麻 劍，謝 陽，羅麒元，許滄粟

（浙江大學(xué) 動(dòng)力機(jī)械及車輛工程研究所，浙江 杭州310027）

我國擁有大量以纖維素、半纖維素及木質(zhì)素等為主要成分的農(nóng)林業(yè)廢棄物［1］，這些生物質(zhì)大多以燃料形式直接燃燒，不僅熱效率低造成浪費(fèi)，而且田間焚燒秸稈等產(chǎn)生的濃煙會(huì)對大氣環(huán)境造成嚴(yán)重污染［2］.

快速熱裂解技術(shù)能夠?qū)⑸镔|(zhì)轉(zhuǎn)化為高品位、方便儲(chǔ)運(yùn)和使用的液體燃料，具有廣闊的應(yīng)用前景，通過加工改性的精制生物質(zhì)熱裂解油可以作為汽柴油的代用燃料以緩解石油短缺的危機(jī)［3-4］.世界各國已對100 多種農(nóng)林業(yè)廢棄物，如玉米秸稈、紅橡木屑、桉樹皮等進(jìn)行了熱裂解實(shí)驗(yàn)與生物油的生產(chǎn)，加拿大Dynamotive公司的流化床反應(yīng)器更已擁有8 000kg／h的生物油生產(chǎn)能力［5］.國內(nèi)，浙江大學(xué)率先引進(jìn)流化床熱裂解工藝并首次使用分子蒸餾技術(shù)實(shí)現(xiàn)生物油的高效分離，中國科技大學(xué)于2007年通過產(chǎn)學(xué)研合作在合肥建成了國內(nèi)第一套生物質(zhì)熱裂解產(chǎn)業(yè)化示范裝置等［6-7］.我國生物質(zhì)快速熱裂解技術(shù)經(jīng)過近20年的發(fā)展，生物質(zhì)熱裂解油的制取與品位提升技術(shù)日趨成熟［8］，相對而言，精制生物質(zhì)熱裂解油在動(dòng)力機(jī)械上的應(yīng)用研究仍很欠缺.

本文基于精制生物質(zhì)熱裂解油摻混0＃柴油獲得的混合燃料，利用燃燒分析儀、FTIR 紅外光譜分析儀等設(shè)備，在一臺(tái)四缸柴油機(jī)上進(jìn)行了性能試驗(yàn)研究，分析內(nèi)容包括發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性能、經(jīng)濟(jì)性能及各項(xiàng)排放性能.

1 試驗(yàn)方法與裝置

1.1 試驗(yàn)用燃料

由于目前精制生物質(zhì)熱裂解油中微量成分很復(fù)雜，對燃燒的影響機(jī)理有待進(jìn)一步研究.試驗(yàn)用的精制生物質(zhì)熱裂解油是根據(jù)其主要成分（不考慮質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%以下的成分）的比例由分析純的單質(zhì)配制的模型油，模型油中各成分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)如表1所示.在0＃柴油中摻混上述模型油制備試驗(yàn)用的混合燃料，其中，模型油體積分?jǐn)?shù)為10%、20%的混合燃料分別簡稱為B10、B20，純柴油簡稱B0.混合燃料配制完成后在常溫下靜置24h未出現(xiàn)分層現(xiàn)象.柴油與模型油的部分理化特性對比如表2所示.

表1 模型油中各成分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)Tab.1 Compositions of simulated bio-oil

1.2 試驗(yàn)用發(fā)動(dòng)機(jī)與測試裝置

試驗(yàn)用機(jī)為新柴490B 柴油機(jī)，該型柴油機(jī)的技術(shù)性能參數(shù)如表3所示.柴油機(jī)控制與動(dòng)力性能、經(jīng)濟(jì)性能測試裝置包括GW160型電渦流測功機(jī)、普聯(lián)FC2000發(fā)動(dòng)機(jī)測控系統(tǒng)、DEWETRON 燃燒分析系統(tǒng)（配套的Kistler曲軸信號傳感器與缸壓傳感器的測量誤差分別在±0.01°與±0.03 MPa內(nèi)）等，排放測試裝置包括NHT-6型不透光度計(jì)（示值誤差為±2%）、AVL SESAM FTIR 紅外光譜多組分分析儀（相對誤差＜1%）等.

