羅坤,李耀庭,黃勇成,張加挺,楊尚升,王紀元

(西安交通大學能源與動力工程學院,710049,西安)

生物油是一種可由農(nóng)林廢棄物等生物質通過快速熱解液化得到的生物燃料。與石化柴油相比,生物油通常存在著黏度高、酸性強、熱值低和著火性能差等缺點,不宜直接用于柴油機[1]。盡管如此,生物油在能源可持續(xù)性和環(huán)境友好性等諸多方面相較于傳統(tǒng)化石燃料具有明顯的優(yōu)勢[2]。因此,生物油被認為是極具潛力的車用燃料替代物,從而吸引了大量國內外學者研究其在內燃機中的應用途徑[3-5]。研究結果表明,通過往生物油中加入十六烷值改進劑,可改善著火性能,基本實現(xiàn)在柴油機中燃用生物油。然而,直接燃用生物油會導致噴油嘴結焦堵塞和供油管路腐蝕等現(xiàn)象,這主要是由于生物油本身含氧量高、酸性強等特性導致的[6]。因此,在不對發(fā)動機作大幅改動的前提下,為了將生物油用于直噴式柴油機,有必要對其進行精制提質處理。

近幾十年來,催化加氫、催化裂解、蒸汽重整和乳化等精制提質技術都被提出用作提質生物油[7-12]。然而,大部分技術都不宜用作制備發(fā)動機代用燃料[13-14],溶劑萃取法是一種簡便有效的生物油提質方法。Garcia等通過將生物柴油與生物油混合,將生物油中的優(yōu)質燃料組分提取至生物柴油中[15]。萃取結束后,混合燃料逐漸分為兩層:上層是富生物柴油層(亦稱作萃取液),下層是富生物油層(亦稱作萃余液)。Jiang等提出加入正辛醇作為助溶劑提高生物柴油萃取生物油的效率,并對萃取后上下兩層液體的燃料物性分別進行測量[16],結果表明,上層萃取液,即富生物柴油層燃料的燃料物性較優(yōu),其密度、黏度、含氧量和酸值顯著低于生物油,具備作為車用替代燃料的潛力。Abdullah等通過對萃取液和萃余液的多元化利用,提高整個制備流程的能源利用效率,并進一步在澳大利亞推廣這一技術[17]。

盡管上述研究已充分指出了生物柴油萃取生物油的上層萃取液作為車用替代燃料的潛力,但其在內燃機上的實際應用還未經(jīng)研究。因此,本文旨在通過對生物油/生物柴油萃取液的燃料物性及其在柴油機中的燃燒與排放特性進行研究,以期探尋一種新的生物油在柴油機中的應用方式。

1 燃料的制備

本文使用生物柴油提取生物油中的可溶性輕質組分,并分離得到上層萃取液。試驗用生物油來自稻殼生物質的快速熱解,由中國科學技術大學提供[18]。生物柴油由大豆油通過酯化反應制得,由西安藍天生物制劑公司提供。具體制備方法如下:①以1∶1的比例配置生物油和生物柴油,并配置質量分數(shù)為5%的正辛醇作為助萃劑;②在30 ℃下將燃料和助萃劑混合,以1 500 r/min的攪拌強度將混合燃料攪拌混合20 min;③將混合燃料靜置24 h,待其產(chǎn)生明顯的分層現(xiàn)象后,將上層萃取相液體和下層萃余相液體分離。生物柴油萃取生物油前后液體分層對比如圖1所示,分離得到的上層萃取相液體被單獨儲存用作后續(xù)測試。

圖1 生物油萃取生物柴油前后的燃料分層對比

2 試驗設備及裝置

2.1 熱重分析和紅外光譜分析

為了確定在萃取過程中,生物油中的何種組分被提取至生物柴油,本文對生物油、生物柴油和上層萃取液3組試樣進行了熱重分析和紅外光譜分析。熱重分析采用TGA/SDTA851型熱重分析儀,實驗中各試樣的質量為(10.0±0.1)mg,升溫速率為10 ℃/min。紅外光譜分析采用日本島津公司生產(chǎn)的IRPrestige-21型傅里葉變換紅外光譜儀。

