煤基合成燃料及其在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用與技術(shù)進(jìn)展

孫萬臣，蔣夢(mèng)奇

（汽車仿真與控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，吉林大學(xué)，長春 130025，中國）

21世紀(jì)以來，隨著中國現(xiàn)代化建設(shè)的推進(jìn)和國民經(jīng)濟(jì)水平的提高，中國的汽車工業(yè)也獲得了飛躍式發(fā)展。至2020年一季度，中國汽車保有量達(dá)到2.6億輛，汽車保有量的迅速上升使中國對(duì)石油的消費(fèi)和需求進(jìn)一步增加。作為工業(yè)化大國，“富煤、貧油、少氣”的能源特點(diǎn)使得中國油氣資源長期依賴進(jìn)口，對(duì)外依存度高居不下。2019年，中國原油進(jìn)口突破5億t，對(duì)外依存度增加至72.6%；2020年，新冠疫情影響下國際原油市場(chǎng)受到?jīng)_擊，油價(jià)低迷，中國原油進(jìn)口激增，對(duì)外依存度進(jìn)一步增加，原油進(jìn)口有望達(dá)到5.5億t，能源安全已成為備受社會(huì)各界關(guān)注的焦點(diǎn)問題[1-4]。與此同時(shí)，由交通能源引起的局部環(huán)境污染和溫室氣體排放問題也愈發(fā)突出，2018年中國化石能源燃燒產(chǎn)生的二氧化碳排放總量達(dá)到94.196億t，占全球比例的28%，作為《巴黎協(xié)定》的積極踐行者，中國承諾在2030年左右達(dá)到碳排放峰值，2060年實(shí)現(xiàn)碳中和，因此，2020-2030年是中國實(shí)施能源轉(zhuǎn)型的重要階段，也是決定中國能否在2030年兌現(xiàn)承諾的關(guān)鍵[5-8]。

為解決能源安全問題和實(shí)現(xiàn)低碳化發(fā)展目標(biāo)，實(shí)施汽車動(dòng)力系統(tǒng)升級(jí)和能源多元化發(fā)展成為必要舉措。近年來，在相關(guān)政策激勵(lì)作用下，汽車動(dòng)力電氣化取得了一定進(jìn)展，但就目前研究水平來看，汽車動(dòng)力電氣化的推進(jìn)將強(qiáng)烈依賴電池技術(shù)的突破，短期內(nèi)仍然面臨較大的困難和挑戰(zhàn)。對(duì)于未來汽車市場(chǎng)，先進(jìn)內(nèi)燃機(jī)車和混合動(dòng)力車仍將占據(jù)主導(dǎo)地位，基于各種液體燃料及對(duì)應(yīng)基礎(chǔ)設(shè)施的先進(jìn)內(nèi)燃機(jī)與混合動(dòng)力車、各種氣體燃料及其基礎(chǔ)設(shè)施的燃?xì)馀c燃料電池車、電力及其基礎(chǔ)設(shè)施的純電動(dòng)車將長期共存，內(nèi)燃機(jī)在工程機(jī)械、非道路車輛、航空、艦船等領(lǐng)域也將依然發(fā)揮著不可替代的作用[9-10]。

在汽車能源多元化方面，國內(nèi)外開展了大量研究，目前具有發(fā)展前途的車用代用燃料主要包括：含氧燃料(醇/醚/酯)、合成燃料[生物質(zhì)液體燃料（biomass to liquid fuel, BTL） /煤制油（coal-to-liquids, CTL） /天然氣合成油(gas to liquid base oil, GTL]、氣體燃料(甲烷氣/合成氣/氫氣)等。甲醇、乙醇等醇類含氧燃料應(yīng)用技術(shù)相對(duì)成熟，一般以摻混使用為宜，傳統(tǒng)燃料中摻入含氧燃料，可有效改善發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒和排放特性。氣體燃料中甲烷氣是近期研究應(yīng)用的重點(diǎn)。氫氣作為一種原料來源廣泛、尾氣排放為零的環(huán)保燃料，是車用能源轉(zhuǎn)型的戰(zhàn)略目標(biāo)之一；但氫氣在制取、運(yùn)輸和存儲(chǔ)方面仍面臨一系列技術(shù)難題。基于煤炭、生物質(zhì)、天然氣獲得的各種合成燃料（BTL、CTL、GTL）與現(xiàn)有車輛技術(shù)體系和基礎(chǔ)設(shè)施完全兼容，可以直接用作內(nèi)燃機(jī)燃料，也可以與傳統(tǒng)石油基燃料摻混以改善傳統(tǒng)燃料的燃燒性能，是一種具有發(fā)展前途的優(yōu)質(zhì)環(huán)保燃料。

煤是一種沉積巖，主要由植物遺骸在數(shù)百萬年的地質(zhì)熱和壓力下形成的碳質(zhì)物質(zhì)組成，自18世紀(jì)以來，被當(dāng)作燃料大規(guī)模用于家庭烹飪和供暖、工業(yè)和發(fā)電領(lǐng)域。中國是世界上最大的煤炭生產(chǎn)和消費(fèi)國，據(jù)已有資料統(tǒng)計(jì)，中國已探明煤炭可采儲(chǔ)量約占世界總儲(chǔ)量的11.6%。煤炭在中國一次能源生產(chǎn)和消費(fèi)結(jié)構(gòu)中長期占有重要比例，在相當(dāng)長時(shí)間內(nèi)其在中國能源消費(fèi)中的主體地位難以改變，但中國煤炭利用方式目前仍然以直接燃燒為主，能源利用效率低、污染排放嚴(yán)重，這使得與煤炭有關(guān)的環(huán)境污染問題十分突出。煤炭粗放燃燒通常被認(rèn)為是造成霧霾的主要原因。根據(jù)中國煤炭工業(yè)協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，中國煙粉塵排放的70%、SO2排放的85%、NOx排放的67%都源于以煤炭為主的化石燃料燃燒。實(shí)施煤炭清潔化利用對(duì)于解決能源安全、降低污染物和溫室氣體排放問題至關(guān)重要[11-14]。

煤炭液化制取合成燃料（煤制油）被認(rèn)為是一種可行的煤炭清潔化利用方式，采用煤基合成燃料部分替代發(fā)動(dòng)機(jī)傳統(tǒng)石化燃料可以對(duì)有效緩解中國石油需求負(fù)擔(dān)、降低石油對(duì)外依存度、減輕煤炭燃燒引起的污染物排放問題，具有重要的戰(zhàn)略意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

本文對(duì)煤基合成燃料的生產(chǎn)、發(fā)展歷程、技術(shù)進(jìn)展、煤基合成柴油在內(nèi)燃機(jī)上的應(yīng)用、燃料特性對(duì)內(nèi)燃機(jī)燃燒及排放的影響規(guī)律等相關(guān)研究成果進(jìn)行闡述，歸納總結(jié)煤基合成柴油的理化特性及在發(fā)動(dòng)機(jī)上的高效清潔利用技術(shù)，旨在對(duì)煤基合成燃料的發(fā)展前景做出預(yù)判，為相關(guān)研究以及煤基合成燃料的高效清潔應(yīng)用提供參考和借鑒。

1 煤基合成燃料發(fā)展

1.1 煤基合成燃料生產(chǎn)

煤制油（CTL）技術(shù)是將固體煤轉(zhuǎn)化為包括汽/柴油、甲醇和二甲醚等液體燃料的化學(xué)過程。煤制油生產(chǎn)從工藝技術(shù)上可分為3類：熱解（pyrolysis）、直接煤液化（direct coal liquefaction）和間接煤液化（indirect coal liquefaction）。熱解是最早使用的煤制油工藝，在封閉容器中對(duì)煤進(jìn)行950 ℃高溫加熱，該工藝煤轉(zhuǎn)化效率不高且需要昂貴的升級(jí)處理，目前在煤制油方面已經(jīng)停用，現(xiàn)階段專門用于生產(chǎn)煤制油的工藝是直接液化法和間接液化法。

