熱裂解生物質油層流燃燒速度的研究

許滄粟，劉偉男，李孝祿

熱裂解生物質油層流燃燒速度的研究

許滄粟1，劉偉男1，李孝祿2

(1. 浙江大學能源工程學院，杭州 310027；2. 中國計量大學機電工程學院，杭州 310018)

通過稻殼等農作物廢料提煉出了一種熱裂解生物質燃料，可以用于汽車等領域．燃料主要由乙醇、乙酸乙酯、乙醚、丙酮和2-丁酮等5種組分以100∶35∶14∶9∶7的摩爾比組成．在不同初始溫度、壓力和當量比條件下，在定容燃燒彈上實驗測量了熱裂解生物質油的層流燃燒速度．用基于定容燃燒彈的定壓法(constant pressure method，CPM)和定容法(constant volume method，CVM)分別測量了層流燃燒速度，分析了溫度、壓力、當量比對層流燃燒速度的影響．結果表明，層流燃燒速度隨溫度提高而增大，初始壓力增加層流燃燒速度降低，并會使峰值位置右移．通過對比CVM和CPM結果，合理解釋了火焰胞化對CPM結果的影響，并通過CVM外推得到0.1～0.8MPa的壓力范圍、358～490K溫度條件下的層流燃燒速度．

生物質熱裂解油；定容燃燒室；層流燃燒速度；定壓法；定容法

能源枯竭和環境惡化是當今世界的兩大挑戰，世界能源市場份額占比最大的仍然是石油、天然氣和煤炭，化石燃料每年的消耗非常大，其中化石燃料的燃燒占世界系統能源供應的81.3%[1]，由化石燃料引起的環境問題也受到各國政府重視．同樣在全球范圍內一直持續增長的還有汽車的生產量、保有量，傳統汽車的能源供給來源仍然依靠化石燃料．中國是化石燃料的進口大國，長期依賴石油進口，國家經濟命脈的發展和石油息息相關．除此以外，化石燃料的燃燒會產生大量的有毒有害氣體，嚴重污染環境，威脅人類的生存家園．

為了解決能源枯竭和環境惡化的問題，尋找下一代新型替代燃料，完成政府提出的碳達峰碳中和的目標，中國政府近年對新型替代燃料的研發投入非常?大[2-3]．生物質能就是一種非常有潛力的化石替代燃料[4-6]．生物質燃料作為一種可再生能源，被認為是一種潛力巨大的新能源，在緩解能源短缺、保障能源安全、保護生態環境等方面具有獨特優勢．隨著制備和生產過程效率的不斷提高，生物質替代燃料的發展前景逐漸被認可．生物質的熱化學轉化利用方法中有一種是無氧的工況條件下，進行熱裂解化學反應，根據化學反應的時間過程可分為快速熱裂解和慢速熱裂解．快速熱裂解的產油率很高，因此這種方法被廣泛的應用研究，通過這種方法產出的熱裂解油的品質和傳統汽油相當[7-8]．生物質油占世界能源消耗總量的大約10.4％[9]，且具有減少燃燒排放物和燃燒室中沉積物形成的優點[10-11]．

研究表明，將491Q內燃機改裝在金杯汽車上，熱裂解生物質油展現出了良好的動力性能和經濟性能[12-13].本文使用的生物質燃料是通過纖維素廢料(如秸稈、稻殼等)進行熱裂解提煉而成，并已經在整車上應用，其包含多種化學成分，主要由乙醇、乙酸乙酯、乙醚、丙酮、2-丁酮以100∶35∶14∶9∶7的摩爾比組成[14-15].層流燃燒速度是燃料的重要燃燒特性指標，對燃料的層流燃燒速度進行研究，對于燃料的應用具有重要意義．本文主要通過定容法和定壓法得到燃料的層流燃燒速度，并對燃料在不同工況時分析了其燃燒特性．