表2 0＃柴油與模型油的部分理化特性Tab.2 Properties of simulated bio-oil and 0＃diesel fuel

表3 新柴490B型柴油機(jī)主要技術(shù)性能參數(shù)Tab.3 Main technical parameters of XinChai490B diesel engine

在不改變柴油機(jī)參數(shù)的情況下，試驗(yàn)工況包括發(fā)動(dòng)機(jī)外特性與2 000r／min（最大扭矩轉(zhuǎn)速）處的負(fù)荷特性，負(fù)荷比分別為10%、25%、50%、75%、100%.試驗(yàn)過程控制柴油機(jī)冷卻水溫度、機(jī)油溫度為75～85 ℃和85～92 ℃.通過試驗(yàn)記錄3種燃料的動(dòng)力性能、經(jīng)濟(jì)性能及各項(xiàng)排放性能等數(shù)據(jù).

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析

2.1 動(dòng)力性

如圖1所示為3種燃料外特性下有效功率Pe隨轉(zhuǎn)速n的變化曲線對比.從圖1可見，混合燃料的功率隨轉(zhuǎn)速的變化趨勢與純柴油相同，但相同轉(zhuǎn)速下B10、B20的功率相對純柴油有一定下降，下降幅度分別達(dá)到3%、7%左右，主要原因在于模型油的低熱值比柴油小很多.

圖1 3種燃料外特性下的功率對比Fig.1 Engine power performance for test fuels at full-load

如圖2（a）所示為2 000r／min處25%負(fù)荷比的示功圖.圖中，φ 為曲軸轉(zhuǎn)角，p 為缸內(nèi)壓力.從圖2可以看出，B10、B20的急燃期始點(diǎn)相對B0 分別延遲約1°、3°，缸內(nèi)最大壓力相對B0分別下降約2%、10%.急燃期的最大壓力升高率B0、B10與B20分別為0.29、0.31、0.23 MPa／（°）.

如圖2（b）所示為100%負(fù)荷比時(shí)，B10的急燃期始點(diǎn)與B0 相當(dāng)，而B20 相對延遲2°左右，B10、B20 的缸內(nèi)最大壓力相對B0 分別上升2.5%、8.5%左右.急燃期的最大壓力升高率B0、B10 與B20分別為0.61、0.7、0.83 MPa／（°）.

圖2 3種燃料2 000r／min處的示功圖Fig.2 Indicator diagram for test fuels at 2 000r／min

模型油的汽化溫度低、汽化潛熱高，導(dǎo)致燃燒過程缸內(nèi)溫度較低，延長了混合燃料的滯燃期.此時(shí)，混合燃料缸內(nèi)預(yù)混燃燒的比例增加，模型油的燃燒速度較快，綜合作用下，在中高負(fù)荷工況中，燃用混合燃料時(shí)的缸內(nèi)最高壓力及最高壓力升高率相對燃用純柴油時(shí)上升明顯.

2.2 經(jīng)濟(jì)性

由于模型油的低熱值比柴油小很多，為了探究模型油對柴油機(jī)有效熱效率的影響，將混合燃料的油耗率折算成能量等值的柴油消耗率的當(dāng)量油耗率bBSEC，分析3種燃料在外特性及2 000r／min處負(fù)荷特性下的經(jīng)濟(jì)性表現(xiàn)，如圖3所示.

混合燃料當(dāng)量油耗率的計(jì)算公式［9］如下：

式中：bBSFC為質(zhì)量油耗率，ρSD 為混合燃料的密度，VS、VD分別為模型油與柴油所占混合燃料的體積比，HVS、HVD為模型油與柴油的體積低熱值，HMD為柴油的質(zhì)量低熱值.