2.2 燃料物性測量

為了進一步證實上層萃取液作為發(fā)動機代用燃料的潛力,本文對在不同溫度下主要的燃料物性進行了測試。利用SY-05型石油比重計按照國標GB/T 1884—2000測量密度,利用SYD-265D-I型石油產(chǎn)品運動黏度測定器根據(jù)國標GB/T 10247—2008測量運動黏度,利用K100C型全自動表面/界面張力儀按照國標GB/T 22237—2008測量表面張力。為提高測量精度,測量過程重復至少3遍,最終結果取多次測量結果的平均值。

2.3 發(fā)動機臺架實驗

圖2 發(fā)動機測試臺架示意圖

本文對上述3組試樣在某臺未經(jīng)改裝的TY1100型立式、單缸、強制水冷、四沖程直噴式柴油機上的燃燒和排放性能進行對比測試。試驗臺架的主要測試配置如圖2所示,發(fā)動機主要參數(shù)如表1所示。實驗轉速為1 600 r/min,使用雙扭線流量計和重力式燃油流量計測量空氣和燃油流量。使用Kistler公司的6125A型壓電傳感器測量缸內壓力,并用5015A型電荷放大器放大,使用Yokogawa公司的DL750型示波器記錄曲軸轉角和針閥升程信號。采用Horiba排放分析儀測量發(fā)動機的尾氣排放,其中使用MEXA-720型氧化鋯陶瓷傳感器測量氮氧化物濃度,使用MEXA-554型非分散紅外分析儀測量未燃碳氫化合物、一氧化碳和二氧化碳的濃度,使用AVL DiSmoke 4000型不透光煙度計測量碳煙排放。測試設備的測量精度和誤差如表2所示,可知所有測試設備的誤差均保持在5%以內。

表1 發(fā)動機的主要參數(shù)

表2 相關測試設備的測量精度和誤差

3 結果和討論

3.1 熱重和紅外光譜分析

生物油、生物柴油和萃取液的熱重(TG)和微商熱重(DTG)曲線如圖3所示,熱重分析結果如表3所示。由圖3可知,生物油最先進入蒸發(fā)質量損失階段,初始質量損失速率高于萃取液和生物柴油,但后期質量損失速率較低。與生物柴油相比,萃取液先進入蒸發(fā)質量損失階段,質量損失速率在到達峰值前較高,但質量損失速率峰值略低,達到最大質量損失時的溫度較低。由表3可知,萃取液的初始蒸發(fā)溫度Ti(即TG曲線開始偏離基線的溫度)和最大質量損失溫度Td(即TG曲線達到最大質量損失時的溫度)均小于生物柴油,說明生物油中易于蒸發(fā)的組分被萃取到萃取液中,使得萃取液的蒸發(fā)過程相較于生物柴油提前。生物柴油和萃取液的熱重曲線中,最小剩余質量百分數(shù)分別為8.5%和9.7%,萃取液的最小剩余質量略高于生物柴油,說明萃取過程中,生物油中少量不易蒸發(fā)的大分子化合物也被萃取到萃取液中。生物油的最小剩余質量百分數(shù)為13.5%,遠高于生物柴油和萃取液,說明難以蒸發(fā)的組分被萃取量較小,生物油中易揮發(fā)的輕組分和少量的大分子化合物被提取至生物柴油中。

