生物柴油對(duì)柴油火焰碳黑生成特性影響的試驗(yàn)研究

戴鈺杰，張韓西子

(1. 中國(guó)船舶工業(yè)系統(tǒng)工程研究院，北京 100094；2. 中國(guó)艦船研究院，北京 100192)

0 引 言

隨著人們對(duì)船用柴油機(jī)排放污染問題的日益重視，使得尋找和應(yīng)用綠色環(huán)保、價(jià)格低廉的柴油替代燃料變得愈發(fā)重要和急迫。生物柴油作為一種可再生能源，是從植物油或動(dòng)物脂肪油中提煉而來，來源廣泛，具有綠色環(huán)保特性[1]。其十六烷值高，含氧量大（約11%），著火性能好，能量密度約為普通柴油的92%～97%[2,3]。將其按一定濃度比例與普通柴油混合使用，對(duì)船用柴油機(jī)幾乎不產(chǎn)生任何影響。這些優(yōu)點(diǎn)使得生物柴油受到越來越多的重視，近些年來發(fā)展速度較快。

我國(guó)很早之前就曾開始生物柴油的研究工作，早年使用的大都為菜籽油、大豆油等，但成果不顯著。近些年來我國(guó)對(duì)生物柴油的研發(fā)工作逐漸重視，不斷有新的環(huán)保政策出臺(tái)以推動(dòng)其發(fā)展。但總體而言，目前我國(guó)在生物柴油研究方面仍處于上升階段，與國(guó)外相比存在較大的發(fā)展差距，未能在該領(lǐng)域內(nèi)形成產(chǎn)業(yè)化，后期發(fā)展前景非常開闊。

當(dāng)前國(guó)內(nèi)外關(guān)于生物柴油的研究工作主要集中在發(fā)動(dòng)機(jī)性能和污染物排放方面[4–7]，對(duì)生物柴油自身的基礎(chǔ)研究涉及很少[8]，尤其是生物柴油火焰內(nèi)部的碳黑濃度分布對(duì)其燃燒機(jī)理的作用還從未進(jìn)行過充分研究。因此，生物柴油在燃燒過程中碳黑濃度呈現(xiàn)哪些特點(diǎn)，該特點(diǎn)又與燃燒機(jī)理之間有著怎樣的聯(lián)系，非常值得深入研究和探討。但目前國(guó)內(nèi)很少有相關(guān)方面的報(bào)道。

基于上述原因，本研究利用1套可產(chǎn)生穩(wěn)定層流火焰的液體燃燒系統(tǒng)搭建了二維消光法（2D-LOSA，Two-dimensional line-of-sight attenuation）試驗(yàn)平臺(tái)，在常壓下對(duì)不同生物柴油-柴油混合燃料火焰進(jìn)行試驗(yàn)，通過改變2種燃油之間的摻混比例研究了不同火焰的碳黑濃度生成特性分布，并對(duì)其變化趨勢(shì)進(jìn)行橫向和縱向?qū)Ρ确治觯瑸檫M(jìn)一步尋找最優(yōu)摻混比以及將來在發(fā)動(dòng)機(jī)上的試驗(yàn)研究提供了基礎(chǔ)性參考。

1 試驗(yàn)裝置與方法

1.1 燃燒系統(tǒng)

圖1所示為燃燒系統(tǒng)，在該燃燒系統(tǒng)中，霧化裝置用于產(chǎn)生比例精確的燃料蒸汽；燃燒器用于產(chǎn)生穩(wěn)定的燃燒火焰；蓄能器用于提供清潔的液體燃料；流量器用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)燃料蒸汽的質(zhì)量流量。關(guān)于燃燒系統(tǒng)的詳細(xì)介紹可參見文獻(xiàn)[9]。

圖1 燃燒系統(tǒng)圖Fig.1 Burner system and assembled parts

1.2 試驗(yàn)燃料

試驗(yàn)使用4種生物柴油-柴油混合燃料B0，B10，B20和B50。其中B0為純凈柴油，北京市購(gòu)買的普通商用0號(hào)柴油；B10，B20，B50為普通柴油和棉籽油2種燃油分別按照9:1，4:1和1:1的體積比充分摻混，勾兌得到的混合燃料。試驗(yàn)用油的燃料特性測(cè)試結(jié)果如表1所示。表1中的碳?xì)浜坑墒突た茖W(xué)研究院分析提供。試驗(yàn)過程中，為保證各燃料火焰的高度相同，燃料流量各不相同。