1?實驗裝置與數據處理方法

1.1?定容燃燒彈

以定容燃燒室為核心，實驗系統主要由高速紋影成像系統、點火控制系統、數據信息采集系統、進氣排氣系統、同步控制系統和加熱系統共6個部分組成，實驗裝置如圖1所示．

定容燃燒室的容積為1.94L．在定容燃燒室中設置中心電極進行點火，兩個直徑0.4mm的鉑絲電極進行電火花點火，點火能量大約為15mJ．實驗過程中使用溫度傳感器和壓力傳感器分別測量溫度和壓力．定容燃燒室外均勻布置加熱棒，加熱棒由穩壓直流電源控制．定容燃燒室的兩側裝有石英玻璃窗，為紋影系統提供光路．用于記錄紋影圖像的高速攝像機為 Phantom v2512，記錄頻率為6000fps，分辨率為 512×512 像素．采用數字延遲脈沖發生器(DG645，Stanford Research Systems，USA)同步數據記錄、圖像捕獲和控制點火時間．初始溫度和壓力由K型熱電偶和數字壓力表調節．

圖1?實驗裝置

初始溫度358K、388K、418K，壓力工況條件為0.1～0.4MPa，燃料的當量比0.7～1.4，每個實驗工況進行3次重復實驗以減小實驗產生的人為誤差．

1.2?燃料注射量

根據理想氣體狀態方程、生物質油與氧氣完全燃燒化學方程式得到在各種初始條件下混合燃料的總注射體積公式：

式中：為當量比；i為相對分子質量；i為密度；i為體積分數；、、分別為分子式中碳原子、氫原子、氧原子個數，定容燃燒彈體積為0，初始溫度為0，初始壓力為0，為8.314J/(mol·K)．本研究使用的燃料根據稻殼精制熱裂解油的主要成分，乙醇、乙酸乙酯、乙醚、丙酮、2-丁酮5種組分用光譜純的單質按照100∶35∶14∶9∶7的摩爾比配制組成．表1列出了實驗燃料的基本參數．

表1?實驗燃料的基本參數

Tab.1?Basic parameters of experimental fuel

1.3?定容法計算層流燃燒速度

在單次實驗中，通過定容法能外推得到更高壓力和溫度下的層流燃燒速度[16-17]．因此，通過定容法可以把接近常溫常壓的工況實驗結果外推到發動機工況條件(5～7MPa和700～800K)．這樣既保證了實驗的安全性，又可以獲得實際內燃機工作狀態的數據，具有重要意義．除此之外，使用定容法能夠準確計算胞化火焰速度[18]．

使用CVM計算層流燃燒速度有一些假設：①未燃燒的氣體是均勻的等熵壓縮氣體；②整個燃燒室內壓力均勻；③未燃氣體和已燃氣體均為理想氣體；④外部熱量輸入，熱量損失，輻射和浮力影響忽略不計.

基于以上假設，可以通過公式(2)和式(3)計算未燃燒氣體的溫度和密度：

式中：是燃燒過程中定容燃燒室中的壓力；i、i和i分別是初始條件下的溫度、壓力和密度．是燃燒過程中的溫度；u是比熱比．燃燒質量分數定義為燃燒氣體與氣體總量的比率，可通過公式(4)計算：

式中：i、u和b分別是初始、未燃燒和已燃燒氣體的質量；f和w是火焰前沿和定容燃燒室的半徑．

定容法計算層流燃燒速度u的計算公式為

其中f是火焰鋒面面積．

代入方程(2)～(4)可得

現在流行的已燃質量分數的計算方法是Lewis等[19]提出的：

其中e是燃燒過程壓力的最大值，即爆炸壓力．

使用冪函數擬合并外推到實驗工況下得到實驗工況下的層流燃燒速度結果：

溫度升高比可以通過壓力升高比和比熱比計算，可以得到：

通過十二項式對層流燃燒速度計算，得到層流燃燒速度隨壓力、溫度、當量比的關系，在一定的誤差范圍內外推計算出內燃機工況條件下的速度結果：

圖2是CVM計算層流燃燒速度的外推和擬合曲線．擬合區間的上下限根據已燃質量分數確定，通常選取＝0.05和＝0.2對應的相對壓力為擬合區間上下限．當＜0.05時，存在干擾信號，無法準確計算擬合曲線；當＞0.2時，通過燃燒室壁面損失的熱量會影響燃燒過程，因此選取＝0.05和＝0.2計算擬合區間的上下限．當與i的比值為1時，擬合方程對應的值為初始條件下對應的層流燃燒速度．