(a)熱重曲線

(b)微商熱重曲線圖3 柴油、生物柴油和萃取液的熱重及微商熱重曲線

表3 柴油、生物柴油和萃取液的熱重分析

圖4 生物油的紅外光譜圖

圖5 生物柴油萃取前后的紅外光譜圖

3.2 燃料物性

生物柴油和萃取液兩種燃料的密度、黏度和表面張力隨溫度的變化如圖6所示。由圖6可知,萃取液與生物柴油的3種物性在數(shù)值上均比較接近,且具有相同的變化趨勢。這兩種燃料的密度、黏度和表面張力都隨溫度升高而降低。當溫度一定時,萃取液的密度比生物柴油略高,黏度和表面張力明顯低于生物柴油,與文獻[16]關于生物油、生物柴油萃取液與生物柴油常溫下物性的分析結論相同,這是由生物油中醇、醚等物質被提取至生物柴油中所致。萃取液的黏度和表面張力低于生物柴油,說明萃取液作為發(fā)動機替代燃料時,與生物柴油相比,燃油霧化和蒸發(fā)特性有所提升。

30 ℃下生物油、生物柴油和萃取液的物性對比如表4所示。由表4可知,萃取液的密度、黏度和表面張力遠小于生物油,說明萃取液的物性明顯優(yōu)于生物油。

(a)密度

(b)黏度

(c)表面張力圖6 生物柴油和萃取液的物性隨溫度的變化

表4 30 ℃下生物油、生物柴油和萃取液的物性對比

柴油、生物油、生物柴油和萃取液的熱值分別為43.3、15.6、42.1、38.3 MJ·kg-1,生物柴油和萃取液的熱值均低于柴油,但高于生物油,萃取液的熱值略小于生物柴油,這主要是由于從生物油中提取出的醇類和醚類物質的熱值較低。

3.3 發(fā)動機燃燒和排放性能

3.3.1 燃燒特性分析 發(fā)動機在轉速為1 600 r/min、平均有效壓力為0.42 MPa的工況下,分別燃用生物柴油和萃取液的缸內壓力、壓力升高率和瞬時放熱率隨曲軸轉角的變化如圖7所示,可知萃取液的燃燒始點和燃燒相位比生物柴油晚。

(a)缸內壓力及壓力升高率

(b)瞬時放熱率圖7 平均有效壓力為0.42 MPa時燃用生物柴油和萃取液時的缸內壓力、壓力升高率和瞬時放熱率對比

圖8 燃用生物柴油和萃取液時發(fā)動機滯燃期的對比

發(fā)動機轉速為1 600 r/min時,不同負荷下生物柴油和萃取液滯燃期的對比如圖8所示,可知在相同工況下萃取液的滯燃期比生物柴油長,滯燃期包括物理滯燃期和化學滯燃期[22]。萃取液較高的密度降低其可壓縮性,在相同的供油下,萃取液相較于生物柴油更早噴射到氣缸中。此外,萃取液的蒸發(fā)速度比生物柴油快,且由于汽化潛熱較大其蒸發(fā)過程會吸收大量的熱量。因此,萃取液在點火前的缸內壓力和溫度較低,導致物理滯燃期較長。萃取液中十六烷值較低的組分醇類、酮類等,導致萃取液的化學滯燃期較長。

發(fā)動機轉速為1 600 r/min時,不同負荷下生物柴油和萃取液的預混燃燒期及燃燒持續(xù)期的對比如圖9所示。由圖9可知,在相同工況下,萃取液的預混燃燒期比生物柴油長,萃取液的燃燒持續(xù)期比生物柴油短。這主要歸因于兩個因素:萃取液具有較長的滯燃期,這使得著火前氣缸中形成更多混合氣;萃取液具有較低的黏度和表面張力,且蒸發(fā)過程相較于生物柴油提前,這有利于燃油的霧化和蒸發(fā)。在這兩個因素的作用下,相較于生物柴油,萃取液在著火前形成的可燃混合氣更多,因而具有較長的預混燃燒期。由燃料物性分析結果可知,萃取液的霧化性能和燃油蒸發(fā)性能均優(yōu)于生物柴油,促進了燃油與空氣的混合,加快了燃燒過程,從而縮短了燃燒持續(xù)期。