在總體變化規(guī)律相似的情況下，摻混模型油的混合燃料在高負(fù)荷工況中的燃燒效率高于純柴油.原因在于混合燃料的滯燃期長，增加了預(yù)混燃燒的比例，并且模型油自含氧、燃燒速度快的特點(diǎn)改善了擴(kuò)散燃燒過程的放熱速率.在低負(fù)荷工況中，缸內(nèi)溫度受模型油的汽化影響較大，B20的當(dāng)量油耗率上升明顯.

圖3 3種燃料的當(dāng)量油耗率對比Fig.3 Brake specific energy consumption for three test fuels

2.3 排放

本試驗(yàn)采用的傅氏變換紅外光譜多組分分析儀（FTIR 測試儀）具有很高的分辨率與靈敏度，可以同時(shí)對柴油機(jī)尾氣中的多個(gè)組分進(jìn)行快速測試，非常適合發(fā)動(dòng)機(jī)排氣中低濃度的非常規(guī)排放分析［10］.

2.3.1 煙度排放 如圖4所示為3種燃料外特性下柴油機(jī)尾氣不透光度N 的對比情況.可以看出，3種燃料在不同轉(zhuǎn)速工況中的煙度排放無一致規(guī)律，但總體水平相差不大.對比B10、B20可以看出，模型油摻混比例高的混合燃料不透光度有所下降，B20相對B10的降幅達(dá)到10%左右.模型油一方面作為含氧燃料，能夠降低煙度排放；另一方面因汽化潛熱大，缸內(nèi)平均溫度較低等特點(diǎn)，顆粒物燃燒不充分，煙度排放增加.這些因素的綜合作用導(dǎo)致混合燃料煙度排放規(guī)律與柴油煙度排放規(guī)律難以直接對比，尚須更多的研究.

圖4 3種燃料外特性下的不透光度對比Fig.4 Smoke opacity for three test fuels at full-load

2.3.2 CO 排放 如圖5所示為外特性（以FL 表示）和2 000r／min處負(fù)荷特性（以PL表示）下柴油機(jī)CO 排放隨有效功率Pe的變化曲線.可以看出，B10、B20在高負(fù)荷工況中CO 排放明顯低于B0，部分轉(zhuǎn)速處CO 排放只有B0 的50%左右.這是因?yàn)槟Ｐ陀途哂泻?、黏度低、霧化好等特點(diǎn)，且混合燃料的滯燃期較長，缸內(nèi)預(yù)混相對充分，使得混合燃料在負(fù)荷較高時(shí)相對純柴油燃燒更完全.在低負(fù)荷工況中，缸內(nèi)溫度受模型油的影響較大，B10、B20 的CO 排放質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加.

圖5 3種燃料CO 排放對比Fig.5 Engine CO emissions for three test fuels

圖6 3種燃料NOx 排放對比Fig.6 Engine NOxemissions for three test fuels

圖7 3種燃料排放NO／NOx對比Fig.7 NO／NOxratio for three test fuels

2.3.3 NOx排放 從圖6 可以看出，外特性下高轉(zhuǎn)速工況中B10、B20 的NOx排放質(zhì)量分?jǐn)?shù)比B0略低或與B0持平，而在低轉(zhuǎn)速時(shí)比B0高.結(jié)合圖7中3種燃料NO 排放占NOx排放的比例可以看出，由于外特性工況中過量空氣系數(shù)相對較小，模型油汽化吸熱降低缸內(nèi)溫度的特點(diǎn)導(dǎo)致在循環(huán)供油量最大的外特性下3 000r／min工況中B0的NOx排放質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于B10、B20，而自身含氧、延長混合燃料滯燃期使缸內(nèi)混合充分等特點(diǎn)則導(dǎo)致較低轉(zhuǎn)速工況中B10、B20的NOx排放質(zhì)量分?jǐn)?shù)上升.可以看出，外特性下NO 排放占NOx排放的比例隨轉(zhuǎn)速的不同而略有變化，但都在95%左右.