圖2?CVM冪函數擬合曲線

1.4?定壓法計算層流燃燒速度

定壓法是另一種發展相對成熟的層流燃燒速度計算方法．定容法通過壓力數據外推計算層流燃燒速度，定壓法通過火焰傳播圖像推導層流燃燒速度．使用定壓法時選取火焰的準穩態階段，在此階段火焰既不會受到點火能量的影響，又不會受到燃燒室壁面的影響．在此火焰傳播階段，燃燒室內的壓力沒有明顯上升．定容彈中的可燃混合氣通過中心電極點火成功后，球形火焰向外膨脹，通過Matlab程序識別火焰邊緣，計算出火焰半徑f，由此計算出火焰傳播過程的速度：

火焰拉伸率和火焰的傳播速度可以通過Matlab程序進行計算，再通過擬合公式可以外推出無拉伸火焰速度，現在學界比較流行的是以下3種擬合公式：

式中：b0為無拉伸的火焰傳播速度；b為馬克斯坦長度，用來表征火焰對拉伸響應的敏感程度，反映火焰的穩定性．

依據火焰前鋒面的準穩態和質量守恒定律，得到的未燃氣無拉伸火焰速度即為層流燃燒速度u．

式中：b和u分別為已燃氣體密度和未燃氣體密度，由CHEMKIN中的Equilibrium模型計算得到．

2?結果分析

2.1?不同溫度下壓力的影響

圖3顯示了不同初始溫度下壓力對生物質油的層流燃燒速度的影響．在358K、388K和418K條件下均使用CPM計算實驗數據．圖3(a)中比較了文獻里異辛烷在358K、0.1MPa的條件下異辛烷的層流燃燒速度，與熱裂解生物質油的計算結果相比，平均相對偏差小于20%，異辛烷是汽油混合燃料的重要表征組分之一[20-21]，因此熱裂解生物質油在車用內燃機上有廣闊的應用前景．

當燃料為稀混合燃料時，層流燃燒速度隨著壓力的增加而降低．但在當量比1.2～1.4時隨著壓力的增加，層流燃燒速度會有反常增高，這是因為火焰前鋒面出現胞化加快了火焰燃燒的速度．胞化是火焰不穩定的表現，火焰胞化不穩定性主要包含了3個方面：流體動力學不穩定性、浮力不穩定性、熱擴散不穩定性．當溫度升高時，火焰不穩定性加劇，胞化現象更加明顯．當壓力為0.1MPa時，層流燃燒速度峰值出現在當量比1～1.1，當壓力增加時，峰值出現的位置向右偏移，出現在1.2左右，這是因為丙酮燃料的影響，丙酮層流燃燒速度的最大值出現在1.2左右[22-23]，此外壓力增大火焰不穩定性增加，濃混合氣層流燃燒速度增大．

2.2?不同壓力下溫度的影響

圖4顯示了不同初始壓力下溫度對生物質油層流燃燒速度的影響．不同壓力下的數據均使用CPM計算．層流燃燒速度隨著溫度的升高而增加，當初始壓力工況為0.1MPa和0.2MPa時，層流燃燒速度的最大值出現在當量比1.1～1.2．初始溫度對層流燃燒速度曲線的最大值出現的位置幾乎沒有影響．初始溫度會影響燃燒初期的反應速率，溫度增加提高了反應速率，使火焰溫度峰值提高，層流燃燒速度增大．從圖4(c)中還可以發現，當初始壓力為0.4MPa，初始溫度為418K時，胞化在當量比1.3～1.4處出現，當溫度為358K和388K時，胞化現象并不明顯．這直觀反映了初始溫度越高，火焰不穩定性增加，越容易出現胞化現象．

