高洪濤，赫明月

(大連海事大學(xué)輪機(jī)工程學(xué)院，遼寧 大連 116026)

乙醇柴油替代燃料排放功效及熱力學(xué)效率計(jì)算分析

高洪濤，赫明月

(大連海事大學(xué)輪機(jī)工程學(xué)院，遼寧 大連 116026)

對(duì)遼寧海事局30 m級(jí)海事巡邏船0210輪主機(jī)進(jìn)行熱平衡和火用分析，獲得該主機(jī)各部分熱量損失和火用損失分布情況，對(duì)于采用替代燃料——乙醇柴油進(jìn)行熱力學(xué)分析和排放估算，計(jì)算結(jié)果表明:在保持燃料火用和有用功不變的條件下，采用乙醇柴油時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)所耗燃料增加3.456%，熱效率微增，而二氧化碳排放量有了較大幅度的減少。

柴油機(jī);熱平衡分析;火用分析;乙醇柴油替代燃料

隨著國(guó)際燃油價(jià)格的居高不下和排放法規(guī)日益嚴(yán)格［1］，降低船舶主機(jī)的燃料費(fèi)用和減少碳、硫等污染物的排放變得越來(lái)越重要。使用替代燃料是降低船舶主機(jī)的燃料費(fèi)用和減少碳、硫等污染物排放的一個(gè)重要的途徑［2］。文中應(yīng)用熱平衡分析和火用分析相結(jié)合的熱力學(xué)分析方法［3-4］，針對(duì)遼寧海事局30 m級(jí)海事巡邏船0210輪(其主機(jī)參數(shù)見(jiàn)表1)，分析其使用乙醇柴油作為替代燃料后，主機(jī)能量分布以及排放情況。

1 柴油機(jī)熱力學(xué)分析

將熱力學(xué)第一定律分析法(熱平衡分析)和熱力學(xué)第二定律分析法(火用分析)相結(jié)合，對(duì)柴油機(jī)進(jìn)行綜合性的熱力學(xué)分析，以揭示柴油機(jī)各部分的能量利用情況［10］。

1．1 熱平衡分析

熱平衡分析是依據(jù)熱力學(xué)第一定律(即只從能量的數(shù)量出發(fā))分析揭示裝置或設(shè)備在能量數(shù)量上的轉(zhuǎn)換、傳遞、利用和損失的情況，故又稱為“第一定律分析法”，可以定量地表明能量的轉(zhuǎn)換效果和估計(jì)節(jié)能潛力的大小。

表1 30 m船主機(jī)參數(shù)表

熱平衡方程可表示為:

式中:Qf——柴油機(jī)燃料燃燒產(chǎn)生的總熱量，kJ/h;

Qe——轉(zhuǎn)化為有效功的熱量，kJ/h;

Qex——排氣帶走的熱量;

Qcw——冷卻水帶走的熱量，kJ/h;

Qco——潤(rùn)滑油帶走的熱量，kJ/h;

Qr——其他熱量損失，kJ/h，包括機(jī)體散熱損失、不完全燃燒損失、部分機(jī)械損失(未被冷卻介質(zhì)帶走的摩擦熱、驅(qū)動(dòng)輔助機(jī)械消耗的熱量等)及廢氣動(dòng)能損失等。

Qf～Qr的計(jì)算公式匯總于表2。

表2 30 m船主機(jī)熱平衡計(jì)算公式表

1．2 火用分析

火用分析法根據(jù)熱力學(xué)第二定律，從能量的數(shù)量和質(zhì)量相結(jié)合的角度揭示裝置或設(shè)備在能量中的火用轉(zhuǎn)換、傳遞、利用和損失。

主機(jī)火用平衡方程為

Ef=Ee+Eex+Ecw+Eco+Efl+Er(2)式中:Ef——進(jìn)入燃燒室的燃油火用值，kJ/h;

Ee——主機(jī)功率，kJ/h;

Eex——排氣產(chǎn)生的火用損，kJ/h;

Ecw——冷卻水產(chǎn)生的火用損，kJ/h;

Eco——滑油產(chǎn)生的火用損，kJ/h;

Efl——燃燒不可逆而造成的火用損失，kJ/h;

