EGR對煤制油-生物柴油氣體及顆粒排放特征的影響

瞿磊,劉帥,謝緯安,樊登柱,施蔣彬

(1.南通職業大學汽車與交通工程學院，江蘇 南通 226000 2.江蘇大學汽車與交通工程學院，江蘇 鎮江 212013)

原油資源緊缺、環境污染突出是我國亟待解決的重要課題。F-T柴油是煤間接液化的產物之一，具有高十六烷值、高熱值、低硫和低芳香烴等優良特性，但也存在低溫特性和潤滑性較差等缺點[1]。生物柴油具有可再生、十六烷值高、低硫、無芳烴和潤滑性好等特點，但與柴油相比，存在黏度高和霧化差等缺點[2]。F-T柴油與生物柴油混合可以形成互補，研究表明，F-T柴油能與生物柴油任意比例互溶，混合燃料可以顯著降低柴油機粗暴度和炭煙排放[3]。考慮兩種燃料的理化特性，按體積分數，生物柴油50%和F-T柴油50%混合，是一種較為理想的替代燃料[4]。但是生物柴油的加入，會導致柴油機的NOx排放增加[5]。廢氣再循環是降低NOx最有效的技術手段之一，具有結構簡單、成本低的優點[6]。

EGR主要通過降低缸內混合氣中氧濃度和最高燃燒溫度，帶來了熱效應、稀釋效應和化學效應等影響，從而降低NOx排放[7-8]。同時，EGR會對HC、CO和炭煙顆粒等排放物產生影響[9]。柴油機燃用F-T柴油，采用EGR技術，NOx排放顯著下降，低負荷時，核態顆粒明顯增加，中高負荷時，積聚態顆粒明顯增加[10]。主要是因為低負荷時，EGR的熱效應和化學效應抑制了部分炭核的生長，促使小粒徑顆粒增加，中高負荷時，EGR的稀釋效應促進了炭核生長，顆粒粒徑增大[11]。柴油機燃用生物柴油，隨著EGR率的增加，低負荷時核態顆粒數密度明顯增加，中負荷時積聚態顆粒明顯增加，核態顆粒有所減少[12]。

目前，針對煤制油-生物柴油混合燃料的理化特性、燃燒特性及排放特性，國內外學者已經展開了大量的研究。本研究試驗探討了EGR率對煤制油-生物柴油NOx，CO和HC等氣體排放規律的影響，以及EGR率對炭煙顆粒粒徑分布、碳氧質量之比(φC/O)、可溶性有機物與固態炭煙質量之比(φSOF/Soot)和活化能(Ea)等特征的影響規律。

1 試驗方案與設備

1.1 試驗燃料

試驗使用了伊泰煤制油有限公司提供的F-T柴油，生物柴油是以廢棄餐飲油為原料制取，兩者能以任意比例互溶，綜合考慮兩者的理化特性，生物柴油按體積分數50%與F-T柴油進行混合，記為FB50，主要技術參數見表1。從表1可以看出，與柴油相比，FB50的能量密度為柴油的0.97，與柴油相接近，FB50的硫和芳香烴含量僅為柴油的8.5%和0.5%，更加清潔。

表1 燃料的理化特性

1.2 試驗臺架

試驗柴油機為一臺高壓共軌四缸增壓中冷柴油機，主要技術參數見表2。試驗系統由CAC250測功機、FC2005測控系統、Horiba MEXA-7200D尾氣分析儀、3090-EEPS發動機廢氣排放顆粒物粒徑譜儀和AVL472顆粒采集器組成，試驗裝置如圖1所示。

表2 柴油機主要參數

1—溫度計；2—EGR中冷器；3—EGR調節閥；4—尾氣分析儀；5—試驗柴油機；6—顆粒采集器；7—測功機；8—廢氣排放顆粒物粒徑譜儀。圖1 試驗裝置示意

試驗采用外部EGR方法對試驗機進行改裝，廢氣由排氣管引出，經調節閥引入進氣管，控制廢氣中冷器溫度為323 K，通過調節閥門開度控制EGR率。EGR率定義:

試驗采用TSI 3090-EEPS(Engine Exhaust Particle Size)發動機廢氣排放顆粒物粒徑譜儀對顆粒的數密度進行測量，EEPS可以快速檢測出排氣中顆粒的數密度和粒徑分布狀況，粒徑檢測范圍為5.6～560 nm。試驗中，以10 s為時間段，通過測取12個時間段內顆粒的數量并進行疊加，得出顆粒的數密度與粒徑的分布關系。

