早年使用的大都為菜籽油、大豆油等，但成果不顯著。近些年來我國對生物柴油的研發工作逐漸重視，不斷有新的環保政策出臺以推動其發展。但總體而言，目前我國在生物柴油研究方面仍處于上升階段，與國外相比存在較大的發展差距，未能在該領域內形成產業化，后期發展前景非常開闊。

當前國內外關于生物柴油的研究工作主要集中在發動機性能和污染物排放方面[4–7]，對生物柴油自身的基礎研究涉及很少[8]，尤其是生物柴油火焰內部的碳黑濃度分布對其燃燒機理的作用還從未進行過充分研究。因此，生物柴油在燃燒過程中碳黑濃度呈現哪些特點，該特點又與燃燒機理之間有著怎樣的聯系，非常值得深入研究和探討。但目前國內很少有相關方面的報道。

基于上述原因，本研究利用1套可產生穩定層流火焰的液體燃燒系統搭建了二維消光法（2D-LOSA，Two-dimensional line-of-sight attenuation）試驗平臺，在常壓下對不同生物柴油-柴油混合燃料火焰進行試驗，通過改變2種燃油之間的摻混比例研究了不同火焰的碳黑濃度生成特性分布，并對其變化趨勢進行橫向和縱向對比分析，為進一步尋找最優摻混比以及將來在發動機上的試驗研究提供了基礎性參考。

1 試驗裝置與方法

1.1 燃燒系統

圖1所示為燃燒系統，在該燃燒系統中，霧化裝置用于產生比例精確的燃料蒸汽；燃燒器用于產生穩定的燃燒火焰；蓄能器用于提供清潔的液體燃料；流量器用于實時監測燃料蒸汽的質量流量。關于燃燒系統的詳細介紹可參見文獻[9]。

圖1 燃燒系統圖Fig.1 Burner system and assembled parts

1.2 試驗燃料

試驗使用4種生物柴油-柴油混合燃料B0，B10，B20和B50。其中B0為純凈柴油，北京市購買的普通商用0號柴油；B10，B20，B50為普通柴油和棉籽油2種燃油分別按照9:1，4:1和1:1的體積比充分摻混，勾兌得到的混合燃料。試驗用油的燃料特性測試結果如表1所示。表1中的碳氫含量由石油化工科學研究院分析提供。試驗過程中，為保證各燃料火焰的高度相同，燃料流量各不相同。

表1 燃料混合比例、元素質量分布和進氣流量Tab.1 Blending ratio, mass distribution of each element and intake flow rate of the fuels

1.3 試驗方法

試驗采用2D-LOSA，2D-LOSA是一種較為成熟的定量測試火焰中碳黑濃度的光學手段[10,11]。其原理是通過測試穿過火焰介質后的衰減光強與初始光強之比得到透射率τ。透射率τ與消光系數沿路徑s的積分關系如下：

1.4 試驗系統及過程

圖2所示為2D-LOSA的試驗系統圖。在該系統中，點光源發出的點光經過鏡面反射后發射至凹面鏡的中心，再經過凹面鏡的反射即可在光路上形成平行的強度均勻的光束。系統中的凸透鏡組由2塊d=50.8 mm，f=250 mm和1塊d=76.2 mm，f=300 mm的凸透鏡組成，2塊小凸透鏡與小孔光闌組合使用，用于消除火焰光輻射對最終成像造成的影響；大透鏡用于縮小光束，保證其能夠完全進入相機。CCD相機為高速相機，其鏡頭前方安置有濾光片，用于濾除雜光，以確保只有特定波長的光束能夠進入相機。此外，為了能夠在試驗過程中最大程度的削弱光束偏移造成的誤差，系統將火焰中心和CCD相機成像中心至小孔光闌的距離設置為相等，將兩者置于光學共軛位置。

圖2 2D-LOSA試驗系統圖Fig.2 Testing system of 2D-LOSA

試驗在暗室進行。待火焰穩定后，打開點光源，形成強度均勻的平行光束。該光束在穿過火焰介質后，不同部位的光強被不同程度的吸收，光的強度發生了不同程度的衰減，發生衰減后的光束繼續穿過凸透鏡組和濾光片后被CCD相機獲取。試驗過程中，CCD相機采用較快的拍攝速度以便獲取穩定的透射率圖像。