圖9 燃用生物柴油和萃取液時發(fā)動機的預混燃燒期及燃燒持續(xù)期的對比

3.3.2 燃料經(jīng)濟性分析 發(fā)動機轉速為1 600 r/min時,不同負荷下發(fā)動機燃用生物柴油和萃取液的有效熱效率及有效燃油消耗率如圖10所示。由圖10可知,相較于生物柴油,萃取液的有效熱效率略低了1.3%,有效燃油消耗率增加了4.6%。

(a)有效熱效率

(b)有效燃油消耗率圖10 燃用生物柴油和萃取液時發(fā)動機的經(jīng)濟特性對比

發(fā)動機的有效熱效率主要取決于指示熱效率和機械效率。由燃燒特性分析結果可知:燃用萃取液改善了整個燃燒過程,使得萃取液的指示熱效率增加;萃取液較高的缸內壓力峰值和壓力升高率峰值,使得發(fā)動機工作較為粗暴,降低了發(fā)動機的機械效率[23]。在這兩個因素的相互作用下,兩種燃料的有效熱效率接近。有效燃油消耗率的計算公式為

式中:be為有效燃油消耗率,g·(kW·h)-1;Hu為燃料的低位熱值,MJ·kg-1;ηet為有效熱效率。

萃取液的熱值比生物柴油低9.1%,同時相較于生物柴油,萃取液的有效熱效率降低了1.3%。萃取液的有效燃油消耗率高于生物柴油,增加了4.6%。

3.3.3 排放特性分析 發(fā)動機燃用生物柴油和萃取液時常規(guī)排放物HC、CO、NOx和碳煙排放的對比如圖11所示。由圖11可知,相較于生物柴油,萃取液的常規(guī)排放明顯降低,HC、CO、NOx和碳煙排放分別降低了20.3%、37.8%、8.7%和14.8%。

與生物柴油相比,萃取液的黏度和表面張力有所降低,因而其噴霧霧化性能和燃油蒸發(fā)性能均優(yōu)于生物柴油。這促進了燃油與空氣的混合,使缸內混合氣形成更均勻,改善了局部缺氧,最終導致HC、CO和碳煙排放較低。

(a)HC排放量

(b)CO排放量

(c)NOx排放量

(d)碳煙排放量圖11 燃用生物柴油和萃取液時發(fā)動機的排放特性對比

柴油機中氮氧化物的生成主要取決于缸內燃燒溫度、氧含量和高溫持續(xù)時間。由于萃取液含有生物油中熱值低、汽化潛熱高的物質,缸內局部燃燒溫度得以降低,萃取液的燃燒持續(xù)期較短,相應的高溫持續(xù)時間較短。因此,發(fā)動機燃用萃取液時的氮氧化物排放有所減少。

4 結 論

本文對通過生物柴油萃取生物油得到的上層萃取液燃料物性和發(fā)動機燃燒排放特性進行研究,得到如下主要結論。

(1)由于在萃取過程中,生物油中的醇類、醚類和烴類物質被提取到生物柴油中,使得萃取液較生物柴油的黏度和表面張力下降,且燃油噴霧的物化和蒸發(fā)性能有所提升。

(2)與生物柴油相比,萃取液的滯燃期較長,燃燒始點和燃燒相位推遲。燃燒放熱率峰值升高,預混燃燒時間增長,而燃燒持續(xù)期縮短。

(3)與生物柴油相比,萃取液的燃油經(jīng)濟性稍差,但常規(guī)排放明顯降低,HC、CO、NOx和碳煙排放分別降低了20.3%、37.8%、8.7%和14.8%。

(4)生物油、生物柴油萃取液的物性及其發(fā)動機性能接近甚至優(yōu)于生物柴油,生物柴油萃取生物油的方法是實現(xiàn)生物油在柴油機上應用的較好選擇。