Er——余項(xiàng)火用損失，kJ/h，包括機(jī)體散熱、部分機(jī)械以及廢氣動(dòng)能等造成的火用損失。

Ef～Er的計(jì)算公式匯總后列于表3。

1．3 0號(hào)柴油的熱力學(xué)分析及結(jié)果對(duì)比

根據(jù)表1的柴油機(jī)參數(shù)值和表2、3的熱力學(xué)計(jì)算公式，計(jì)算得到燃燒0號(hào)柴油時(shí)柴油機(jī)的各部分的熱量以及火用分布，見(jiàn)表4、表5。

由表4、5可見(jiàn)，在熱平衡分析中，燃料燃燒所產(chǎn)生的熱量只有35.24%轉(zhuǎn)化為有效功，而在火用分析中，燃料燃燒所產(chǎn)生的火用也只有37.18%轉(zhuǎn)化為有效功，柴油機(jī)的熱效率和火用效率差別不大。這是因?yàn)槿剂先紵a(chǎn)生的熱量一部分轉(zhuǎn)化成為動(dòng)力(機(jī)械能)，而機(jī)械能為100%的火用。而其他熱量均以廢熱的形式排到環(huán)境中。

表3 30 m船主機(jī)火用平衡計(jì)算公式表

表4 柴油機(jī)各部分熱量分布結(jié)果表

表5 柴油機(jī)各部分火用分布結(jié)果

在熱平衡分析中，排氣熱量占廢熱的40.16%，冷卻水帶走的熱量占29.11%。這兩部分占到了廢熱的近70%。這表明被排氣和冷卻水帶走而散失到環(huán)境中的能量占據(jù)了廢熱較大的比例，是余熱利用的潛力所在。而在火用分析中，排氣火用占火用損失的30.58%，冷卻水帶走的火用占16.62%，兩者占總火用損失的47.2%。通過(guò)火用分析可以看出這兩部分余熱可利用的量并沒(méi)有人們想象的那么大，這是因?yàn)榛鹩梅治霾粌H考慮了能量的數(shù)量還同時(shí)考慮了能量的質(zhì)量，當(dāng)排氣和冷卻水中能量的品位下降到一定程度后，就無(wú)法被回收利用了。

燃燒不可逆而造成的火用損失占23.78%，這部分火用損較大，且不能被利用。這是因?yàn)槿紵豢赡娑斐傻幕鹩脫p失，是由系統(tǒng)循環(huán)帶來(lái)的，雖然數(shù)量很大，但目前無(wú)法被利用。

北京理工大學(xué)的趙長(zhǎng)祿等［11］研究了6V150柴油機(jī)能量利用情況:燃料產(chǎn)生的熱量中有用功占41.3%，排氣熱量占27.5%，散熱占23.2%;燃料產(chǎn)生的火用中有用功占43.1%，排氣和散熱火用分別占21.8%和14.0%，其余是因系統(tǒng)內(nèi)部不可逆的因素，蛻化為不可用能量。之所以文中的結(jié)果和文獻(xiàn)中的結(jié)果略有差別，是因?yàn)椴裼蜋C(jī)機(jī)型的不同所致。

2 燃料火用值不變時(shí)燃燒乙醇柴油熱力學(xué)和減排分析

目前，乙醇在汽油機(jī)上已得到了廣泛應(yīng)用，但是在柴油機(jī)上還處于應(yīng)用研究階段。根據(jù)文獻(xiàn)［9］分析，在柴油中混合10%體積分?jǐn)?shù)的燃料乙醇對(duì)柴油機(jī)運(yùn)行影響較小，無(wú)需更換設(shè)備。因此，采用在柴油中混合10%體積分?jǐn)?shù)的燃料乙醇作為對(duì)象進(jìn)行研究對(duì)比。但是燃料乙醇的熱值較低，只有柴油的62.8%，所以混合后乙醇柴油的熱值會(huì)降低。為保持燃料火用值和柴油機(jī)有效功率不變，乙醇柴油的消耗量比原燃料多3.456%。乙醇柴油中C、H、O及S的比例分別為82.62%、13.72%、3.498%及0.153%。

2．1 更換燃料前后熱力學(xué)分析對(duì)比

采用乙醇柴油后，因燃料火用值和有效功率不變，即柴油機(jī)火用效率不變。對(duì)柴油機(jī)進(jìn)行熱力學(xué)計(jì)算，并與0號(hào)柴油進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見(jiàn)表6、7。