表1 燃料混合比例、元素質(zhì)量分布和進(jìn)氣流量Tab.1 Blending ratio, mass distribution of each element and intake flow rate of the fuels

1.3 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)采用2D-LOSA，2D-LOSA是一種較為成熟的定量測(cè)試火焰中碳黑濃度的光學(xué)手段[10,11]。其原理是通過測(cè)試穿過火焰介質(zhì)后的衰減光強(qiáng)與初始光強(qiáng)之比得到透射率τ。透射率τ與消光系數(shù)沿路徑s的積分關(guān)系如下：

1.4 試驗(yàn)系統(tǒng)及過程

圖2所示為2D-LOSA的試驗(yàn)系統(tǒng)圖。在該系統(tǒng)中，點(diǎn)光源發(fā)出的點(diǎn)光經(jīng)過鏡面反射后發(fā)射至凹面鏡的中心，再經(jīng)過凹面鏡的反射即可在光路上形成平行的強(qiáng)度均勻的光束。系統(tǒng)中的凸透鏡組由2塊d=50.8 mm，f=250 mm和1塊d=76.2 mm，f=300 mm的凸透鏡組成，2塊小凸透鏡與小孔光闌組合使用，用于消除火焰光輻射對(duì)最終成像造成的影響；大透鏡用于縮小光束，保證其能夠完全進(jìn)入相機(jī)。CCD相機(jī)為高速相機(jī)，其鏡頭前方安置有濾光片，用于濾除雜光，以確保只有特定波長(zhǎng)的光束能夠進(jìn)入相機(jī)。此外，為了能夠在試驗(yàn)過程中最大程度的削弱光束偏移造成的誤差，系統(tǒng)將火焰中心和CCD相機(jī)成像中心至小孔光闌的距離設(shè)置為相等，將兩者置于光學(xué)共軛位置。

圖2 2D-LOSA試驗(yàn)系統(tǒng)圖Fig.2 Testing system of 2D-LOSA

試驗(yàn)在暗室進(jìn)行。待火焰穩(wěn)定后，打開點(diǎn)光源，形成強(qiáng)度均勻的平行光束。該光束在穿過火焰介質(zhì)后，不同部位的光強(qiáng)被不同程度的吸收，光的強(qiáng)度發(fā)生了不同程度的衰減，發(fā)生衰減后的光束繼續(xù)穿過凸透鏡組和濾光片后被CCD相機(jī)獲取。試驗(yàn)過程中，CCD相機(jī)采用較快的拍攝速度以便獲取穩(wěn)定的透射率圖像。

然后熄滅火焰，對(duì)初始光束的光強(qiáng)進(jìn)行測(cè)量?？紤]到背景光和殘余火焰輻射光的影響，試驗(yàn)還關(guān)閉點(diǎn)光源，分別對(duì)環(huán)境光和殘余火焰輻射光進(jìn)行測(cè)量[18]，并在后期數(shù)據(jù)處理過程中予以核減，進(jìn)一步提高結(jié)果的準(zhǔn)確性。

試驗(yàn)過程中，空氣流量為167 ln/min，氮?dú)饬髁繛?.3 ln/min，加熱帶和燃燒器溫度控制在300°左右。試驗(yàn)過程中火焰較為穩(wěn)定，火焰高度保持在40～41 mm范圍內(nèi)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

試驗(yàn)最終得到B0，B10，B20和B50生物柴油-柴油混合燃料火焰在消除了背景光和殘余火焰輻射光干擾后的準(zhǔn)確透射率圖像。針對(duì)上述圖像，本研究首先利用Matlab軟件中的Gaussian Filters程序?qū)ζ溥M(jìn)行簡(jiǎn)單平滑降噪處理，濾除瑕疵數(shù)據(jù)點(diǎn)，再截取其中的火焰部分?jǐn)?shù)據(jù)，利用依據(jù)Abel反演法編寫的軟件程序進(jìn)行反演運(yùn)算，就可以獲取各種火焰的碳黑濃度定量分布。