圖4 不同初始壓力下初始溫度對層流燃燒速度隨當量比的影響

2.3?CVM與CPM結果對比

圖5將定容法和定壓法得到的生物質油層流燃燒速度進行了比較，定容法的結果大于定壓法，兩種方法獲得的結果偏差較小．本文采用公式(u,CVM－u,CPM)/u,CPM×100％來計算相對偏差．圖5(a)中兩組數據均為未發生火焰胞化的情況，CPM和CVM的計算結果非常接近，最大層流燃燒速度的峰值位置均為當量比在1.0～1.1，不同當量比下的平均相對偏差在15％以內．因為本文使用的是線性已燃質量分數求解方法，這造成了外推得到的層流燃燒速度比定壓法的結果大，當量比為1.0時，偏差達到20%．除了初始壓力0.1MPa、初始溫度418K、當量比1.4的工況條件下定容法的結果小于定壓法的，這是由于定壓法中用線性外推方式從火焰半徑計算得到初始條件下層流燃燒速度存在一定的誤差，尤其在當量比為1.4附近，定容法得到的結果有明顯偏小，小于定壓法的速度，從而導致相對偏差出現了負值．圖5(b)是兩組已經出現胞化現象的實驗結果對比．當初始條件為358K、0.4MPa時，火焰胞化后CVM的計算結果高于CPM，平均偏差小于15%．當壓力和溫度增加到418K、0.4MPa時，濃混燃料火焰胞化加劇，不穩定性增大，CVM計算結果遠高于CPM，最大相對偏差達到33%，但在稀混燃料中火焰穩定性較好，CVM與CPM的計算結果接近，兩種計算方法的平均相對偏差小于17%．

圖5?相同初始條件下定壓法與定容法所得燃燒速度比較

圖6是不同初始條件下火焰胞化圖像(＝1.4，＝15ms)．從圖6中可以看出在壓力為0.2MPa時，火焰表面出現了輕微的胞化現象，細胞裂紋較少，部分火焰表面仍比較光滑．當壓力為0.4MPa時，3個溫度下的火焰胞化現象十分明顯，初始壓力的增加使胞化現象更容易出現．在二維圖像中火焰胞化后表面凸起部分導致的半徑增加并不明顯，但在實際的火焰傳播過程中，火焰表面由于胞化產生凸起，造成了火焰半徑增大．CPM方法通過捕捉火焰半徑計算層流燃燒速度，在計算時捕捉的二維圖像的半徑小于實際半徑，因此用CPM計算在火焰胞化后的層流燃燒速度會偏低，CVM使用壓力數據進行計算，不會受到火焰形態變化的影響．

圖6?火焰胞化圖像

表2展示了實驗工況條件下火焰最先出現胞化現象的當量比．混合氣更容易出現火焰的胞化不穩定性，同時相比于實驗溫度，壓力對火焰胞化的影響非常顯著，相同壓力下基本不改變火焰出現胞化現象時的當量比．

表2 不同溫度和壓力下胞化火焰開始出現對應的當量比

Tab.2 The corresponding equivalence ratio when cellular flame begins to exist at different temperatures and pressures

圖7比較了溫度418K，壓力0.4MPa下不同當量比燃燒過程壓力變化曲線．燃燒過程的初始階段為恒定壓力期，CPM法主要利用了恒定壓力階段的數據進行計算．當量比為0.9時，火焰未發生胞化，恒定壓力期較長；當量比為1.3時，火焰已經發生明顯胞化，壓力上升現象會提前出現，恒定壓力期的時間會縮小，因此CPM的數據選取范圍變小，造成了CPM計算的層流燃燒速度相比于CVM的結果會?偏低．

圖7?燃燒過程壓力變化

2.4?CVM外推速度范圍

圖8顯示了和的擬合范圍．每個當量比都有9個實驗點．本文給出在i＝0.1～0.8MPa、i＝358～490K和＝0.7～1.4時的擬合數據．CVM計算層流燃燒速度時，一次實驗可計算得到特定壓力和溫度下的u，通過內插法和外推法填充整個區域，獲得范圍內的層流燃燒速度．使用CVM可以計算出更廣闊范圍內的數據，這是CPM計算層流燃燒速度無法得到的．