如圖6、7所示，在2 000r／min處負(fù)荷特性下，負(fù)荷比小的工況中B10和B20的NOx排放質(zhì)量分?jǐn)?shù)明顯優(yōu)于純柴油，只有純柴油的70%～75%.可見，此時(shí)缸內(nèi)溫度的影響對NOx生成的作用占主導(dǎo)地位.同時(shí)，3種燃料NO 排放占NOx排放的比例隨負(fù)荷比變化的規(guī)律有差異，負(fù)荷比大于10%的試驗(yàn)中，B10的值最高.

2.3.4 其他非常規(guī)排放 甲醛的生成主要來自未燃HC的部分氧化，生成區(qū)域包括缸內(nèi)與排氣管道中.從圖8可以看出，負(fù)荷比較高的工況中B0的甲醛排放明顯高于B10、B20，這是因?yàn)榇藭r(shí)缸內(nèi)溫度總體較高，而摻混模型油的混合燃料由于缸內(nèi)燃料預(yù)混較好且急燃期反應(yīng)速度快，缸內(nèi)溫度比燃用純柴油時(shí)高，甲醛生成較少.B0 與B10、B20 在2 000 r／min處負(fù)荷特性下的甲醛排放規(guī)律不同：混合燃料在負(fù)荷較低時(shí)因缸內(nèi)溫度下降導(dǎo)致甲醛排放增加，整體呈現(xiàn)排放量隨負(fù)荷比的增加而逐漸下降的趨勢；純柴油在中等負(fù)荷工況中出現(xiàn)甲醛排放的最低點(diǎn)，這可能是因?yàn)楦哓?fù)荷工況中排氣管溫度較高，且此時(shí)排氣含氧量較低，導(dǎo)致了甲醛排放的上升.

總的來說，HC 排放與燃油霧化及缸內(nèi)溫度有很大關(guān)系.從圖9可以看出，3種燃料的丙烯排放較少，外特性下無明顯規(guī)律，而2 000r／min處負(fù)荷特性下，只在全負(fù)荷時(shí)，B10、B20的丙烯排放質(zhì)量分?jǐn)?shù)相對B0低，其他負(fù)荷比工況中都比B0高.

如圖10 所示為3 種燃料的非甲烷類HC（NMHC）排放對比.可以看出，純柴油在外特性下的NMHC 排放都明顯高于混合燃料，達(dá)到混合燃料的4、5倍.在高負(fù)荷工況中，B10、B20自含氧、滯燃期長且急燃期放熱快等特點(diǎn)使HC 類排放減少，而在低負(fù)荷下，受到缸內(nèi)溫度的影響，混合燃料的丙烯與非甲烷類HC上升明顯；當(dāng)負(fù)荷下降時(shí)，B20的NMHC排放較B10有明顯的增加.

圖8 3種燃料HCHO 排放對比Fig.8 Engine HCHO emissions for three test fuels

圖9 3種燃料C3H6 排放對比Fig.9 Engine C3H6emissions for three test fuels

圖10 3種燃料NMHC排放對比Fig.10 Engine NMHC emissions for three test fuels

3 結(jié) 論

（1）模型油低熱值比0＃柴油小，在不改變柴油機(jī)參數(shù)的情況下，B10和B20外特性下輸出功率相比B0略有下降，但是混合燃料滯燃期延長，高負(fù)荷工況中B10和B20的最大壓力升高率相比B0增加15%以上.

（2）從當(dāng)量油耗率角度分析可知，混合燃料在中高負(fù)荷下經(jīng)濟(jì)性能較純柴油高，外特性試驗(yàn)中B10和B20的當(dāng)量油耗率相比B0平均下降7%左右.在低負(fù)荷工況中，B20缸內(nèi)溫度較低使當(dāng)量油耗率相對B10和B0上升更明顯.