1913年Friedrich Bergius提出了煤直接液化技術(shù)，這種工藝是在高溫高壓下將煤溶解、加氫以增加煤中氫含量，可以直接從煤中獲得液體燃料。在有利條件下，直接液化的純煤轉(zhuǎn)化率有望達(dá)到70%，在3種煤制油工藝中最有潛力可挖。煤直接液化技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用中雖然具有出油率高、原料消耗低、目標(biāo)產(chǎn)品選擇性高等優(yōu)點(diǎn)，但反應(yīng)條件較為苛刻，對(duì)煤質(zhì)要求較高，耗氫量大，同時(shí)設(shè)備受到磨損、腐蝕、結(jié)焦等問題的制約而難以長期穩(wěn)定運(yùn)行。為了解決這些問題，煤間接液化技術(shù)逐漸受到重視并得到了迅速發(fā)展。

間接液化技術(shù)由德國科學(xué)家Fischer 和Tropsch 在1925年提出，它的核心是F-T合成反應(yīng) （Fischer-Tropsch Synthesis），在20世紀(jì)50年代以前的德國和英國以及此后的南非CTL工廠中廣泛采用[15-16]。間接液化工藝過程是先把煤粉氣化為粗煤氣（主要成分為CO和H2） ，通過脫碳脫硫處理得到碳?xì)浔纫欢ǖ暮铣蓺猓詈笤诖呋瘎┳饔孟潞铣蓺庠?00 ℃左右、2.5 MPa下進(jìn)行F-T合成反應(yīng)生成最終產(chǎn)物。煤的間接液化工藝過程如圖1所示。

圖1 煤的間接液化過程[17]

間接液化技術(shù)具有反應(yīng)條件溫和、設(shè)備運(yùn)行可靠性高、煤質(zhì)適應(yīng)性廣等優(yōu)點(diǎn)，在生產(chǎn)清潔油品方面具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。經(jīng)過F-T反應(yīng)過程得到的煤基合成柴油成分主要是飽和烷烴，具有高十六烷值以及低硫、低氮、低芳烴含量等特征，同時(shí)可以與傳統(tǒng)石油基燃料以任意比例互溶[17-18]，因此煤基合成柴油對(duì)現(xiàn)有的汽車技術(shù)體系和基礎(chǔ)設(shè)施具有較好的兼容性，在發(fā)動(dòng)機(jī)不做任何改動(dòng)的條件下能夠直接應(yīng)用，可以有效解決發(fā)動(dòng)機(jī)排放和經(jīng)濟(jì)性之間的矛盾，有助于滿足日益嚴(yán)格的排放法規(guī)對(duì)油品質(zhì)量升級(jí)的要求。同時(shí)，隨著煤基合成工藝的進(jìn)步，間接液化技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)時(shí)存在的出油率低、生產(chǎn)過程耗水量大等問題逐漸得到改善，直接液化技術(shù)和間接液化技術(shù)在中國煤化工工藝中均已實(shí)現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用，在發(fā)揮中國煤炭資源優(yōu)勢(shì)、實(shí)現(xiàn)煤炭清潔高效利用、建立多元化的燃料供應(yīng)體系方面發(fā)揮著巨大的作用。

1.2 煤基合成燃料國外發(fā)展歷程

國外關(guān)于煤基合成燃料的研究始于19世紀(jì)30年代，但早期受制于煤制油工藝復(fù)雜、產(chǎn)能低的障礙，并未取得較大規(guī)模的市場(chǎng)化使用，自1925年德國科學(xué)家Fischer和Tropsch提出F-T合成工藝后，煤基燃料的研究和使用才得到快速推進(jìn)，德國也因此成為最早實(shí)現(xiàn)煤制油工業(yè)化生產(chǎn)和利用的國家。20世紀(jì)40年代，為了降低第二次世界大戰(zhàn)中的石油資源消耗，德國建造了9個(gè)間接液化煤制油工廠和18個(gè)直接液化煤制油工廠用以生產(chǎn)煤制液體燃料，汽油年產(chǎn)量達(dá)400萬t，占德國當(dāng)年能源消費(fèi)總量的90%；同時(shí)期，法國和日本也建立了6個(gè)煤制油工廠，年總生產(chǎn)能力達(dá)34萬t，用于供應(yīng)戰(zhàn)爭(zhēng)中的能源消耗。戰(zhàn)爭(zhēng)結(jié)束后，廉價(jià)石油遍布世界各地，由于經(jīng)濟(jì)成本問題煤制油產(chǎn)業(yè)逐漸被各國放棄，世界各地的煤制油工廠也相繼關(guān)閉[19]。20世紀(jì)50年代，南非由于種族隔離政策而受到西方國家的貿(mào)易抵制，作為對(duì)貿(mào)易抵制政策的應(yīng)對(duì)措施，大量使用當(dāng)?shù)孛禾績(jī)?chǔ)備生產(chǎn)液體燃料以滿足燃料消費(fèi)需求，建設(shè)了以F-T合成工藝為基礎(chǔ)的Sasol工程，分3期進(jìn)行，至1984年全部完工，總投入超過70億美元。Sasol原煤轉(zhuǎn)化量超3 300萬t/a，液體燃料產(chǎn)量達(dá)350萬t/a、乙烯產(chǎn)量達(dá)45萬t/a，目前仍然是世界上最大的煤基合成產(chǎn)品供應(yīng)商[20-21]。但Sasol煤炭轉(zhuǎn)換產(chǎn)品的后加工 （分離精制、加氫改質(zhì)等）過程龐大復(fù)雜，僅適用于大規(guī)模工廠化生產(chǎn)。

近年來，國外關(guān)于煤制油工藝的大部分工作集中于如何提高產(chǎn)品的選擇性上。20世紀(jì)70年代，美國Mobil公司開發(fā)出了ZSM-5催化劑，提出了基于傳統(tǒng)F-T合成過程的兩段法設(shè)想，并于1980-1985年開發(fā)成功漿態(tài)床兩段法F-T合成工藝，使產(chǎn)品可控于C5-C11汽油餾分，大大簡(jiǎn)化了后處理過程。由于烴類合成反應(yīng)是強(qiáng)放熱反應(yīng)，新型反應(yīng)器如漿態(tài)床、流化床等對(duì)于煤基合成過程至為重要。ZSM-5催化劑研發(fā)成功后，美國Mobil公司在1976年開發(fā)出了 MTG 法，實(shí)現(xiàn)了甲醇到汽油的烴類選擇性催化轉(zhuǎn)化。新西蘭于1985年利用MTG固定床法建立了利用天然氣為原料生產(chǎn)汽油的工業(yè)裝置，年產(chǎn)量達(dá)57萬t汽油。與此同時(shí)，丹麥Topsφe公司提出了TIGAS工藝，采用甲醇合成與汽油合成串聯(lián)的合成體系，使得生產(chǎn)過程能耗進(jìn)一步降低[22]。

目前，煤制油在世界各國的生產(chǎn)工藝主要包括美國的HTL工藝、德國的IGOR工藝和日本的NEDOL液化工藝等，已經(jīng)有一些技術(shù)工藝被應(yīng)用于煤制油的商業(yè)化生產(chǎn)。在此基礎(chǔ)上，國外針對(duì)煤制油在內(nèi)燃機(jī)各工況條件下的使用特性開展了眾多研究，取得了大量成果。綜合來看，研究普遍認(rèn)為: 煤制油在內(nèi)燃機(jī)原有系統(tǒng)不變的條件下既可以直接使用又可以與石化燃料混合使用，與石化柴油相比，在各工況條件下均表現(xiàn)出更加良好的燃燒和排放特性，并且動(dòng)力性指標(biāo)未有下降[23-24]。

國外在煤制油工藝和使用上具有完整的技術(shù)儲(chǔ)備，但由于煤制油的推廣應(yīng)用往往受到國際石油價(jià)格降低及石油市場(chǎng)壟斷的因素影響，目前大規(guī)模市場(chǎng)化應(yīng)用比例偏低，此外，從全生命周期的碳排放考慮，CTL在生產(chǎn)過程中產(chǎn)生大量的CO2，需要采用碳捕獲和儲(chǔ)存技術(shù)加以處理，這在一定程度上增加了煉油成本。因此，除一些石油短缺的特定地區(qū)外，煤制油還未實(shí)現(xiàn)大規(guī)模市場(chǎng)化應(yīng)用[25]。總之，國外開展煤制油技術(shù)研究及應(yīng)用遠(yuǎn)遠(yuǎn)早于中國，技術(shù)工藝比較成熟，其應(yīng)用情況取決于不同國家的能源結(jié)構(gòu)及石油價(jià)格，對(duì)于煤炭資源豐富、石油短缺的國家，煤制油產(chǎn)業(yè)仍然具有很好的發(fā)展前景。