圖8?CVM外推范圍

2.5?馬克斯坦數

圖9是不同工況下的馬克斯坦數．圖9(a)是壓力為0.1MPa下不同溫度對馬克斯坦數的影響．馬克斯坦數表征火焰整體穩定性，結合了火焰拉伸作用和流體動力學不穩定性的影響．從圖9(a)中看出溫度對馬克斯坦數沒有明顯影響，馬克斯坦數隨著燃料當量比的增大呈總體減小趨勢．圖9(b)是不同壓力工況對馬克斯坦數的影響．在壓力為0.1MPa和0.2MPa時，馬克斯坦數的差異不大．當壓力為0.4MPa時，馬克斯坦數明顯減小，這是因為壓力增加火焰的不穩定性明顯增大．

圖9?不同工況下的馬克斯坦數

3?結?論

(1)在相同的溫度下，稀混合燃料的層流燃燒速度隨著壓力的增加而降低，濃混合燃料會有反常增高的現象．同時初始壓力增大使層流燃燒速度峰值位置向高當量比移動．

(2)在相同壓力下，層流燃燒速度隨著溫度的升高而增加，溫度的提升也會導致火焰不穩定性增強，胞化現象提前出現．

(3)在火焰未胞化時，CPM與CVM計算結果平均偏差小于15%；火焰胞化后CPM計算結果偏小，兩者計算結果的最大相對偏差達到33%．

(4)通過CVM計算實驗條件下的數據，將層流燃燒速度外推到更廣的壓力與溫度范圍，獲得了0.1～0.8MPa的壓力范圍、358～490K溫度條件下生物質燃料層流燃燒速度．

［1］ Broumand M，Albert-Green S，Yun S，et al. Spray combustion of fast pyrolysis bio-oils：Applications，challenges，and potential solutions [J].，2020，79：100834.

［2］ Wang S，Dai G，Yang H，et al. Lignocellulosic biomass pyrolysis mechanism：A state-of-the-art review [J].，2017，62：33-86.

［3］ Gosens J，Hellsmark H，K?berger T，et al. The limits of academic entrepreneurship：Conflicting expectations about commercialization and innovation in China’s nascent sector for advanced bio-energy technologies[J].，2018，37：1-11.

［4］ Ma Z，Wang J，Wang S，et al. Comparison of the thermal degradation behaviors and kinetics of palm oil waste under nitrogen and air atmosphere in TGA-FTIR with a complementary use of model-free and model-fitting approaches[J].，2018，134：12-24.

［5］ 李法社，王承志，王文超，等. 生物質燃油燃燒特性分析[J]. 燃燒科學與技術，2020，26(2)：169-175.

Li Fashe，Wang Chengzhi，Wang Wenchao，et al. Analysis of biomass fuel combustion characteristics[J].，2020，26(2)：169-175(in Chinese).

［6］ 費靈子，趙兵濤，劉建建. 生物質與煤混燃PM10排放特性及機理的現狀與發展[J]. 燃燒科學與技術，2020，26(6)：588-596.

Fei Lingzi，Zhao Bingtao，Liu Jianjian. Current status and development of emission characteristics and mechanism of PM10 from co-firing of biomass and coal[J].，2020，26(6)：588-596(in Chinese).

［7］ Oppong Francis，Xu Cangsu，Luo Zhongyang，et al. Investigating the explosion of ethyl acetate in the presence of hydrogen[J].，2020，45(39)：20400-20407.

［8］ Oppong Francis，Xu Cangsu，Luo Zhongyang，et al. Evaluation of explosion characteristics of 2-methylfuran/air mixture[J].，2019，62：103954.

［9］ International Energy Agency. Key World Energy Statistics[Z]. Paris，France：International Energy Agency，2019.

［10］ Xu H，Wang C，Ma X，et al. Fuel injector deposits in direct-injection spark-ignition engines[J].，2015，50：63-80.

［11］ Wang C，Xu H，Herreros J M，et al. Impact of fuel and injection system on particle emissions from a GDI engine[J].，2014，132：178-191.

［12］ 麻?劍，謝?陽，羅麒元，等. 精制生物油和柴油混合燃料的柴油機性能[J]. 浙江大學學報(工學版)，2015，49(4)：632-637.

Ma Jian，Xie Yang，Luo Qiyuan，et al. Performance of diesel engine running on diesel fuel and its blends with refined biomass fast pyrolysis bio-oil[J].()，2015，49(4)：632-637(in Chinese).