（3）混合燃料自含氧及滯燃期長而燃燒持續(xù)期短等特點(diǎn)使得HC類排放在中高負(fù)荷下較純柴油優(yōu)勢明顯.外特性下NMHC 排放只有純柴油的25%左右，其他不完全燃燒產(chǎn)物，如CO、HCHO，在高負(fù)荷下明顯降低.在煙度排放方面，外特性下B20 的不透光度相對B10的降幅達(dá)到10%左右.

值得一提的是，精制生物質(zhì)熱裂解油在燃燒過程中不額外增加大氣中的CO2，是環(huán)保的低碳燃料.

（

）：

［1］郭秀娟.生物質(zhì)選擇性熱裂解機(jī)理研究［D］.杭州：浙江大學(xué)，2011.GUO Xiu-juan.Mechanism research on the selective pyrolysis behavior of biomass［D］.Hangzhou：Zhejiang University，2011.

［2］曹國良，張小曳，王丹，等.秸稈露天焚燒排放的TSP 等污染物清單［J］.農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2005，24（4）：800-804.CAO Guo-liang，ZHANG Xiao-ye，WANG Dan，et al.Inventory of emission of pollutants from open burning crop residue［J］.Journal of Agro-Environment Science，2005，24（4）：800-804.

［3］LEHTO J，OASMAA A，SOLANTAUSTA Y，et al.Review of fuel oil quality and combustion of fast pyrolysis bio-oils from lignocellulosic biomass ［J］.Applied Energy，2014，116：178-190.

［4］廖艷芬，王樹榮，譚洪，等.生物質(zhì)熱裂解制取液體燃料技術(shù)的發(fā)展［J］.能源工程，2002（2）：1-5.LIAO Yan-fen，WANG Shu-rong，TAN Hong，et al.The development of biomass pyrolysis for liquid fuel［J］.Energy Engineering，2002（2）：1-5.

［5］BRIDGWATER A V.Review of fast pyrolysis of biomass and product upgrading［J］.Biomass and Bioenergy，2012，38：68-94.

［6］王琦，駱仲泱，王樹榮，等.生物質(zhì)快速熱裂解制取高品位液體燃料［J］.浙江大學(xué)學(xué)報(bào)：工學(xué)版，2010，44（5）：988-990.WANG Qi，LUO Zhong-yang，WANG Shu-rong，et al.Products of high-grade liquid fuels by biomass fast pyrolysis［J］.Journal of Zhejiang University：Engineering Science，2010，44（5）：988-990.

［7］朱錫鋒.生物質(zhì)熱解液化技術(shù)研究與發(fā)展趨勢［J］.新能源進(jìn)展，2013，1（1）：32-37.ZHU Xi-feng.Research development of biomass fast pyrolysis［J］.Advances in New and Renewable Energy，2013，1（1）：32-37.

［8］ZHANG L，LIU R H，YIN R Z，et al.Upgrading of bio-oil from biomass fast pyrolysis in China：a review［J］.Renewable and Sustainable Energy Reviews，2013，24：66-72.

［9］LIU S H，SHEN L Z，BI Y H，et al.Effects of altitude and fuel oxygen content on the performance of a high pressure common rail diesel engine ［J］.Fuel，2014，118：243-249.

［10］譚丕強(qiáng)，胡志遠(yuǎn)，樓狄明.生物柴油發(fā)動(dòng)機(jī)非常規(guī)排放的FTIR 檢測［J］.光譜學(xué)與光 譜分析，2012，32（2）：360-363.TAN Pi-qiang，HU Zhi-yuan，LOU Di-ming.FTIR detection of unregulated emissions from a diesel engine with biodiesel fuel［J］.Spectroscopy and Spectral Analysis，2012，32（2）：360-363.