1.3 煤基合成燃料在中國的發(fā)展歷程

中國研究煤基合成燃料的歷史最早可以追溯到20世紀(jì)30年代，1937年日本在中國東北錦州地區(qū)建造了一座引進(jìn)德國鈷催化劑F-T合成技術(shù)的煤制油工廠，該廠于1943年投運(yùn)，年產(chǎn)成品油100 t，1945日本戰(zhàn)敗后停產(chǎn)。中華人民共和國成立后，錦州廠的煤制油裝置被恢復(fù)并于1951年開始產(chǎn)油，至1959年產(chǎn)量最高時(shí)可以達(dá)到4.7萬t/a，此后大慶油田的發(fā)現(xiàn)使煤制油方面的研究暫時(shí)止步，1967年錦州合成油裝置停產(chǎn)。20世紀(jì)80年代，由于石油危機(jī)，中國逐步恢復(fù)了煤制油相關(guān)技術(shù)的研發(fā)工作。在政策及資金扶持下，中國科學(xué)院山西煤化所開展了煤制油的相關(guān)研究，提出了結(jié)合F-T合成工藝與沸石分子篩的固定床二階合成（modified Fischer Tropsch synthesis，MFT)工藝，同時(shí)研制出了沉淀型F-T工業(yè)合成鐵基催化劑和分子篩催化劑，在山西代縣化肥廠完成100 t/a中試，1993年在晉城第二化肥廠完成2 000 t/a煤基合成汽油工業(yè)試驗(yàn)，產(chǎn)出了合格的92#汽油。1997年山西煤化所完成了3 000 h工業(yè)單管試驗(yàn)，提出了開發(fā)以漿態(tài)床和鐵基催化劑為核心的汽、柴油合成技術(shù)，使汽、柴油轉(zhuǎn)化率和品質(zhì)得到進(jìn)一步提高，同年對(duì)煤制油新型催化劑的研究工作也得以展開。1998年中國開發(fā)出了用于煤制油的鐵基催化劑 （ICCIA），并在2001年實(shí)現(xiàn)了規(guī)模化廉價(jià)生產(chǎn)，另外開展了鈷基柴油催化劑和二階加氫裂化工藝的研究，完成1 500 h試驗(yàn)室壽命試驗(yàn)，達(dá)到國外同類催化劑水平。

進(jìn)入21世紀(jì)以來，國家在煤制油方面開展的研究有增無減，各個(gè)煤制油公司的加入也使得煤制油研究得到進(jìn)一步推進(jìn)。2002年，兗礦集團(tuán)在上海組建了兗礦能源科技有限公司，正式加入煤制油研發(fā)行列；2003年6月，兗礦公司的煤制油鐵基催化劑中試完成，于2005年通過科技成果鑒定；2005年，由陳俊武院士領(lǐng)導(dǎo)的中國科學(xué)院重大創(chuàng)新項(xiàng)目“煤基液體燃料合成漿態(tài)床工業(yè)化技術(shù)”通過科技部驗(yàn)收，中國國內(nèi)煤制油領(lǐng)域在高活性催化劑生產(chǎn)、產(chǎn)物與催化劑分離、催化劑床層分布與控制等關(guān)鍵技術(shù)方面的研究均達(dá)到國際同類先進(jìn)水平；同年中國科學(xué)院煤碳化學(xué)研究所招標(biāo)建設(shè)16萬噸煤制油示范廠，伊泰、潞安、神華等公司參與招標(biāo)，并先后開展了煤制油生產(chǎn)的相關(guān)工作；2009年，伊泰、潞安的煤制油設(shè)備先后開始運(yùn)行，并于2010年5月達(dá)到滿負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)；2017年，由伊泰集團(tuán)承擔(dān)的200萬t/a煤炭間接液化示范項(xiàng)目開工，這是中國首個(gè)由民營企業(yè)承擔(dān)的百萬噸級(jí)煤間接制油項(xiàng)目，標(biāo)志著中國煤制油產(chǎn)業(yè)的規(guī)模量產(chǎn)再次邁上新臺(tái)階[26-28]。

截至2020年底，中國已建成的直接液化煤制油生產(chǎn)能力達(dá)到123萬t/a，間接液化煤制油的生產(chǎn)能力達(dá)830萬t/a。隨著煤制油相關(guān)技術(shù)進(jìn)步，中國煤制油合成工藝中多聯(lián)產(chǎn)模式成為主要的發(fā)展方向，相關(guān)研究表明，采用多聯(lián)產(chǎn)模式可以使煤制油成本最大降低40%。目前中國國內(nèi)的示范廠（例如山西潞安煤基合成油示范廠等）均采用多聯(lián)產(chǎn)發(fā)展模式，產(chǎn)品分布多達(dá)上百個(gè)品種，包括石腦油/汽油/柴油等液體燃料、甲醇/乙烯等化工原料、合成氨/尿素等專屬化學(xué)產(chǎn)品等（見圖2），通過調(diào)整工藝控制參數(shù)及切換工藝流程可以靈活控制其產(chǎn)品分布和產(chǎn)量，不僅可以規(guī)避單一產(chǎn)品受市場(chǎng)制約的風(fēng)險(xiǎn)，而且實(shí)現(xiàn)煤炭資源利用過程效率的最大化，可以有效緩解中國目前存在的環(huán)境污染問題和能源安全問題[29-31]。

綜上所述，從能源戰(zhàn)略和能源清潔化利用角度考慮，面對(duì)中國“富煤、貧油、少氣” 的能源結(jié)構(gòu)，在石油安全戰(zhàn)略背景下，煤基合成燃料技術(shù)研究及應(yīng)用仍然具有不可替代的價(jià)值。中國針對(duì)煤制油的工藝技術(shù)開發(fā)及其在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用開展了大量的研究工作，在煤制油關(guān)鍵技術(shù)上已經(jīng)取得了眾多令世界矚目的成果。

圖2 F-T合成工藝部分產(chǎn)品分布[31]

2 煤基合成柴油理化特性及噴霧特性

2.1 煤基合成柴油理化特性

根據(jù)生產(chǎn)過程中催化劑和反應(yīng)溫度的不同，煤基合成工藝可以使產(chǎn)品選擇以柴油為主或者以汽油為主，但目前階段，由于中國國內(nèi)汽油過剩和柴油不足的現(xiàn)狀，通常情況下選擇柴油作為煤基合成工藝的主要油品。根據(jù)工藝技術(shù)的不同，煤基合成柴油可分為直接液化柴油（diesel from direct coal liquefaction, DDCL）和間接液化（F-T）柴油，這兩種理化特性參數(shù)與國V柴油和生物柴油對(duì)比如表1所示。

煤間接液化油品（F-T柴油）具有較低的芳香烴和硫化物，經(jīng)過間接液化得到的輕質(zhì)油品可以直接用于柴油汽車，同時(shí)有利于使汽車尾氣排放滿足國家環(huán)保要求[32]。煤直接液化得到的初步油品通常保留了原煤的一些特征，硫、氮、氧含量較高，芳香烴過多，不能直接用作汽車燃油，通常需要通過加氫工藝降低油品中的硫、氮、氧、芳香烴含量以滿足使用要求[33]。經(jīng)過加氫工藝直接液化的柴油密度較大，能與柴油以任意比例互溶，且工藝合成過程中轉(zhuǎn)化率和產(chǎn)量較高，受到許多國家重視。

近些年國內(nèi)外基于各類技術(shù)針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃用煤基合成柴油的相關(guān)特性開展了眾多研究，為煤基合成柴油的市場(chǎng)化推廣應(yīng)用提供了理論支撐。

表1 煤基合成柴油理化特性參數(shù)

2.2 煤基合成柴油噴霧特性

燃料噴射及霧化特性對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)油氣混合及燃燒過程有著重要的影響，直接影響到發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、燃燒和排放特性，開展燃料噴霧特性及噴射過程的研究有利于深入了解發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)燃燒過程以尋找更有效的污染物排放降低手段，近年來，隨著光學(xué)可視化技術(shù)的發(fā)展，中國國內(nèi)針對(duì)煤基合成燃料噴霧特性開展了大量研究。

