生物油/生物柴油萃取液的燃料物性及發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒排放特性

羅坤,李耀庭,黃勇成,張加挺,楊尚升,王紀(jì)元

(西安交通大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院,710049,西安)

生物油是一種可由農(nóng)林廢棄物等生物質(zhì)通過快速熱解液化得到的生物燃料。與石化柴油相比,生物油通常存在著黏度高、酸性強(qiáng)、熱值低和著火性能差等缺點(diǎn),不宜直接用于柴油機(jī)[1]。盡管如此,生物油在能源可持續(xù)性和環(huán)境友好性等諸多方面相較于傳統(tǒng)化石燃料具有明顯的優(yōu)勢[2]。因此,生物油被認(rèn)為是極具潛力的車用燃料替代物,從而吸引了大量國內(nèi)外學(xué)者研究其在內(nèi)燃機(jī)中的應(yīng)用途徑[3-5]。研究結(jié)果表明,通過往生物油中加入十六烷值改進(jìn)劑,可改善著火性能,基本實(shí)現(xiàn)在柴油機(jī)中燃用生物油。然而,直接燃用生物油會(huì)導(dǎo)致噴油嘴結(jié)焦堵塞和供油管路腐蝕等現(xiàn)象,這主要是由于生物油本身含氧量高、酸性強(qiáng)等特性導(dǎo)致的[6]。因此,在不對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)作大幅改動(dòng)的前提下,為了將生物油用于直噴式柴油機(jī),有必要對(duì)其進(jìn)行精制提質(zhì)處理。

近幾十年來,催化加氫、催化裂解、蒸汽重整和乳化等精制提質(zhì)技術(shù)都被提出用作提質(zhì)生物油[7-12]。然而,大部分技術(shù)都不宜用作制備發(fā)動(dòng)機(jī)代用燃料[13-14],溶劑萃取法是一種簡便有效的生物油提質(zhì)方法。Garcia等通過將生物柴油與生物油混合,將生物油中的優(yōu)質(zhì)燃料組分提取至生物柴油中[15]。萃取結(jié)束后,混合燃料逐漸分為兩層:上層是富生物柴油層(亦稱作萃取液),下層是富生物油層(亦稱作萃余液)。Jiang等提出加入正辛醇作為助溶劑提高生物柴油萃取生物油的效率,并對(duì)萃取后上下兩層液體的燃料物性分別進(jìn)行測量[16],結(jié)果表明,上層萃取液,即富生物柴油層燃料的燃料物性較優(yōu),其密度、黏度、含氧量和酸值顯著低于生物油,具備作為車用替代燃料的潛力。Abdullah等通過對(duì)萃取液和萃余液的多元化利用,提高整個(gè)制備流程的能源利用效率,并進(jìn)一步在澳大利亞推廣這一技術(shù)[17]。

盡管上述研究已充分指出了生物柴油萃取生物油的上層萃取液作為車用替代燃料的潛力,但其在內(nèi)燃機(jī)上的實(shí)際應(yīng)用還未經(jīng)研究。因此,本文旨在通過對(duì)生物油/生物柴油萃取液的燃料物性及其在柴油機(jī)中的燃燒與排放特性進(jìn)行研究,以期探尋一種新的生物油在柴油機(jī)中的應(yīng)用方式。

1 燃料的制備

本文使用生物柴油提取生物油中的可溶性輕質(zhì)組分,并分離得到上層萃取液。試驗(yàn)用生物油來自稻殼生物質(zhì)的快速熱解,由中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)提供[18]。生物柴油由大豆油通過酯化反應(yīng)制得,由西安藍(lán)天生物制劑公司提供。具體制備方法如下:①以1∶1的比例配置生物油和生物柴油,并配置質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的正辛醇作為助萃劑;②在30 ℃下將燃料和助萃劑混合,以1 500 r/min的攪拌強(qiáng)度將混合燃料攪拌混合20 min;③將混合燃料靜置24 h,待其產(chǎn)生明顯的分層現(xiàn)象后,將上層萃取相液體和下層萃余相液體分離。生物柴油萃取生物油前后液體分層對(duì)比如圖1所示,分離得到的上層萃取相液體被單獨(dú)儲(chǔ)存用作后續(xù)測試。