圖3所示為B0，B10，B20和B50穩(wěn)定層流火焰中在離噴嘴上方10 mm，15 mm，20 mm，25 mm，30 mm，35 mm位置處的徑向定量碳黑濃度圖。

對(duì)圖3中的各圖進(jìn)行縱向比較分析，可以發(fā)現(xiàn)各火焰中的碳黑生成量隨著生物柴油摻混比例的不斷增加，總體變化趨勢(shì)不斷降低。其中，B10中碳黑濃度分布相對(duì)于B0變化較為顯著，而B20相對(duì)于B10，以及B50相對(duì)于B20變化已經(jīng)變緩，可見隨著摻混燃料中生物柴油比例的增加，對(duì)火焰中碳黑濃度的影響并不是一種簡(jiǎn)單的線性關(guān)系，而是一種影響先增加，然后又逐漸回落的過程。

圖3 B0，B10，B20和B50火焰的定量碳黑濃度對(duì)比圖Fig.3 Soot concentration profiles of B0, B10, B20 and B50 flames at different heights

對(duì)圖3中的各圖進(jìn)行橫向比較分析，可以發(fā)現(xiàn)各火焰在10 mm高度上的碳黑濃度基本都為0，可見該區(qū)域尚處于前驅(qū)物生成階段。因?yàn)樵谠摳叨纫韵拢剂线€未能夠與空氣發(fā)生混合燃燒，因此碳黑濃度為0。隨著火焰高度的增加，碳黑濃度的峰值首先在火焰的靠近最外側(cè)位置出現(xiàn)，然后逐漸向火焰中心移動(dòng)，期間還伴隨著濃度波峰值的不斷變大。當(dāng)碳黑濃度的波峰進(jìn)入到火焰中心后其位置就不再發(fā)生變化，而波峰的峰值仍在增加。隨著火焰高度的進(jìn)一步增加，其波峰的峰值經(jīng)歷了由小變大，然后又由大變小的過程，最終在火焰消失的時(shí)候減小至0。圖4所示為B0，B10，B20和B50火焰的二維碳黑濃度對(duì)比圖，火焰左右對(duì)稱，圖4所示為其右半部分。

圖4 B0，B10，B20和B50火焰的二維碳黑濃度對(duì)比圖Fig.4 Two dimensional soot concentration profiles of B0, B10,B20 and B50 flames from the right-hand side

從圖4可以清楚看到，隨著生物柴油摻混比例的增加，火焰中的高碳黑濃度區(qū)域的面積整體逐漸變小，整體碳黑濃度也逐漸降低。結(jié)合燃料中所含的元素含量，這是可以理解的，因?yàn)樯锊裼妥陨砗酰⑶液剂亢秃瑲淞肯鄬?duì)較低，隨著其摻混比例的增加，混合燃料自身對(duì)碳黑的氧化能力逐步增強(qiáng)，碳黑濃度自然會(huì)呈現(xiàn)一種逐漸降低的趨勢(shì)。

3 結(jié) 語(yǔ)

本研究為尋找低排放的經(jīng)濟(jì)型船用柴油機(jī)燃料，對(duì)不同摻混比例的生物柴油-柴油燃料B0，B10，B20和B50火焰進(jìn)行了碳黑生成特性的試驗(yàn)研究，結(jié)論如下：

1）試驗(yàn)利用反演法對(duì)測(cè)得的火焰透射率進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和處理，獲取了不同混合燃料火焰中的定量碳黑濃度，初步揭示了各火焰內(nèi)部的碳黑生成特性。

2）在相同的火焰高度下，隨著混合燃料中生物柴油摻混比例的不斷增大，火焰在各個(gè)高度上的碳黑濃度均呈現(xiàn)不同程度的降低趨勢(shì)，該趨勢(shì)并非簡(jiǎn)單的線性關(guān)系。該降低趨勢(shì)充分顯示了生物柴油清潔環(huán)保的特性，為進(jìn)一步尋找最優(yōu)摻混比提供依據(jù)。

3）本研究下一步將擴(kuò)大燃料比例的范圍，進(jìn)行多次重復(fù)性的試驗(yàn)，更深入的分析和揭示燃料摻混比例與碳黑濃度之間的定量關(guān)系。