煤基合成柴油理化特性是影響其噴霧特性的本質(zhì)因素，對(duì)應(yīng)的噴油參數(shù)及噴油控制策略也對(duì)煤基柴油的噴霧特性產(chǎn)生一定影響。天津大學(xué)王尚學(xué)等采用高速攝影技術(shù)對(duì)噴油參數(shù)調(diào)整引起的煤制油宏觀噴霧特性變化進(jìn)行了分析[34-35]，結(jié)果顯示：一定噴射條件下，隨著噴射過程進(jìn)行，煤基柴油具有與0#柴油相似的噴霧變化規(guī)律，噴霧貫穿距離逐漸增大并趨于平緩，噴霧錐角先增大后減小；相同噴射條件下，相對(duì)于0#柴油，煤基柴油具有更短的噴霧貫穿距和更大的噴霧錐角。代玉利等對(duì)不同噴油壓力、環(huán)境密度和噴孔直徑下直接液化煤制油（DDCL）、間接液化煤制（F-T）柴油和歐Ⅳ柴油（diesel fuel, DF）的噴霧特性進(jìn)行測(cè)定，得出了較為相似的結(jié)論[36-37]，研究發(fā)現(xiàn): 在不同條件下DDCL柴油相對(duì)于DF柴油具有更長的噴霧前鋒貫穿距離， F-T柴油與DF柴油噴霧貫穿距離較為接近 （見圖3），2種煤制油在噴霧錐角上與DF柴油具有相似的變化規(guī)律，噴霧錐角先減小后增大且均大于DF柴油（見圖4）。他們認(rèn)為煤基柴油理化參數(shù)中餾程溫度和粘度是影響噴霧特性的主要因素，相對(duì)于DF柴油，DDCL柴油具有更低餾程溫度，使其燃料分子在相同環(huán)境條件下具有更快的蒸發(fā)速度，有利于噴霧向前貫穿，因此，具有更長的噴霧前鋒貫穿距離；DDCL柴油具有的低粘度使燃油噴霧具有更大的初始速度，有利于燃油噴霧的初次和二次破碎，使其蒸發(fā)特性更好。此外，柴油密度也對(duì)柴油噴霧特性產(chǎn)生影響，DDCL較大的密度，更加有利于燃油噴霧的向前貫穿；F-T柴油雖然在餾程溫度和粘度上均低于DF柴油，但F-T柴油密度更低，因此，F(xiàn)-T柴油在高溫蒸發(fā)環(huán)境下噴霧前鋒貫穿距離與DF柴油差異不大。在噴霧錐角方面，2種煤制油相對(duì)于歐IV DF柴油具有更低的餾程溫度和粘度，使得相同環(huán)境下2種煤制油的燃油噴霧蒸發(fā)速度更快，更容易發(fā)生破碎和卷吸，相對(duì)于歐IV柴油表現(xiàn)出更大的噴霧錐角。

圖3 燃油噴霧前鋒貫穿距離（140 MPa） [36]

圖4 燃油最終噴霧錐角（140 MPa） [36]

采用煤基柴油為主的多元混合燃料時(shí)，混合燃料的性質(zhì)會(huì)對(duì)煤基柴油的噴霧特性產(chǎn)生影響，為了驗(yàn)證這種假設(shè)，上海交通大學(xué)康豫博等利用燃油噴射試驗(yàn)系統(tǒng)，對(duì)煤基—生物基混合燃料的噴射特征進(jìn)行了分析，研究發(fā)現(xiàn)：在不改變噴油參數(shù)的條件下，混合燃料中直接液化煤基柴油比例越高，噴霧錐角、噴霧貫穿距離和噴霧面積越大，直接液化煤基柴油具有比生物質(zhì)燃料更好的噴霧特性，在發(fā)動(dòng)機(jī)噴入等熱值燃料時(shí)，摻混一定比例的煤基柴油可以在一定程度上使生物柴油噴霧特性得到改善[38]。吉林大學(xué)的于群等選用F-T柴油作為基礎(chǔ)燃料，分別配制了碳酸二甲酯（dimethyl carbonate，DMC）比例分別為5%（D05）和10%（D10）、正丁醇為15%（B15）的3種煤基柴油含氧混合燃料，通過對(duì)3種混合燃料和F-T柴油的噴霧特性進(jìn)行分析，探究了混合燃料中含氧燃料對(duì)F-T合成柴油噴霧特性的影響[39]。在噴射壓力為100 MPa下，不同燃料的噴霧貫穿距離和噴霧面積變化如圖5和圖6所示，4種燃料達(dá)到最大噴霧貫穿距離所需時(shí)間相差不大，F(xiàn)-T柴油和D05、D10的近場(chǎng)錐角穩(wěn)定值基本一致，隨著混合燃料中DMC比例增加，近場(chǎng)錐角降為0°需要的時(shí)間縮短，遠(yuǎn)場(chǎng)錐角降低速度加快，混合燃料中的DMC可以增加F-T柴油霧化效果。摻混15%的正丁醇使F-T柴油的粘度增加，遠(yuǎn)場(chǎng)錐角偏小，霧化速度和噴霧面積均變小，混合燃料中的正丁醇會(huì)使F-T柴油霧化特性變差。此外，試驗(yàn)測(cè)試了噴油壓力對(duì)煤制油噴霧特性的影響，結(jié)果顯示：噴油壓力增大可以使噴霧貫穿距離增加，近場(chǎng)錐角和遠(yuǎn)場(chǎng)錐角增加速度變快，遠(yuǎn)場(chǎng)錐角具有更大的穩(wěn)定值，噴霧面積有一定增加；提高噴油壓力可以進(jìn)一步改善煤基燃料的霧化效果。

圖5 不同燃料 100 MPa 時(shí)貫穿距離 [39]

圖6 不同燃料 100 MPa 時(shí)噴霧面積 [39]

綜上所述，煤基合成柴油相對(duì)于傳統(tǒng)石化柴油、生物柴油在同等噴射條件下具有更好的噴霧特性，在傳統(tǒng)石化柴油中摻混一定比例的煤基柴油可以使燃料本身的噴霧特性得到改善，通過對(duì)噴射條件（噴射壓力、噴油脈寬、環(huán)境壓力等）進(jìn)行控制，可以更大程度發(fā)揮煤基柴油所具有的良好噴霧特性潛力。

2.3 煤基合成柴油燃燒及排放特性

針對(duì)煤基柴油用作發(fā)動(dòng)機(jī)燃料的燃燒及排放特性，國內(nèi)外開展了較多研究，其中，Atkinson于1999年在一臺(tái)排量為7.5 L的V8柴油機(jī)上開展F-T合成燃燒及排放特性試驗(yàn)，結(jié)果表明：相同工況下重型發(fā)動(dòng)機(jī)燃用F-T合成柴油比燃用0#低硫柴油具有更短的滯燃期，更加滯后的燃燒峰值相位；當(dāng)燃料從0#低硫柴油改為F-T合成柴油后，NOx和PM排放均降低[40]。20世紀(jì)90年代末，Schaberg等采用Sasol公司生產(chǎn)的煤制油在一臺(tái)1991DC系列柴油機(jī)上對(duì)比分析了F-T柴油與美制石化柴油的燃燒排放特性，認(rèn)為在不更改任何參數(shù)的條件下發(fā)動(dòng)機(jī)燃用F-T合成柴油相對(duì)于美制石化柴油具有更加良好的排放特性，相同試驗(yàn)工況條件下，燃用F-T合成柴油較美制柴油NOx、PM、HC和CO分別平均下降27%、21%、49%和33%[41]。Lapuerta采用一臺(tái)滿足歐Ⅳ排放標(biāo)準(zhǔn)的柴油機(jī)探究了低負(fù)荷工況下發(fā)動(dòng)機(jī)分別燃用F-T合成柴油、生物柴油與常規(guī)石化柴油的燃燒排放特征差異[42]。結(jié)果表明：相對(duì)于歐Ⅳ柴油，低負(fù)荷工況條件下F-T合成柴油具有更加明顯的低排放優(yōu)勢(shì)；相對(duì)于常規(guī)石化柴油，發(fā)動(dòng)機(jī)燃用F-T合成柴油的各排放物均有較大程度的降低，HC、NOx排放平均分別降低50%、20%，碳灰（soot）排放平均降低47%，粒徑大于23 mm的顆粒平均降低36%。