［13］ 吳何來，周勁松，許滄粟，等. 超臨界乙醇提質生物油的汽油機試驗研究[J]. 浙江大學學報(工學版)，2015，49(1)：136-141，149.

Wu Helai，He Jinsong，Xu Cangsu，et al. Experimental research on gasoline engine fueled with biomass pyrolysis oil upgraded in supercrtical ethanol[J].()，2015，49(1)：136-141(in Chinese).

［14］ Xu C，Wang H，Li X，et al. Explosion characteristics of a pyrolysis biofuel derived from rice husk [J].，2019，369：324-333.

［15］ Xu C，Wang H，Oppong F，et al. Determination of laminar burning characteristics of a surrogate for a pyrolysis fuel using constant volume method[J].，2020，190：116315.

［16］ Hu E，Tian H，Zhang X，et al. Explosion characteristics of n-butanol/iso-octane-air mixtures[J].，2017，188：90-97.

［17］ Faghih M，Chen Z. The constant-volume propagating spherical flame method for laminar flame speed measurement[J].，2016，61(16)：1296-1310.

［18］ Oppong F，Xu C，Luo Z，et al. Cellularization of 2-methylfuran expanding spherical flame[J].，2019，206：379-389.

［19］ Lewis B，von Elbe G. Determination of the speed of flames and the temperature distribution in a spherical bomb from time-pressure explosion records[J].，1934，2(5)：283-290.

［20］ 徐昭華，胡二江，黃佐華. 汽油層流燃燒速度的測量及其替代物模型研究[J]. 西安交通大學學報，2019，53(3)：36-42.

Xu Zhaohua，Hu Erjiang，Huang Zuohua. Research on the laminar burning velocity and surrogate models of gasoline[J].’，2019，53(3)：36-42(in Chinese).

［21］ Kelley A P，Liu W，Xin Y X，et al. Laminar flame speeds，non-premixed stagnation ignition，and reduced mechanisms in the oxidation of iso-octane[J].，2011，33(1)：501-508.

［22］ Gong Jing，Zhang Shuang，Cheng Yu，et al. A comparative study of n-propanol，propanal，acetone，and propane combustion in laminar flames[J].2015，35(1)：795-801.

［23］ Cheng Tung Chong，Simone Hochgreb. Measurements of laminar flame speeds of acetone/methane/air mixtures[J].，2011，158(3)：490-500.

Laminar Burning Velocity of Pyrolysis Biomass Oil

Xu Cangsu1，Liu Weinan1，Li Xiaolu2

(1. College of Energy Engineering，Zhejiang University，Hangzhou 310027，China；2. College of Mechanical and Electrical Engineering，China Jiliang University，Hangzhou 310018，China)

A refined pyrolysis biomass liquid fuel for vehicles was produced from rice husk，which consists of ethanol，ethyl acetate，diethyl ether，acetone and 2-butanone with a mole ratio of 100∶35∶14∶9∶7. The laminar burning speeds of the mixed fuel were studied at different initial temperatures，pressures and equivalence ratios in a constant volume combustion chamber. The laminar burning speed was calculated by constant pressure method(CPM) and constant volume method(CVM)，respectively. The impact of pressure，temperature and equivalence ratio on the laminar burning speed was discussed. The results show that the laminar burning speed increases with rising temperature. The increase in initial pressure results in the decrease of laminar burning speed and the shift of peak position to the right. The results of CVM and CPM were compared，the effect of flame cellularization on the CPM results was reasonably explained，and the laminar burning speed under the pressure of 0.1—0.8MPa and the temperature of 358—490K was obtained by CVM extrapolation.

biomass pyrolysis oil；constant volume combustion chamber；laminar burning speed；constant pressure method；constant volume method

TK46+4

A

1006-8740(2021)05-0461-08

10.11715/rskxjs.R202006015

2020-08-13.

國家重點研發計劃資助項目(2018YFB1501405).

許滄粟（1963—??），男，博士，副教授，xucangsu@zju.edu.cn.

李孝祿，男，博士，教授，lxl2006@cjlu.edu.cn.

(責任編輯：梁?霞)