圖1 生物油萃取生物柴油前后的燃料分層對(duì)比

2 試驗(yàn)設(shè)備及裝置

2.1 熱重分析和紅外光譜分析

為了確定在萃取過程中,生物油中的何種組分被提取至生物柴油,本文對(duì)生物油、生物柴油和上層萃取液3組試樣進(jìn)行了熱重分析和紅外光譜分析。熱重分析采用TGA/SDTA851型熱重分析儀,實(shí)驗(yàn)中各試樣的質(zhì)量為(10.0±0.1)mg,升溫速率為10 ℃/min。紅外光譜分析采用日本島津公司生產(chǎn)的IRPrestige-21型傅里葉變換紅外光譜儀。

2.2 燃料物性測量

為了進(jìn)一步證實(shí)上層萃取液作為發(fā)動(dòng)機(jī)代用燃料的潛力,本文對(duì)在不同溫度下主要的燃料物性進(jìn)行了測試。利用SY-05型石油比重計(jì)按照國標(biāo)GB/T 1884—2000測量密度,利用SYD-265D-I型石油產(chǎn)品運(yùn)動(dòng)黏度測定器根據(jù)國標(biāo)GB/T 10247—2008測量運(yùn)動(dòng)黏度,利用K100C型全自動(dòng)表面/界面張力儀按照國標(biāo)GB/T 22237—2008測量表面張力。為提高測量精度,測量過程重復(fù)至少3遍,最終結(jié)果取多次測量結(jié)果的平均值。

2.3 發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架實(shí)驗(yàn)

圖2 發(fā)動(dòng)機(jī)測試臺(tái)架示意圖

本文對(duì)上述3組試樣在某臺(tái)未經(jīng)改裝的TY1100型立式、單缸、強(qiáng)制水冷、四沖程直噴式柴油機(jī)上的燃燒和排放性能進(jìn)行對(duì)比測試。試驗(yàn)臺(tái)架的主要測試配置如圖2所示,發(fā)動(dòng)機(jī)主要參數(shù)如表1所示。實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)速為1 600 r/min,使用雙扭線流量計(jì)和重力式燃油流量計(jì)測量空氣和燃油流量。使用Kistler公司的6125A型壓電傳感器測量缸內(nèi)壓力,并用5015A型電荷放大器放大,使用Yokogawa公司的DL750型示波器記錄曲軸轉(zhuǎn)角和針閥升程信號(hào)。采用Horiba排放分析儀測量發(fā)動(dòng)機(jī)的尾氣排放,其中使用MEXA-720型氧化鋯陶瓷傳感器測量氮氧化物濃度,使用MEXA-554型非分散紅外分析儀測量未燃碳?xì)浠衔铩⒁谎趸己投趸嫉臐舛?使用AVL DiSmoke 4000型不透光煙度計(jì)測量碳煙排放。測試設(shè)備的測量精度和誤差如表2所示,可知所有測試設(shè)備的誤差均保持在5%以內(nèi)。

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)的主要參數(shù)

表2 相關(guān)測試設(shè)備的測量精度和誤差

3 結(jié)果和討論

3.1 熱重和紅外光譜分析

生物油、生物柴油和萃取液的熱重(TG)和微商熱重(DTG)曲線如圖3所示,熱重分析結(jié)果如表3所示。由圖3可知,生物油最先進(jìn)入蒸發(fā)質(zhì)量損失階段,初始質(zhì)量損失速率高于萃取液和生物柴油,但后期質(zhì)量損失速率較低。與生物柴油相比,萃取液先進(jìn)入蒸發(fā)質(zhì)量損失階段,質(zhì)量損失速率在到達(dá)峰值前較高,但質(zhì)量損失速率峰值略低,達(dá)到最大質(zhì)量損失時(shí)的溫度較低。由表3可知,萃取液的初始蒸發(fā)溫度Ti(即TG曲線開始偏離基線的溫度)和最大質(zhì)量損失溫度Td(即TG曲線達(dá)到最大質(zhì)量損失時(shí)的溫度)均小于生物柴油,說明生物油中易于蒸發(fā)的組分被萃取到萃取液中,使得萃取液的蒸發(fā)過程相較于生物柴油提前。生物柴油和萃取液的熱重曲線中,最小剩余質(zhì)量百分?jǐn)?shù)分別為8.5%和9.7%,萃取液的最小剩余質(zhì)量略高于生物柴油,說明萃取過程中,生物油中少量不易蒸發(fā)的大分子化合物也被萃取到萃取液中。生物油的最小剩余質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為13.5%,遠(yuǎn)高于生物柴油和萃取液,說明難以蒸發(fā)的組分被萃取量較小,生物油中易揮發(fā)的輕組分和少量的大分子化合物被提取至生物柴油中。

