生物柴油的燃烧特性

   日期:2018-07-23    

生物柴油的燃烧特性是指生物柴油燃烧过程中排放气体的状况,以及这些排放物对环境造成的污染程度。从生物柴油的理化性质来看,生物柴油对生态环境是友好的。生物柴油的碳链一般在14~18个碳,具有较高的沸点或闪点,有利于安全地储存、运输和使用;生物柴油分子中所含的双键数目少,分子中含氧量较高,含碳支链数目少或没有,这使得生物柴油有较好的燃烧特性,燃烧比较完全。烟尘颗粒、SOx、CO、HC以及 NOx是目前大气中主要的污染物,其来源比例如下表所示: 

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矿物燃料燃烧过程中产生的主要污染物是烟尘颗粒、SOx、CO、HC以及NOx等。与矿物燃料相比,生物柴油的燃烧尾气中除了NOx的浓度稍有升高外,烟尘颗粒、SOx、CO、HC的排放均有明显的下降。此外,生物柴油中不含芳香烃,燃烧后不会产生芳香烃和PAH。而且,生物柴油还具有无毒、可生物降解等优点。生物柴油对环境友好主要是指生物柴油有利于缓解温室效应、有利于酸雨的控制、有助于TPM的控制、具有生物可降解性、有助于光化学烟雾的控制等。

(一)CO的排放特性

分别对2200r/min和1600r/min时燃料的CO排放情况试验可知,在低负荷时,对比燃料的CO排放浓度相差不明显,但在高负荷时燃烧生物柴油的CO排放浓度大大降低,根据CO形成的机理知道,这主要是由于以下两方面的作用:第一,生物柴油是含氧燃料,含氧量达10%,所以它对燃油完全燃烧,特别是在高负荷时有利;第二,生物柴油的十六烷值比柴油高,十六烷值是柴油着火性质的量度,十六烷值高,其燃油的着火燃烧性能好,有利于柴油机起动。研究结果表明,十六烷值每提高10个单位,则在冷起动、热起动和其他工况,CO排放分别减少了0.496g/(kW·h)、0.590g/(kW·h)和0.576g/(kW·h)。

(二)HC的排放

分别对2200r/min和1600r/min时燃料的HC排放试验可知,燃烧生物柴油时,HC排放浓度比普通柴油低。这主要因为生物柴油芳香烃含量很少,十六烷值较高。一般来说芳香烃含量越少,则其滞燃期越短,HC排放越低;另外,十六烷值较高时,燃油着火性能好,滞燃期短,其未燃碳氢和裂解碳氢均少。生物柴油含氧也有利于减少HC排放。因此,生物柴油由于芳香烃含量少、十六烷值高、含氧,使得其在柴油机中燃烧时 HC排放相对降低。同样,当生物柴油和柴油混合使用时,HC排放随生物柴油在混合燃料中的百分比增加成线性关系下降。

(三)NOx 的排放

分别对2200r/min和1600r/min时燃料的NOx 排放试验可知,对比燃料的NOx 排放在低负荷时基本一致,在高负荷时浓度略有不同;在2200r/min高负荷时,生物柴油的 NOx排放浓度比普通柴油有所升高,但在1600r/min高负荷时,NOx 排放浓度比普通柴油反而降低;对比燃料的各工况NOx 加权比排放量变化不明显。生物柴油是含氧燃料,氧原子在燃料燃烧过程中起到了助燃作用,在柴油机结构不改变的情况下,燃烧时的富氧增加了 NOx 排放。根据国外的报道,生物柴油的NOx 排放应该比柴油高8.89%。本试验中的 NOx所以没有多大变化,可能是因为所用生物柴油在制取过程中过量的乙醇没有完全清洗干净造成的。醇在发动机中燃烧可以使 NOx降低。综合两方面考虑,这个结果是合理的。

(四)炭烟的排放

根据燃用不同燃油在全负荷工况下的排气可见污染物和NOx在1200r/min工况下的排放量可知,燃烧生物柴油的排气可见污染物明显降低,最大降低幅度达80%,高速段可见污染物降低幅度较大,因为实验柴油机转速在1800r/min以下排气可见污染物相对较低,所以其可见污染物降低效果不明显,推迟喷油提前角后排气可见污染物稍有增加,无论燃烧生物柴油还是燃烧普通柴油,喷油提前角推迟3°CA后,排气可见污染物的增加幅度都在3%以内。

(五)工况法排放实验

北京理工大学通过研究柴油机燃烧生物柴油,排气污染物随发动机转速和负荷的变化规律,得到的基本结论是:生物柴油能明显降低柴油机的排气可见污染物、CO和 HC的排放量。为综合考虑生物柴油对柴油机排放的影响,在发动机实验台上,按 “压燃式发动机和装用压燃式发动机的车辆排气污染物排放限值及测试方法(GB17691—2001)”进行了排气污染物测量实验 (实验用4102增压柴油机的最大净功率为73.5kW,燃烧普通柴油能够满足欧-Ⅰ排放法规的要求)可知,燃烧生物柴油,在柴油机喷油提前角保持不变时,CO下降14.7%,HC下降37.3%,PT下降38.0%,NOx 升高8.0%。喷油提前角推迟3°CA后,CO下降18.4%,HC下降31.4%,PT下降23.8%,NOx 下降0.1%。由此可见,在对柴油机喷油提前角进行适当调整后,燃烧生物柴油能同时降低柴油机的各种有害污染物的排放量。

江苏大学对生物柴油的燃烧特性也做了工况法排放实验, 纯生物柴油的碳烟排放比纯柴油降低了近50%。这主要有两方面的原因:第一,生物柴油中含芳香烃的量比较少。一般芳香烃含量越高的油,其烟度越大,而烷烃含量越多的油,其烟度越小,因为芳香烃的碳氢质量比 (C/H)远大于烷烃,故纯生物柴油的碳烟排放比纯柴油低;第二,生物柴油是含氧燃料(含氧量达10%),氧原子在燃料燃烧过程中起到了助燃作用,特别是在喷雾核心等燃料浓度高的区域,燃料含氧后,减少了燃料的缺氧燃烧,使燃料能够比较完全地燃烧,从而降低了碳烟排放。同样,碳烟排放随生物柴油在混合燃料中的比例增加成线性关系下降。生物柴油比普通柴油在各工况下CO的加权比排放量降低了29%。CO排放随生物柴油在混合燃料中的比例增加成线性关系减少。这说明使用柴油和生物柴油混合燃料时不会改变它们各自的排放性质,因此可以将生物柴油和柴油以任意比例混合使用。生物柴油的 HC排放比普通柴油降低了24.98%。此外,据Bagley等的研究,使用生物柴油可以使机动车尾气中排放的芳香烃类物质比矿物柴油减少96%左右。尾气中有毒有机物排放量仅为1/10,有检测表明,使用生物柴油可降低90%的空气毒性,降低了94%的患癌率。
 

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