然后熄滅火焰，對初始光束的光強進行測量。考慮到背景光和殘余火焰輻射光的影響，試驗還關閉點光源，分別對環境光和殘余火焰輻射光進行測量[18]，并在后期數據處理過程中予以核減，進一步提高結果的準確性。

試驗過程中，空氣流量為167 ln/min，氮氣流量為0.3 ln/min，加熱帶和燃燒器溫度控制在300°左右。試驗過程中火焰較為穩定，火焰高度保持在40～41 mm范圍內。

2 試驗結果與分析

試驗最終得到B0，B10，B20和B50生物柴油-柴油混合燃料火焰在消除了背景光和殘余火焰輻射光干擾后的準確透射率圖像。針對上述圖像，本研究首先利用Matlab軟件中的Gaussian Filters程序對其進行簡單平滑降噪處理，濾除瑕疵數據點，再截取其中的火焰部分數據，利用依據Abel反演法編寫的軟件程序進行反演運算，就可以獲取各種火焰的碳黑濃度定量分布。

圖3所示為B0，B10，B20和B50穩定層流火焰中在離噴嘴上方10 mm，15 mm，20 mm，25 mm，30 mm，35 mm位置處的徑向定量碳黑濃度圖。

對圖3中的各圖進行縱向比較分析，可以發現各火焰中的碳黑生成量隨著生物柴油摻混比例的不斷增加，總體變化趨勢不斷降低。其中，B10中碳黑濃度分布相對于B0變化較為顯著，而B20相對于B10，以及B50相對于B20變化已經變緩，可見隨著摻混燃料中生物柴油比例的增加，對火焰中碳黑濃度的影響并不是一種簡單的線性關系，而是一種影響先增加，然后又逐漸回落的過程。

圖3 B0，B10，B20和B50火焰的定量碳黑濃度對比圖Fig.3 Soot concentration profiles of B0, B10, B20 and B50 flames at different heights

對圖3中的各圖進行橫向比較分析，可以發現各火焰在10 mm高度上的碳黑濃度基本都為0，可見該區域尚處于前驅物生成階段。因為在該高度以下，燃料還未能夠與空氣發生混合燃燒，因此碳黑濃度為0。隨著火焰高度的增加，碳黑濃度的峰值首先在火焰的靠近最外側位置出現，然后逐漸向火焰中心移動，期間還伴隨著濃度波峰值的不斷變大。當碳黑濃度的波峰進入到火焰中心后其位置就不再發生變化，而波峰的峰值仍在增加。隨著火焰高度的進一步增加，其波峰的峰值經歷了由小變大，然后又由大變小的過程，最終在火焰消失的時候減小至0。圖4所示為B0，B10，B20和B50火焰的二維碳黑濃度對比圖，火焰左右對稱，圖4所示為其右半部分。

圖4 B0，B10，B20和B50火焰的二維碳黑濃度對比圖Fig.4 Two dimensional soot concentration profiles of B0, B10,B20 and B50 flames from the right-hand side

從圖4可以清楚看到，隨著生物柴油摻混比例的增加，火焰中的高碳黑濃度區域的面積整體逐漸變小，整體碳黑濃度也逐漸降低。結合燃料中所含的元素含量，這是可以理解的，因為生物柴油自身含氧，并且含碳量和含氫量相對較低，隨著其摻混比例的增加，混合燃料自身對碳黑的氧化能力逐步增強，碳黑濃度自然會呈現一種逐漸降低的趨勢。

3 結 語

本研究為尋找低排放的經濟型船用柴油機燃料，對不同摻混比例的生物柴油-柴油燃料B0，B10，B20和B50火焰進行了碳黑生成特性的試驗研究，結論如下：

1）試驗利用反演法對測得的火焰透射率進行數據分析和處理，獲取了不同混合燃料火焰中的定量碳黑濃度，初步揭示了各火焰內部的碳黑生成特性。

2）在相同的火焰高度下，隨著混合燃料中生物柴油摻混比例的不斷增大，火焰在各個高度上的碳黑濃度均呈現不同程度的降低趨勢，該趨勢并非簡單的線性關系。該降低趨勢充分顯示了生物柴油清潔環保的特性，為進一步尋找最優摻混比提供依據。

3）本研究下一步將擴大燃料比例的范圍，進行多次重復性的試驗，更深入的分析和揭示燃料摻混比例與碳黑濃度之間的定量關系。