(a)熱重曲線

(b)微商熱重曲線圖3 柴油、生物柴油和萃取液的熱重及微商熱重曲線

表3 柴油、生物柴油和萃取液的熱重分析

圖4 生物油的紅外光譜圖

圖5 生物柴油萃取前后的紅外光譜圖

3.2 燃料物性

生物柴油和萃取液兩種燃料的密度、黏度和表面張力隨溫度的變化如圖6所示。由圖6可知,萃取液與生物柴油的3種物性在數(shù)值上均比較接近,且具有相同的變化趨勢。這兩種燃料的密度、黏度和表面張力都隨溫度升高而降低。當(dāng)溫度一定時(shí),萃取液的密度比生物柴油略高,黏度和表面張力明顯低于生物柴油,與文獻(xiàn)[16]關(guān)于生物油、生物柴油萃取液與生物柴油常溫下物性的分析結(jié)論相同,這是由生物油中醇、醚等物質(zhì)被提取至生物柴油中所致。萃取液的黏度和表面張力低于生物柴油,說明萃取液作為發(fā)動(dòng)機(jī)替代燃料時(shí),與生物柴油相比,燃油霧化和蒸發(fā)特性有所提升。

30 ℃下生物油、生物柴油和萃取液的物性對(duì)比如表4所示。由表4可知,萃取液的密度、黏度和表面張力遠(yuǎn)小于生物油,說明萃取液的物性明顯優(yōu)于生物油。

(a)密度

(b)黏度

(c)表面張力圖6 生物柴油和萃取液的物性隨溫度的變化

表4 30 ℃下生物油、生物柴油和萃取液的物性對(duì)比

柴油、生物油、生物柴油和萃取液的熱值分別為43.3、15.6、42.1、38.3 MJ·kg-1,生物柴油和萃取液的熱值均低于柴油,但高于生物油,萃取液的熱值略小于生物柴油,這主要是由于從生物油中提取出的醇類和醚類物質(zhì)的熱值較低。

3.3 發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒和排放性能

3.3.1 燃燒特性分析 發(fā)動(dòng)機(jī)在轉(zhuǎn)速為1 600 r/min、平均有效壓力為0.42 MPa的工況下,分別燃用生物柴油和萃取液的缸內(nèi)壓力、壓力升高率和瞬時(shí)放熱率隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化如圖7所示,可知萃取液的燃燒始點(diǎn)和燃燒相位比生物柴油晚。

(a)缸內(nèi)壓力及壓力升高率

(b)瞬時(shí)放熱率圖7 平均有效壓力為0.42 MPa時(shí)燃用生物柴油和萃取液時(shí)的缸內(nèi)壓力、壓力升高率和瞬時(shí)放熱率對(duì)比

圖8 燃用生物柴油和萃取液時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)滯燃期的對(duì)比

發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1 600 r/min時(shí),不同負(fù)荷下生物柴油和萃取液滯燃期的對(duì)比如圖8所示,可知在相同工況下萃取液的滯燃期比生物柴油長,滯燃期包括物理滯燃期和化學(xué)滯燃期[22]。萃取液較高的密度降低其可壓縮性,在相同的供油下,萃取液相較于生物柴油更早噴射到氣缸中。此外,萃取液的蒸發(fā)速度比生物柴油快,且由于汽化潛熱較大其蒸發(fā)過程會(huì)吸收大量的熱量。因此,萃取液在點(diǎn)火前的缸內(nèi)壓力和溫度較低,導(dǎo)致物理滯燃期較長。萃取液中十六烷值較低的組分醇類、酮類等,導(dǎo)致萃取液的化學(xué)滯燃期較長。

發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1 600 r/min時(shí),不同負(fù)荷下生物柴油和萃取液的預(yù)混燃燒期及燃燒持續(xù)期的對(duì)比如圖9所示。由圖9可知,在相同工況下,萃取液的預(yù)混燃燒期比生物柴油長,萃取液的燃燒持續(xù)期比生物柴油短。這主要?dú)w因于兩個(gè)因素:萃取液具有較長的滯燃期,這使得著火前氣缸中形成更多混合氣;萃取液具有較低的黏度和表面張力,且蒸發(fā)過程相較于生物柴油提前,這有利于燃油的霧化和蒸發(fā)。在這兩個(gè)因素的作用下,相較于生物柴油,萃取液在著火前形成的可燃混合氣更多,因而具有較長的預(yù)混燃燒期。由燃料物性分析結(jié)果可知,萃取液的霧化性能和燃油蒸發(fā)性能均優(yōu)于生物柴油,促進(jìn)了燃油與空氣的混合,加快了燃燒過程,從而縮短了燃燒持續(xù)期。