試驗采用了EDAX Apollo XLT SDD X射線透射能譜儀。試驗前，對顆粒樣品進行了前處理，取試驗樣品，通過能譜儀測量顆粒樣品中的元素成分。

試驗采用METTLER的TGA/DSC1熱重分析儀，取顆粒樣品質量2 mg，測試時，選擇升溫速率為10 ℃/min，溫度由40 ℃加熱至800 ℃，測得顆粒的質量隨溫度變化的失重百分比曲線(TG曲線)，表征顆粒樣品的揮發、分解、氧化等一系列反應。

1.3 試驗方案

在柴油機試驗臺架上，開展EGR對煤制油-生物柴油氣體排放物影響研究及顆粒物的測量采集工作。試驗選取FB50為試驗燃料，選擇標定轉速2 100 r/min，負荷分別為25%，50%和75%，EGR率為10%，20%，30%，測量柴油機的NOx，HC，CO等氣體排放物的比排放。通過顆粒物粒徑譜儀、X射線能譜儀和熱重分析儀，測量不同工況下顆粒物的粒徑、數密度、元素含量和熱重曲線。

2 結果與討論

2.1 氣體排放物

圖2示出轉速2 100 r/min、不同負荷、不同EGR率下柴油機燃用FB50的NOx，CO，HC等氣體排放物的比排放。從圖2a中可以看出，轉速不變，25%負荷時，EGR率從0%增大到30%，NOx，CO，HC等氣體排放物逐漸降低，NOx比排放分別降低10.4%，23.7%和39.2%，CO比排放分別降低4.6%，7.2%和7.6%，HC比排放降幅都在5%以內。低負荷時，柴油機過量空氣系數高，引入EGR，廢氣稀釋了混合氣的氧濃度，即產生稀釋效應，阻滯了燃燒反應，燃燒始點推遲，燃料與空氣混合更為均勻[13]，HC，CO比排放降低；廢氣中的CO2，H2O提高了混合燃燒氣的比熱容[14]，導致缸內最高燃燒溫度有所下降，即產生熱效應，抑制了NOx的生成。低負荷時，采用EGR技術，主要通過熱效應來降低NOx排放。

圖2 不同EGR率下燃用FB50時氣體排放物的比排放

從圖2b中可以看出，轉速不變，50%負荷時，與EGR率為0相比，隨著EGR率增加，NOx逐漸降低，NOx比排放降幅分別為18.1%，29%和41.9%。EGR率低于20%時，CO和HC比排放略有增加，增幅在5%以內；EGR率為30%時，CO和HC比排放分別增加21.2%和5.3%。轉速不變，中負荷時，EGR率小于20%，混合燃料自身含氧，對EGR的稀釋效應耐受度較高，HC、CO略有增加；EGR率為30%時，混合氣氧濃度較低，HC、CO明顯增加，同時，稀釋效應和熱效應協同作用，NOx降幅變大。

從圖2c中可以看出，75%負荷時，與EGR率為0相比，隨著EGR率增加，NOx逐漸降低，NOx比排放降幅分別為22.8%、41.2%和52%。EGR率低于10%時，CO和HC比排放略有增加，增幅小于5%；EGR率高于10%時，隨著EGR率增加，CO比排放分別增加10.8%和27.2%，HC比排放分別增加13.9%和27.8%。轉速不變，高負荷時，EGR率高于10%，EGR的稀釋效應和熱效應作用加強，NOx明顯下降，HC、CO有明顯的增加。

2.2 炭煙顆粒

2.2.1粒徑分布

柴油機排氣顆粒按照生成機理可分為核態顆粒(5 nm1 μm)[15]。柴油機顆粒主要包含固態炭煙(Soot)、可溶有機物(SOF)和硫酸鹽[16]。核態顆粒粒徑較小，主要與可溶性有機物SOF和硫酸鹽等物質有關，積聚態顆粒粒徑較大，主要成分為炭煙及其吸附物質[17]。

圖3示出轉速2 100 r/min、不同負荷、不同EGR率時柴油機顆粒的粒徑分布。從圖中可以看出，排氣顆粒的粒徑呈雙峰對數分布[18]。

圖3 不同EGR率下燃用FB50時顆粒的粒徑分布

由圖3a可見，25%負荷時，隨著EGR率的增加，顆粒的峰值粒徑逐漸減小，核態顆粒粒徑分別在16.5 nm、16.5 nm、14.3 nm和14.3 nm附近，積聚態顆粒的峰值粒徑分別在52.3 nm、52.3 nm、52.3 nm和45.3 nm附近。25%負荷時，缸內最高燃燒溫度低，基本碳粒子成核概率低，排氣中揮發性有機物氣相成核的小粒徑顆粒數量多。轉速不變，25%負荷時，過量空氣系數高，引入EGR后，熱效應發揮主要作用，缸內最高燃燒溫度降低，氣相成核的小粒徑顆粒數量增加，顆粒的峰值粒徑向小粒徑方向移動。