為了了解發(fā)動(dòng)機(jī)燃用F-T柴油的常規(guī)和非常規(guī)污染物的排放情況，Bermu"dez在一臺(tái)輕型柴油機(jī)上對(duì)比分析了發(fā)動(dòng)機(jī)分別燃用F-T柴油、生物柴油和低硫石化柴油的排放特性，對(duì)各燃料燃燒過程中NOx、CO、HC、CO2、甲醛和未燃碳?xì)涞扰欧欧謩e進(jìn)行了測(cè)量。結(jié)果顯示：當(dāng)使用生物柴油作為燃料時(shí)，常規(guī)和非常規(guī)排放增加，發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗率增加，3種燃料中燃用F-T柴油具有最低常規(guī)和非常規(guī)污染物排放[43]。May等在一臺(tái)康明斯發(fā)動(dòng)機(jī)上結(jié)合廢氣再循環(huán)進(jìn)行了F-T柴油的常規(guī)污染物排放特性試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果也顯示發(fā)動(dòng)機(jī)燃用F-T柴油時(shí)，相對(duì)于低硫石化柴油具有更低的常規(guī)污染物排放[44]。黃勇成等基于一臺(tái)TY1100直噴非增壓立式單缸柴油機(jī)測(cè)定了F-T合成柴油和0#柴油的燃燒排放特性，并對(duì)F-T柴油/0#柴油混合燃料的燃燒排放特性進(jìn)行了分析[45-46]，結(jié)果表明：F-T合成柴油相對(duì)于0#柴油具有更早的燃燒始點(diǎn)、更大的燃燒熱效率、更低的燃油消耗和更低的排放水平；混合燃料的燃燒排放特性與燃料混合比有關(guān)，隨著混合燃料中F-T柴油比例增加，燃燒反應(yīng)滯燃期縮短，燃燒持續(xù)期延長，缸內(nèi)燃燒壓力及最高平均溫度明顯降低，中高負(fù)荷時(shí)柴油機(jī)最大壓力升高率大幅下降，燃燒過程中的NOx和soot排放下降，混合燃料中F-T柴油比例與NOx和soot排放之間的關(guān)系如圖7所示。

圖7 F-T柴油含量與NOx和soot排放的關(guān)系 [45]

圖8 BMEP取1.04 MPa情況下，F(xiàn)-T柴油和DF燃料的羰基排放水平對(duì)比 [47]

天津大學(xué)Hao Bin等對(duì)柴油機(jī)燃用F-T柴油的羰基化合物排放進(jìn)行了測(cè)定，選取13種單獨(dú)的羰基化合物作為觀測(cè)指標(biāo)，在恒轉(zhuǎn)速/變負(fù)荷和恒負(fù)荷/變轉(zhuǎn)速條件下分別進(jìn)行了試驗(yàn)，柴油機(jī)燃用F-T柴油和歐Ⅳ(DF)柴油的羰基排放情況如圖8所示，試驗(yàn)結(jié)果表明: 在恒轉(zhuǎn)速/定負(fù)荷條件下，燃用F-T柴油的總羰基排放量較DF柴油平均降低27.2% ～ 44.6%；恒負(fù)荷/定轉(zhuǎn)速條件下，燃用F-T柴油較DF柴油總羰基排放平均降低18.0% ～ 35.8%。相對(duì)于DF柴油，燃用F-T柴油時(shí)主要的羰基化合物甲醛和乙醛都具有較為明顯的下降，恒轉(zhuǎn)速下，甲醛降低26.6% ～ 36.0%，乙醛降低14.8% ～ 45.2%；恒負(fù)載下，甲醛降低12.6% ～ 29.7%，乙醛降低 15.9% ～ 38.6%[47]。

吉林大學(xué)孫萬臣等進(jìn)行了燃用F-T合成柴油的試驗(yàn)，研究了高壓共軌柴油機(jī)在排放“十三工況”和外特性工況下此種燃料的燃燒及排放特性[48]，結(jié)果顯示，在不改變噴油策略的條件下，相對(duì)于燃用國V石化柴油，燃用F-T柴油的外特性工況消光煙度大幅下降，比排放明顯降低（見圖9），NOx、CO和HC比排放較國V柴油平均分別降低14.35%、45.6%和45.62%，十三工況高分擔(dān)率工況點(diǎn)的3種排放也均具有較大幅度降低，消光煙度降低50%。此外，他們的研究發(fā)現(xiàn)F-T合成柴油在降低微粒質(zhì)量排放的同時(shí)，可以使微粒數(shù)量濃度尤其是核態(tài)和超細(xì)微粒大幅降低。

圖9 發(fā)動(dòng)機(jī)十三工況比排放對(duì)比 [48]

在實(shí)際路況條件下，汽車燃用煤基合成燃料與傳統(tǒng)石化燃料相比，排放污染物也有很好的降低效果。同濟(jì)大學(xué)樓狄明等采用OBS-2200測(cè)試系統(tǒng)，將CTL比例分別為10%、20%、50%的石化柴油/F-T柴油混合燃料用作客車燃料，測(cè)定了常規(guī)污染物的實(shí)時(shí)道路排放情況[49]，研究結(jié)果表明：混合燃料的NOx和soot排放隨汽車行駛速度和加速度增加而增加，隨混合燃料中CTL比例增加而降低；不同速度范圍內(nèi)PM粒徑分布呈現(xiàn)雙峰特征，在石化柴油中摻混CTL燃料可以使核態(tài)微粒排放和積聚態(tài)微粒排放同時(shí)降低。譚丕強(qiáng)等對(duì)柴油轎車燃用F-T油的道路瞬態(tài)顆粒排放情況進(jìn)行了測(cè)定[50]，得到了相似的結(jié)論：數(shù)據(jù)顯示在傳統(tǒng)石化柴油中摻混F-T柴油可以使汽車核態(tài)微粒和積聚態(tài)微粒數(shù)量同時(shí)下降，且對(duì)粒徑在100 nm以上的微粒數(shù)量具有更大的降低幅度。

在發(fā)動(dòng)機(jī)燃用F-T合成柴油的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性研究方面，天津大學(xué)劉立東、北京交通大學(xué)胡準(zhǔn)慶等的試驗(yàn)表明：在不改變噴油策略的條件下，同一發(fā)動(dòng)機(jī)燃用F-T柴油較燃用傳統(tǒng)石化柴油輸出功率下降，燃油消耗率降低; 在傳統(tǒng)石化柴油中摻混一定的F-T柴油有利于提高燃料的燃燒效率，降低燃油消耗率降低，但會(huì)引起一定的輸出功率下降，隨著混合燃料中F-T柴油比例增加，功率下降和燃燒效率提高更加明顯[51-52]。吉林大學(xué)張曙光等基于一臺(tái)四氣門高壓共軌壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)也進(jìn)行了類似試驗(yàn)[53]，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)在外特性和十三工況條件下燃用F-T合成柴油的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行了測(cè)試并與同工況下燃用國V柴油得到的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行了對(duì)比，外特性轉(zhuǎn)矩曲線和功率曲線如圖10所示，不同工況下的燃油消耗率曲線見圖11。研究認(rèn)為，在不改變發(fā)動(dòng)機(jī)原有結(jié)構(gòu)及噴油策略條件下，由于F-T柴油密度小、體積熱值低，在等油門位置條件下，發(fā)動(dòng)機(jī)燃用F-T合成柴油相對(duì)于燃用傳統(tǒng)石化柴油輸出功率和轉(zhuǎn)矩均有所降低，經(jīng)濟(jì)性變好。

在發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程平穩(wěn)性研究方面，相關(guān)研究表明，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)燃用F-T柴油時(shí)，由于較高的十六烷值，燃燒滯燃期縮短，壓力升高率及最高燃燒壓力降低，有利于降低燃燒噪聲，使燃燒過程中發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)的減弱。相對(duì)于燃用石化柴油，相同工況條件下發(fā)動(dòng)機(jī)具有好的振動(dòng)特性，有利于工作過程平穩(wěn)性的改善。J.Kevin 的研究結(jié)果表明，發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)頻率通常位于7 kHZ以下，燃燒沖擊與最大燃燒放熱率、壓力升高率具有重要關(guān)系；在只考慮燃燒引起的振動(dòng)激勵(lì)時(shí)，F(xiàn)-T合成柴油較0#低硫柴油具有更低的振動(dòng)加速度，振動(dòng)信號(hào)中高頻成分更少，缸壓高頻振蕩幅值更低，因此對(duì)外表現(xiàn)出更好的振動(dòng)特性[54]。景培培、左鵬展開了相關(guān)試驗(yàn)，也得出了較為類似的結(jié)論，通常認(rèn)為F-T合成柴油用作發(fā)動(dòng)機(jī)燃料較常規(guī)低硫石化柴油具有更輕微的振動(dòng)輸出，在石化柴油中摻混一定比例的F-T柴油可以使發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)減弱，工作過程更加平穩(wěn)[55-57]。