由表6和表7可見(jiàn)，在燃燒乙醇柴油時(shí)，燃燒火用損有較大幅度的減少，其原因是乙醇柴油的消耗量比原燃料多了3.456%，而和原燃料相比熵值、焓值變化不大，這就使燃燒的有效火用有所增加，所以在柴油機(jī)火用效率不變的情況下，燃燒火用損有了較大幅度的減少。熱平衡分析中，熱效率有所上升，由38.14%變?yōu)?8.21%，同時(shí)因?yàn)槿加拖牧康脑黾?，排放流量也相?yīng)上升，致使排氣帶走的熱量有所增加，由26.01%變?yōu)?6.08%，增幅很小。

表6 燃燒0號(hào)柴油和乙醇柴油主機(jī)各部分熱量分布對(duì)比

表7 燃燒0號(hào)柴油和乙醇柴油主機(jī)各部分火用分布對(duì)比

2．2 主機(jī)更換燃燒乙醇柴油后減排算例

燃油消耗量232.1 kg/h，以平均每天運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間為3.5 h計(jì)算，年航行300 d，則年耗油量為243.71 t;采用乙醇柴油后，油耗量會(huì)上升3.456%，計(jì)為240.12 kg/h。年耗油量為252.13 t。

混合燃料中的碳為82.62%，而0號(hào)柴油為86%，根據(jù)化學(xué)式(3)，碳和二氧化碳質(zhì)量比為3∶11。

混合燃料的硫?yàn)?.153%，而0號(hào)柴油為0.17%，根據(jù)化學(xué)式(4)，硫和二氧化硫質(zhì)量比為1∶2。

采用乙醇柴油后，其年排放減少量見(jiàn)表8。雖然燃料消耗量會(huì)有所升高，但是柴油機(jī)的排放仍然有了較大幅度的改善。

表8 主機(jī)更換乙醇柴油排放對(duì)比t

3 結(jié)論

1)在熱平衡分析中，排氣熱量占廢熱的40.16%，冷卻水帶走的熱量占29.11%。而在火用分析中，排氣火用占火用損失的30.58%，冷卻水帶走的火用占16.62%，通過(guò)熱平衡分析和火用分析可以看出這兩部分可利用余熱很多，是船舶節(jié)能的潛力所在。

2)采用乙醇柴油后，雖然為保證船舶柴油機(jī)的實(shí)際動(dòng)力不變(即火用效率不變)，乙醇柴油的消耗量比原燃料多了3.456%，但船舶柴油機(jī)的熱效率略有提高，而船舶柴油機(jī)排放中主要污染物則大幅減少。算例中船舶柴油機(jī)可以每年分別減排二氧化碳和二氧化硫4.69 t和0.057 t。可見(jiàn)，在柴油中摻燃乙醇是船舶柴油機(jī)減排的一條有效途徑。

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Thermodynamic Analysis and Emission Calculation of Diesel Engine Using Ethanol Diesel-oil Alternative Fuel

GAO Hong-tao，HE Ming-yue
(Marine Engineering College，Dalian Maritime University，Dalian Lioaning116026，China)

The thermal balance analysis and exergic analysis of the diesel engine for the 30 m class patrol boats are performed to investigate the loss distribution of heat and exergy for every part of the diesel engine.For the ethanol diesel-oil alternative fuel，the thermal balance and exergic analysis of the diesel engine are carried out also.The results illustrate that，after using ethanol diesel alternative fuel，at the same time keeping fuel exergic and useful work as a constant，the fuel consumption increased 3.456%.However，thermal efficiency slightly increases and the carbon dioxide of diesel engine emission is greatly reduced

diesel engine;thermal balance analysis;exergic analysis;ethanol diesel-oil alternative fuel

U677

A

1671-7953(2015)02-0111-04

10.3963/j.issn.1671-7953.2015.02.029

2014-08-28

修回日期:2014-12-19

國(guó)家海事局科技項(xiàng)目(2012-27)

高洪濤(1966-)，男，博士，教授

研究方向:空調(diào)制冷、傳熱傳質(zhì)、節(jié)能技術(shù)及可持續(xù)能源利用

E-mail:gaohongtao@dlmu.edu.cn