由圖3b可見，50%負荷時，隨著EGR率的增加，峰值粒徑先減小再增大，核態顆粒粒徑分別在16.5 nm、16.5 nm、16.5 nm和19.1 nm附近，積聚態顆粒的峰值粒徑分別在52.3 nm、52.3 nm、60.4 nm、60.4 nm附近。50%負荷時，EGR率低于20%時，混合燃料本身含氧，受稀釋效應影響小，單質碳粒無明顯增加，峰值粒徑無明顯變化。EGR率為30%時，稀釋效應作用加強，基本碳粒子數量增加，成核概率增加，大粒徑顆粒數量增加，顆粒的峰值粒徑增大。

由圖3c可見，75%負荷時，隨著EGR率的增加，粒徑峰值逐漸后移，核態顆粒粒徑分別在16.5 nm、19.1 nm、19.1 nm和19.1 nm附近，積聚態顆粒的峰值粒徑分別在60.4 nm、60.4 nm、69.8 nm、80.6 nm附近。高負荷時，轉速不變，進入的空氣量不變，相較于中低負荷，EGR率高于10%時，不完全燃燒增加，單質碳粒明顯增加，排氣過程中顆粒間發生吸附、碰撞、凝并等過程概率增加，促進了大粒徑顆粒數密度的升高，峰值粒徑向大粒徑方向移動。

根據圖3，統計了介于5～50 nm核態顆粒、介于50～1 000 nm積聚態顆粒、小于1 μm總顆粒的數密度和幾何平均粒徑，結果如圖4所示。從圖4a可以看出，與EGR率為0%時相比，隨著EGR率的增加，25%負荷時核態顆粒數密度分別增加5.3%、16.8%和33.8%，50%負荷時核態顆粒數密度分別降低5.6%、10.0%和19.4%，75%負荷時核態顆粒數密度分別降低9.1%、21.0%和33.8%。

從圖4b可以看出，與EGR率為0時相比，隨EGR率的增加，25%負荷時積聚態顆粒數密度分別降低5.3%、8.2%和20.0%，50%負荷時，積聚態顆粒數密度分別增加3.2%、14.3%和23.0%，75%負荷時，積聚態顆粒分別增加8.0%、26.1%和46.6%。

圖4 燃用FB50時不同模態顆粒的數密度

從圖4c可以看出，轉速不變、負荷一定時，隨著EGR率的增加，小于1 μm顆粒的數密度逐漸增加。25%負荷時總顆粒數密度分別增加0.7%、6.0%和10.5%，50%負荷、EGR率高于10%時，總顆粒數密度分別增加2.1%和1.7%，75%負荷時總顆粒數密度分別增加1.3%、7.5%和14.7%。

從圖4d可以看出，轉速不變、負荷一定時，隨著EGR率的增加，25%負荷時顆粒的幾何平均粒徑逐漸減小，50%和75%負荷時顆粒的幾何平均粒徑逐漸增大。

低負荷時，引入EGR，顆粒數密度增加，EGR廢氣的稀釋效應推遲了燃燒始點，熱效應降低了缸內最高燃燒溫度，基本碳粒子成核概率降低，對排氣中的可揮發性物質吸附能力減弱，促進了氣相成核，核態顆粒明顯增加，積聚態顆粒減少，幾何平均粒徑減小。中高負荷時，缸內最高燃燒溫度高，EGR的稀釋效應導致高溫缺氧區域擴大，較多的單質碳粒子生成，排氣過程中，對可揮發性物質吸附能力增強，積聚態顆粒有較大增幅。

2.2.2元素分析

圖5示出燃用FB50在不同負荷、不同EGR率時顆粒的X射線能譜圖。從圖5a中可以看出，25%負荷時，隨著EGR率增加，顆粒中C元素峰逐漸減弱，O元素峰逐漸增強。從圖5b可以看出，50%負荷時，與EGR率為0時相比，EGR率為10%時，C元素峰減弱，O元素峰增強，EGR率為20%和30%時，C元素峰逐漸增強，O峰逐漸減弱。從圖5c中可以看出，75%負荷時，隨著EGR率增加，C元素峰逐漸增強，O元素峰逐漸減弱。