綜上所述，煤基合成柴油用作發(fā)動(dòng)機(jī)燃料時(shí)，相對(duì)于傳統(tǒng)石化柴油和生物柴油具有更低的常規(guī)和非常規(guī)污染物排放，對(duì)于解決發(fā)動(dòng)機(jī)NOx和soot排放間的trade-off關(guān)系具有重要價(jià)值。相對(duì)于石化柴油和生物柴油，在不改變噴油策略的前提下，發(fā)動(dòng)機(jī)燃用煤基柴油具有更低的燃油消耗率和更高的燃燒熱效率，在經(jīng)濟(jì)性上具有一定的潛力，但由于CTL燃料密度低于石化柴油，體積熱值較低，在不改變噴油策略的條件下，燃用F-T柴油較傳統(tǒng)石化柴油會(huì)有一定的動(dòng)力輸出降低。在石化柴油中添加一定比例的煤基柴油可以提高燃料燃燒熱效率，使燃油經(jīng)濟(jì)性提高，同時(shí)使發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)減弱，工作過程更加平穩(wěn)。

圖10 外特性工況下2種燃料動(dòng)力性對(duì)比 [53]

圖11 不同工況下2種燃料的燃油消耗率對(duì)比 [53]

2.4 基于煤基合成柴油的燃燒優(yōu)化及排放控制技術(shù)

燃用煤基合成柴油在一定程度上使發(fā)動(dòng)機(jī)常規(guī)和非常規(guī)污染物同時(shí)降低，減輕了發(fā)動(dòng)機(jī)的排放控制壓力，但隨著排放法規(guī)和燃油耗法規(guī)的日益嚴(yán)格，為了進(jìn)一步降低發(fā)動(dòng)機(jī)燃用煤基柴油后的污染物排放，提高燃燒效率，需要針對(duì)煤基合成燃料理化特性進(jìn)一步開展燃燒優(yōu)化及排放控制技術(shù)研究，通過燃料特性與燃燒邊界條件的協(xié)同控制，實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的高效清潔燃燒。其中基于煤基合成柴油的理化特性參數(shù)優(yōu)化受到廣泛關(guān)注，中國國內(nèi)在此方面開展了大量研究，取得了眾多成果。作為調(diào)整煤基合成燃料理化特性參數(shù)的主要手段，通常采用低十六烷值的含氧燃料及石化燃料進(jìn)行燃料設(shè)計(jì)，調(diào)整燃料十六烷值和燃料組分構(gòu)成，優(yōu)化壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒過程中預(yù)混合燃燒比例，提高燃料燃燒完全程度，達(dá)到進(jìn)一步降低NOx、soot及微粒等污染物排放的目的。

黃勇成等基于單缸柴油機(jī)探究了碳酸二甲酯（DMC）作為F-T柴油含氧燃料添加劑時(shí)，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒及排放特性的影響[58]，認(rèn)為在不改變發(fā)動(dòng)機(jī)原有燃油和燃燒系統(tǒng)條件下?在石化柴油中添加一定比例的DMC可以使燃料燃燒更加完全，使排氣煙度降低，熱效率提高，且隨著DMC在F-T柴油中添加比例增加?效果更加明顯，但添加含氧燃料后會(huì)使發(fā)動(dòng)機(jī)功率略有下降。在其試驗(yàn)中，采用DMC添加比例為10%～15%時(shí)?排氣煙度下降約40%～50%，熱效率從35%提升到38%，功率下降約5%。江蘇大學(xué)YAN Hua等則選擇采用甲醇作為F-T柴油含氧燃料添加劑開展了研究，對(duì)一臺(tái)燃用混合燃料的非道路高壓共軌渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)，常規(guī)和非常規(guī)污染物排放情況進(jìn)行了測(cè)量[59]。研究結(jié)果表明：F-T柴油摻混甲醇可以使NOx和soot排放降低，但CO和HC排放有所增加，隨著甲醇摻混比例增加，NOx和soot排放降低程度更加明顯，此外，甲醇添加也具有抑制烷烴、烯烴、芳香烴和碳基化合物排放的作用。YAN Hua等研究認(rèn)為，甲醛和F-T柴油分子結(jié)構(gòu)和物性參數(shù)的差異引起了燃燒反應(yīng)的不同，與甲醇混合后，燃料密度增加，粘度和十六烷值下降，低熱值降低，燃料的霧化蒸發(fā)性能提高，油氣混合程度加強(qiáng)，因此混合燃料較F-T燃料具有更好的燃燒排放特性，但混合燃料的較低體積熱值，使得相同循環(huán)噴油量條件下燃料釋放總熱量降低，導(dǎo)致對(duì)外輸出功率有一定下降。

太原理工大學(xué)韓衛(wèi)等在一臺(tái)1115型單缸柴油機(jī)上開展了甲醇均質(zhì)混合氣F-T柴油引燃燃燒的試驗(yàn)[60-61]，探究了噴油正時(shí)和引燃量對(duì)F-T柴油燃燒排放特性的影響，試驗(yàn)結(jié)果顯示，隨噴油時(shí)刻提前，滯燃期逐漸延長，燃燒持續(xù)期先縮短后延長，soot排放水平不斷降低； 當(dāng)引燃量不斷增加時(shí)，有效燃燒放熱率逐漸增大，滯燃期和燃燒持續(xù)期縮短，中低負(fù)荷時(shí)的soot排放變化不明顯，高負(fù)荷時(shí)的soot排放則隨引燃量增加而增加。因此，適當(dāng)提前供油和減少引燃量可以找到F-T柴油引燃甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)的最優(yōu)燃燒排放特性區(qū)域。在此基礎(chǔ)上，韓衛(wèi)等對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃用二元煤基燃料不同壓縮比下的循環(huán)變動(dòng)進(jìn)行了分析[62]，認(rèn)為低轉(zhuǎn)速下提高壓縮比使發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)變動(dòng)降低，中高轉(zhuǎn)速下提高壓縮比使發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)變動(dòng)增加；相同壓縮比下，通過增加負(fù)載的方式可以降低發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒過程的循環(huán)變動(dòng)。

左鵬等在一臺(tái)增壓中冷柴油機(jī)上開展了F-T柴油/低碳醇（甲醇、乙醇、丁醇）混合燃燒的試驗(yàn)，對(duì)混合燃料的燃燒特性、動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了分析[57,63-64]。在助溶劑幫助下，分別配制了體積比為10%的煤基甲醇、乙醇和丁醇混合燃料（M10、E10、N10），對(duì)不同燃料、相同工況下的燃燒排放特性進(jìn)行觀測(cè)，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：混合燃料滯燃期和預(yù)混合燃燒期較F-T柴油和0#柴油均有所降低，擴(kuò)散燃燒期延長；相對(duì)于0#柴油，混合燃料的放熱率峰值、缸壓峰值降低，放熱率峰值相位提前，缸壓峰值相位推遲，放熱中心50%累計(jì)放熱量對(duì)應(yīng)曲軸轉(zhuǎn)角推遲；混合燃料動(dòng)力性能較0#柴油平均降低10%，混合燃料的低質(zhì)量熱值使得同功率輸出下，混合燃料的燃油消耗率增加，有效燃燒熱效率降低；混合燃料的高十六烷值和含氧特性使得NOx和soot同時(shí)降低，解決了NOx和soot間此消彼長的關(guān)系，但醇類燃料的高汽化潛熱也使得混合燃料的HC排放增加，高H/C比和含氧特性使CO排放明顯下降，且得益于混合燃料中的F-T柴油，混合燃料的甲醛排放大幅下降。對(duì)不同燃料燃燒的振動(dòng)特性進(jìn)行分析，結(jié)果表明：F-T柴油/醇類混合燃料噴油泵振動(dòng)幅值大于0#柴油，燃燒過程中0#柴油壓力振蕩峰值最大，F(xiàn)-T柴油振蕩峰值最低，混合燃料壓力振蕩較F-T柴油有所增加，但仍低于0#柴油（見圖12），這有利于降低燃燒過程中的振動(dòng)噪聲，緩解柴油機(jī)的工作粗暴。