圖9 燃用生物柴油和萃取液時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的預(yù)混燃燒期及燃燒持續(xù)期的對(duì)比

3.3.2 燃料經(jīng)濟(jì)性分析 發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1 600 r/min時(shí),不同負(fù)荷下發(fā)動(dòng)機(jī)燃用生物柴油和萃取液的有效熱效率及有效燃油消耗率如圖10所示。由圖10可知,相較于生物柴油,萃取液的有效熱效率略低了1.3%,有效燃油消耗率增加了4.6%。

(a)有效熱效率

(b)有效燃油消耗率圖10 燃用生物柴油和萃取液時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)特性對(duì)比

發(fā)動(dòng)機(jī)的有效熱效率主要取決于指示熱效率和機(jī)械效率。由燃燒特性分析結(jié)果可知:燃用萃取液改善了整個(gè)燃燒過程,使得萃取液的指示熱效率增加;萃取液較高的缸內(nèi)壓力峰值和壓力升高率峰值,使得發(fā)動(dòng)機(jī)工作較為粗暴,降低了發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)械效率[23]。在這兩個(gè)因素的相互作用下,兩種燃料的有效熱效率接近。有效燃油消耗率的計(jì)算公式為

式中:be為有效燃油消耗率,g·(kW·h)-1;Hu為燃料的低位熱值,MJ·kg-1;ηet為有效熱效率。

萃取液的熱值比生物柴油低9.1%,同時(shí)相較于生物柴油,萃取液的有效熱效率降低了1.3%。萃取液的有效燃油消耗率高于生物柴油,增加了4.6%。

3.3.3 排放特性分析 發(fā)動(dòng)機(jī)燃用生物柴油和萃取液時(shí)常規(guī)排放物HC、CO、NOx和碳煙排放的對(duì)比如圖11所示。由圖11可知,相較于生物柴油,萃取液的常規(guī)排放明顯降低,HC、CO、NOx和碳煙排放分別降低了20.3%、37.8%、8.7%和14.8%。

與生物柴油相比,萃取液的黏度和表面張力有所降低,因而其噴霧霧化性能和燃油蒸發(fā)性能均優(yōu)于生物柴油。這促進(jìn)了燃油與空氣的混合,使缸內(nèi)混合氣形成更均勻,改善了局部缺氧,最終導(dǎo)致HC、CO和碳煙排放較低。

(a)HC排放量

(b)CO排放量

(c)NOx排放量

(d)碳煙排放量圖11 燃用生物柴油和萃取液時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的排放特性對(duì)比

柴油機(jī)中氮氧化物的生成主要取決于缸內(nèi)燃燒溫度、氧含量和高溫持續(xù)時(shí)間。由于萃取液含有生物油中熱值低、汽化潛熱高的物質(zhì),缸內(nèi)局部燃燒溫度得以降低,萃取液的燃燒持續(xù)期較短,相應(yīng)的高溫持續(xù)時(shí)間較短。因此,發(fā)動(dòng)機(jī)燃用萃取液時(shí)的氮氧化物排放有所減少。

4 結(jié) 論

本文對(duì)通過生物柴油萃取生物油得到的上層萃取液燃料物性和發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒排放特性進(jìn)行研究,得到如下主要結(jié)論。

(1)由于在萃取過程中,生物油中的醇類、醚類和烴類物質(zhì)被提取到生物柴油中,使得萃取液較生物柴油的黏度和表面張力下降,且燃油噴霧的物化和蒸發(fā)性能有所提升。

(2)與生物柴油相比,萃取液的滯燃期較長,燃燒始點(diǎn)和燃燒相位推遲。燃燒放熱率峰值升高,預(yù)混燃燒時(shí)間增長,而燃燒持續(xù)期縮短。

(3)與生物柴油相比,萃取液的燃油經(jīng)濟(jì)性稍差,但常規(guī)排放明顯降低,HC、CO、NOx和碳煙排放分別降低了20.3%、37.8%、8.7%和14.8%。

(4)生物油、生物柴油萃取液的物性及其發(fā)動(dòng)機(jī)性能接近甚至優(yōu)于生物柴油,生物柴油萃取生物油的方法是實(shí)現(xiàn)生物油在柴油機(jī)上應(yīng)用的較好選擇。