圖5 不同EGR率下燃用FB50時顆粒的X射線能譜圖

結合圖5的能譜圖，計算了FB50顆粒的C、O原子質量之比(φC/O)，結果如圖6所示。從圖中可以看出，25%負荷時，隨著EGR率的增加，φC/O逐漸變小。50%負荷時，EGR率低于20%時，φC/O變小，EGR率高于20%時，φC/O逐漸變大。75%負荷時，隨著EGR率的增加，φC/O逐漸變大。由此可見，轉速不變，低負荷時，隨著EGR率增加，顆粒中有機碳含量增加，元素碳含量減少；中高負荷時，EGR率的增加導致了顆粒中元素碳含量增加，有機碳含量減少。

綜上分析可知，顆粒的φC/O與峰值粒徑呈正相關。主要是因為φC/O越大，說明顆粒中的元素碳越多，由單質碳粒子吸附揮發性有機物團聚而成的積聚態顆粒數量增加，顆粒的峰值粒徑增大。

圖6 不同EGR率下燃用FB50時顆粒的C、O原子質量比

2.2.3熱重分析

圖7示出轉速2 000 r/min、不同負荷、不同EGR率時FB50顆粒樣品在O2氛圍中的TG曲線。從圖中可以看出，顆粒在O2氛圍中出現兩個明顯的失重階段，低溫反應階段(120～450 ℃)主要是顆粒中SOF的揮發與氧化，高溫反應階段(500～800 ℃)主要是Soot的氧化過程[19]。從圖7還可以看出，轉速不變，25%負荷時，隨著EGR率的增加，低溫反應階段失重量逐漸增加，高溫階段失重量逐漸減少。50%負荷時，EGR率高于20%，低溫反應階段失重量逐漸減少，高溫階段失重量逐漸增加。75%負荷時，隨著EGR率增加，低溫反應階段失重量逐漸減少，高溫階段失重量逐漸增加。

圖7 不同EGR率下燃用FB50時顆粒的TG失重曲線

結合圖中曲線數據及各組分失重階段的區分，計算了不同負荷、不同EGR率顆粒中SOF與Soot質量之比(φSOF/Soot)，結果見圖8。φSOF/Soot越大，說明顆粒中SOF含量越多，Soot含量越少。從圖8可以看出，25%負荷時，隨著EGR率的增加，φSOF/Soot逐漸增加。50%負荷時，與EGR率為0時相比，EGR率小于20%，φSOF/Soot有所變大，EGR率為30%時，φSOF/Soot降低。75%負荷時，隨著EGR率增加，φSOF/Soot逐漸減小。

圖8 不同EGR率下燃用FB50時顆粒SOF、Soot質量比值

活化能(Ea)是反應物從常態到達活化分子的最小化學反應能量，活化能越大，表示反應物發生化學反應的難度越高[20]。結合圖7的TG曲線數據，采用積分法和直線擬合法[21]，計算了不同負荷、不同EGR率下FB50顆粒的活化能，結果如圖9所示。從圖9中可以看出，低負荷時，隨著EGR率的增加，FB50顆粒的Ea逐漸減小，顆粒發生氧化反應所需能量較小，顆粒變得容易被氧化。中高負荷時，EGR率高于20%，隨著EGR率的增加，Ea明顯增加，顆粒發生氧化反應所需能量較多，顆粒被氧化的難度增加。

圖9 不同EGR率下燃用FB50時顆粒的活化能

綜上分析可知，顆粒的φSOF/Soot增大，活化能減小。顆粒的φSOF/Soot與顆粒的活化能呈負相關。主要是因為顆粒中可溶性有機物容易被氧化，顆粒中可溶性有機物越多，顆粒氧化所需能量越少。

3 結論

a) 柴油機燃燒FB50，采用EGR后，NOx比排放明顯降低，最大降幅為52%;低負荷時采用EGR，HC、CO比排放略有降低，中高負荷時，EGR率低于20%，HC、CO增幅小于5%，EGR率為30%時，HC、CO比排放明顯升高，最高增幅分別為27.2%和27.8%；

b) FB50燃燒顆粒的φC/O與顆粒的粒徑呈正相關；FB50顆粒粒徑呈雙峰對數分布，轉速不變，25%負荷時，隨著EGR率增加，顆粒的φC/O和峰值粒徑變小，核態顆粒數密度明顯增加，最大增幅為33.8%，顆粒的幾何平均粒徑減小；中高負荷時，EGR率高于20%，顆粒的φC/O和峰值粒徑變大，積聚態顆粒明顯增加，最大增幅達44.6%，顆粒的幾何平均粒徑增大；

c) FB50燃燒顆粒的φSOF/Soot與顆粒的活化能成反比；轉速不變，25%負荷時，隨著EGR率增加，φSOF/Soot逐漸增加，Ea逐漸減小，顆粒容易被氧化；中高負荷時，EGR率高于20%，顆粒φSOF/Soot明顯減小，Ea增大，顆粒不易被氧化。