圖12 混合燃料壓力振蕩對(duì)比 [57]

江蘇大學(xué)楊晨通過臺(tái)架試驗(yàn)和仿真模擬手段對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃用F-T柴油/PODE混合燃料的燃燒排放特性進(jìn)行了分析[17]，采用PODE比例分別為10%、20%、30%的PODE/F-T柴油混合燃料（FTP10、FTP20、FTP30），在一臺(tái)單缸四沖程柴油機(jī)上進(jìn)行了測(cè)試，試驗(yàn)結(jié)果顯示，在F-T柴油中添加一定的PODE后，燃料的缸壓峰值和壓力升高率增加，放熱率峰值、比油耗和熱效率升高，HC、CO和排氣煙度均有不同程度的減少，NOx有一定程度增加，隨著混合燃料中PODE含量升高變化更加明顯。通過熱重試驗(yàn)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃用各燃料尾氣中的可溶性有機(jī)成分(solvent organic fraction,SOF)、soot占比及soot氧化特性進(jìn)行分析表明，相對(duì)于F-T柴油，混合燃料顆粒物中的SOF占比升高，soot占比下降，SOF的和soot的失重率峰值均升高，顆粒物起始及終了失重溫度、SOF和soot起始燃燒及失重率峰值溫度均下降。由此可以認(rèn)為在F-T柴油中添加一定比例聚甲氧基二甲醚(PODE)后，混合燃料中的顆粒物更容易進(jìn)行氧化燃燒，且有利于柴油機(jī)顆粒捕集裝置再生。基于AVL-FIRE進(jìn)行的模擬仿真結(jié)果也表明，在F-T柴油中添加一定比例的PODE，soot生成量和生成區(qū)域均小于F-T柴油。

吉林大學(xué)張浩等通過試驗(yàn)探究了不同含氧燃料對(duì)CTL燃料燃燒過程的影響，采用碳酸二甲酯（DMC）和正丁醇（N-butanol）作為含氧輔助燃料，對(duì)其燃燒排放特征參數(shù)進(jìn)行分析，試驗(yàn)結(jié)果表明，燃料氧對(duì)于CTL燃料燃燒過程的影響與含氧燃料的選擇有關(guān)，DMC/CTL混合燃料、正丁醇/CTL混合燃料均使燃料預(yù)混燃燒增加并消除soot形成，但相對(duì)于CTL與DMC的共混燃料，正丁醇/CTL共混燃料在降低soot 的KL因子方面更有效[65-66]。

圖13 燃用不同燃料NOx、微粒及消光對(duì)比 [67]

吉林大學(xué)孫萬臣等基于一臺(tái)增壓中冷高壓共軌壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)研究了不同廢氣再循環(huán)（exhaust gas re-circulation, EGR）條件下煤基合成柴油(CTL)/碳酸二甲酯(DMC)混合燃料的燃燒排放特性[67]，研究認(rèn)為，CTL燃料所具有的高十六烷值將引起燃燒過程的滯燃期縮短（較石化柴油縮短25%左右），燃燒持續(xù)期和擴(kuò)散燃燒量增加，會(huì)對(duì)改善燃燒定容性和提高循環(huán)熱效率產(chǎn)生制約，為了擴(kuò)大預(yù)混合燃燒/擴(kuò)散燃燒的比例、進(jìn)一步提高燃燒效率和降低微粒排放，需要適當(dāng)降低燃料的十六烷值。試驗(yàn)中采用國V柴油作為對(duì)照燃料，對(duì)不同DMC添加比例（D5、D10、D15）的混合燃料燃燒排放特性及EGR對(duì)CTL燃料燃燒過程的影響進(jìn)行了分析（見圖13），試驗(yàn)結(jié)果表明，相對(duì)于國V柴油，發(fā)動(dòng)機(jī)燃用CTL燃料時(shí)有效熱效率提高，滯燃期縮短，預(yù)混合燃燒量減少，壓力升高率降低，有利于改善發(fā)動(dòng)機(jī)的工作平順性；燃用CTL燃料的NOx排放和消光煙度（圖13a）均有所降低，1 800 r/min、燃空當(dāng)量比為0.4的中等負(fù)荷工況下，相對(duì)于國V柴油，NOx排放和消光煙度分別降低15.3%和45.3%；不同模態(tài)微粒中核態(tài)微粒、超細(xì)微粒和總微粒排放均明顯降低，積聚態(tài)微粒排放略有增加（圖13b）；引入EGR后，CTL燃料的NOx繼續(xù)降低，消光煙度有所上升，但仍低于國V柴油煙度排放，采用30% EGR時(shí)，CTL燃料的NOx降低約75%（圖13c）。在CTL中添加含氧燃料DMC，可以使燃燒過程滯燃期延長、燃燒持續(xù)期縮短、預(yù)混合燃燒比例增加，同時(shí)可以有效抑制EGR引起的排放煙度上升（見圖13d），EGR率為30%時(shí)，相對(duì)于國V柴油，采用DMC比例為15%的CTL/DMC混合燃料消光煙度降低69.1%，NOx排放與國V柴油相當(dāng)，總微粒降低53.9%。發(fā)動(dòng)機(jī)燃用 CTL/DMC 混合燃料引入EGR可以同時(shí)降低NOx、消光煙度、微粒質(zhì)量和數(shù)量排放，有利于緩解柴油機(jī)NOx和PM之間的矛盾關(guān)系。

綜上所述，煤基合成柴油結(jié)合燃料參數(shù)調(diào)整和排放控制技術(shù)可以使燃燒過程中的排放污染物進(jìn)一步降低，在煤基柴油中使用含氧燃料添加劑有助于進(jìn)一步改善燃料燃燒過程，提高熱效率和降低soot排放，采用EGR技術(shù)可以降低燃燒過程中的NOx排放。總之，在煤基柴油中添加合適的含氧燃料并引入EGR可以同時(shí)降低NOx、消光煙度、微粒等污染物排放，有效緩解柴油機(jī)NOx和PM之間的矛盾關(guān)系。

3 煤基合成燃料現(xiàn)存問題和未來展望

3.1 煤基合成燃料現(xiàn)存問題

煤基合成燃料對(duì)現(xiàn)有的汽車技術(shù)體系和基礎(chǔ)設(shè)施具有較好的兼容性，可以與傳統(tǒng)石油基燃料以任意比例互溶，在發(fā)動(dòng)機(jī)不做改動(dòng)造的情況下直接應(yīng)用。煤間接液化柴油和加氫改質(zhì)的直接液化柴油具有較低的芳香烴和硫化物，直接用作汽車燃料或與傳統(tǒng)石化柴油混合均可以實(shí)現(xiàn)內(nèi)燃機(jī)的高效清潔燃燒，降低排放污染物，解決發(fā)動(dòng)機(jī)排放和經(jīng)濟(jì)性之間的矛盾，同時(shí)有利于滿足日益嚴(yán)格的排放法規(guī)對(duì)油品質(zhì)量升級(jí)的要求。

近年來，隨著煤基合成技術(shù)工藝的發(fā)展和成熟，有效提高了煤化工生產(chǎn)效率，促進(jìn)了煤炭的高效清潔應(yīng)用，也滿足了油品市場(chǎng)的多元化需求，有利于緩解中國過高的石油對(duì)外依存度，但就目前發(fā)展水平來看，實(shí)現(xiàn)煤基合成燃料的大規(guī)模市場(chǎng)化應(yīng)用還需要綜合考慮經(jīng)濟(jì)、環(huán)境、技術(shù)等方面的因素。

1） 煤制油工業(yè)化生產(chǎn)從立項(xiàng)到投產(chǎn)需要5年左右時(shí)間，投產(chǎn)后需要8～10年才能收回成本。從項(xiàng)目相關(guān)的各個(gè)因素分析，只有當(dāng)國際油價(jià)超過22美元/桶時(shí)，煤制油工業(yè)化生產(chǎn)才有利潤可言。國際油價(jià)受各種因素影響，波動(dòng)范圍較大，未來的石油價(jià)格難以預(yù)測(cè)，因此煤制油工業(yè)化生產(chǎn)的利潤是否能夠保證仍然未知，頻繁波動(dòng)的油價(jià)成為煤基合成燃料工業(yè)發(fā)展的重要限制[68]。

2） 煤基合成燃料的發(fā)展受環(huán)境條件約束較為嚴(yán)重，目前的項(xiàng)目所在地多為水資源匱乏、生態(tài)環(huán)境脆弱地區(qū)，部分項(xiàng)目用水量、能源消費(fèi)量、污染物排放量超過國家控制指標(biāo)。煤基燃料直接液化轉(zhuǎn)化1 t煤平均用水6 t，間接液化轉(zhuǎn)化1 t煤平均用水6～9 t，項(xiàng)目用水以黃河水為主，但黃河水總量有限且具有每年遞減趨勢(shì)，用水問題亟待解決。此外，煤炭深加工具有高濃度的CO2排放，目前仍然缺乏經(jīng)濟(jì)高效的減排方式，在驅(qū)油驅(qū)氣方面尚沒有實(shí)質(zhì)性的工程實(shí)踐和進(jìn)展，用水和排氣成為煤基合成燃料工業(yè)化發(fā)展的關(guān)鍵問題[69]。

3） 中國國內(nèi)煤基燃料產(chǎn)業(yè)目前缺乏有力的工程技術(shù)支撐，煤基燃料項(xiàng)目的工程設(shè)計(jì)方面多采用傳統(tǒng)煤化工的設(shè)計(jì)理念、設(shè)計(jì)方法及規(guī)范，對(duì)現(xiàn)代石油化工設(shè)計(jì)的借鑒程度不足，未能針對(duì)煤炭深加工的特點(diǎn)形成新的理論和體系。技術(shù)裝備方面需要進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化、定型化和系列化，國內(nèi)氣化技術(shù)流派眾多，但缺乏市場(chǎng)認(rèn)可品牌，在特殊材料、閥門、大型轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備的設(shè)計(jì)和制造上與國際先進(jìn)水平仍有一定差距，部分裝備、材料依賴進(jìn)口，鼓勵(lì)相關(guān)研究機(jī)構(gòu)開展技術(shù)研發(fā)、實(shí)施裝備技術(shù)自主、打破國外技術(shù)壁壘勢(shì)在必行。

3.2 煤基合成燃料未來發(fā)展趨勢(shì)

目前中國國內(nèi)汽車保有量和石油對(duì)外依存度高居不下，能源安全和低碳發(fā)展觀念逐漸深入人心，煤基合成燃料由于具有良好的燃燒和排放特性、對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)及燃料供應(yīng)體系適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)已成為理想的替代燃料目標(biāo)，隨著國家相關(guān)部門的不斷支持，煤基合成燃料必定成為未來成品油市場(chǎng)的重要組成部分，鑒于近年來國家對(duì)替代燃料研究的重視和煤基合成燃料的自身屬性，煤基合成燃料在以下方面的研究將迎來長足發(fā)展。

1） 針對(duì)煤基合成催化劑及工藝優(yōu)化的研究仍將占據(jù)主要位置，從目前的煤制油工藝水平來看，直接液化和間接液化能源轉(zhuǎn)換效率仍然較低，水耗和能耗雖有所減輕但仍處于較高水平。工藝選擇和催化劑選取直接影響煤轉(zhuǎn)化效率，對(duì)煤基燃料的經(jīng)濟(jì)性至關(guān)重要。從工藝技術(shù)、設(shè)備制造、能源轉(zhuǎn)化率、設(shè)備長周期運(yùn)行出發(fā)，尋找更加經(jīng)濟(jì)高效的煤制油催化劑、設(shè)計(jì)更加有效可行的生產(chǎn)工藝仍然是煤制油生產(chǎn)工藝研究的重點(diǎn)[23]。

2） 多聯(lián)產(chǎn)模式將成為煤基合成燃料工業(yè)化生產(chǎn)的常態(tài)，加強(qiáng)煤基合成燃料與石油、天然氣等石化項(xiàng)目的優(yōu)化組合，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品整合、原料互補(bǔ)，提高產(chǎn)出，將煤液化、煤基甲醇、烯烴、二甲醚、分級(jí)液化等進(jìn)行工藝優(yōu)化組合，并與尾氣發(fā)電、廢渣利用等形成綜合聯(lián)產(chǎn)，有利于降低項(xiàng)目建設(shè)投資風(fēng)險(xiǎn)及目標(biāo)產(chǎn)品的平均生產(chǎn)成本，提高項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)性。此外，針對(duì)F–T合成油品組分特點(diǎn)和市場(chǎng)情況，及時(shí)調(diào)整和優(yōu)化產(chǎn)品方案，在生產(chǎn)油品的同時(shí)，生產(chǎn)高碳α-烯烴、超硬蠟、高碳醇、橡膠填充料、PAO、潤滑基礎(chǔ)油等石化行業(yè)難以獲得的高附加值精細(xì)化工產(chǎn)品和專用化學(xué)品，也可以大幅提升煤基燃料企業(yè)的盈利水平和抗風(fēng)險(xiǎn)能力[70]。

3） 在煤基合成燃料燃燒優(yōu)化和應(yīng)用方面，煤基合成燃料的燃燒及排放特性、內(nèi)燃機(jī)工作過程平穩(wěn)性以及基于燃燒優(yōu)化的多元燃料混合燃燒等領(lǐng)域已經(jīng)開展了較多研究，隨著光學(xué)可視化研究手段的進(jìn)步及燃料燃燒機(jī)理認(rèn)知的不斷深入，適應(yīng)未來高功率密度、高效率、超低排放發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒優(yōu)化的需求，基于煤基合成燃料及其混合燃料的分子結(jié)構(gòu)優(yōu)化、燃燒、污染物生成機(jī)理和光學(xué)可視化研究有望得到進(jìn)一步發(fā)展。

4） 煤基合成燃料在理化特性和燃料組分構(gòu)型方面與傳統(tǒng)石化柴油存在一定差異，需要進(jìn)一步開展基于煤基合成燃料理化特性燃燒系統(tǒng)的開發(fā)及燃油噴射策略優(yōu)化，通過燃料特性與燃燒邊界條件的協(xié)同控制實(shí)現(xiàn)煤基合成燃料在發(fā)動(dòng)機(jī)上的高效清潔應(yīng)用，進(jìn)一步改善發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和排放特性。

4 結(jié) 語

隨著汽車保有量不斷增加，能源安全和低碳化發(fā)展日益受到國內(nèi)外的廣泛關(guān)注，鑒于中國“富煤、貧油、少氣”的能源結(jié)構(gòu)，基于煤炭F-T合成工藝制取的煤基合成燃料因其良好的燃燒及排放特性將成為汽車?yán)硐氲奶娲剂稀?/p>

本文圍繞煤基合成燃料的生產(chǎn)、發(fā)展歷程、技術(shù)進(jìn)展、煤基合成柴油在內(nèi)燃機(jī)上的應(yīng)用、燃料特性對(duì)內(nèi)燃機(jī)燃燒及排放的影響規(guī)律等方面的相關(guān)研究成果進(jìn)行了闡述。基于眾多研究者的煤基合成燃料相關(guān)研究結(jié)果，從燃料理化特性、噴霧特性、混合氣形成、燃燒及排放特性、燃燒優(yōu)化、燃料設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行了全面的分析總結(jié)。

總體而言，中國國內(nèi)外基于煤基合成燃料開展了深入廣泛的研究，取得了眾多成果，煤基合成柴油用作內(nèi)燃機(jī)燃料具有良好的燃燒和排放特性，其在汽車等動(dòng)力機(jī)械上的推廣應(yīng)用，對(duì)于實(shí)現(xiàn)汽車能源多元化、緩解中國石油對(duì)外依存度負(fù)擔(dān)、實(shí)現(xiàn)煤炭資源的高效清潔利用、減輕煤炭燃燒造成的環(huán)境污染、降低汽車燃料燃燒產(chǎn)生的排放污染物具有重要的戰(zhàn)略意義和應(yīng)用價(jià)值。

為了進(jìn)一步促進(jìn)煤基合成燃料的市場(chǎng)化應(yīng)用，針對(duì)先進(jìn)生產(chǎn)工藝開發(fā)通過多聯(lián)產(chǎn)降低制油成本、針對(duì)煤基合成燃料特性進(jìn)行燃燒系統(tǒng)的適應(yīng)性研究和開發(fā)等方面有必要進(jìn)一步開展深入的研究工作。