EGR對煤制油-生物柴油氣體及顆粒排放特征的影響

瞿磊,劉帥,謝緯安,樊登柱,施蔣彬

(1.南通職業(yè)大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院，江蘇 南通 226000 2.江蘇大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

原油資源緊缺、環(huán)境污染突出是我國亟待解決的重要課題。F-T柴油是煤間接液化的產(chǎn)物之一，具有高十六烷值、高熱值、低硫和低芳香烴等優(yōu)良特性，但也存在低溫特性和潤滑性較差等缺點(diǎn)[1]。生物柴油具有可再生、十六烷值高、低硫、無芳烴和潤滑性好等特點(diǎn)，但與柴油相比，存在黏度高和霧化差等缺點(diǎn)[2]。F-T柴油與生物柴油混合可以形成互補(bǔ)，研究表明，F(xiàn)-T柴油能與生物柴油任意比例互溶，混合燃料可以顯著降低柴油機(jī)粗暴度和炭煙排放[3]?？紤]兩種燃料的理化特性，按體積分?jǐn)?shù)，生物柴油50%和F-T柴油50%混合，是一種較為理想的替代燃料[4]。但是生物柴油的加入，會導(dǎo)致柴油機(jī)的NOx排放增加[5]。廢氣再循環(huán)是降低NOx最有效的技術(shù)手段之一，具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低的優(yōu)點(diǎn)[6]。

EGR主要通過降低缸內(nèi)混合氣中氧濃度和最高燃燒溫度，帶來了熱效應(yīng)、稀釋效應(yīng)和化學(xué)效應(yīng)等影響，從而降低NOx排放[7-8]。同時，EGR會對HC、CO和炭煙顆粒等排放物產(chǎn)生影響[9]。柴油機(jī)燃用F-T柴油，采用EGR技術(shù)，NOx排放顯著下降，低負(fù)荷時，核態(tài)顆粒明顯增加，中高負(fù)荷時，積聚態(tài)顆粒明顯增加[10]。主要是因?yàn)榈拓?fù)荷時，EGR的熱效應(yīng)和化學(xué)效應(yīng)抑制了部分炭核的生長，促使小粒徑顆粒增加，中高負(fù)荷時，EGR的稀釋效應(yīng)促進(jìn)了炭核生長，顆粒粒徑增大[11]。柴油機(jī)燃用生物柴油，隨著EGR率的增加，低負(fù)荷時核態(tài)顆粒數(shù)密度明顯增加，中負(fù)荷時積聚態(tài)顆粒明顯增加，核態(tài)顆粒有所減少[12]。

目前，針對煤制油-生物柴油混合燃料的理化特性、燃燒特性及排放特性，國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)展開了大量的研究。本研究試驗(yàn)探討了EGR率對煤制油-生物柴油NOx，CO和HC等氣體排放規(guī)律的影響，以及EGR率對炭煙顆粒粒徑分布、碳氧質(zhì)量之比(φC/O)、可溶性有機(jī)物與固態(tài)炭煙質(zhì)量之比(φSOF/Soot)和活化能(Ea)等特征的影響規(guī)律。

1 試驗(yàn)方案與設(shè)備

1.1 試驗(yàn)燃料

試驗(yàn)使用了伊泰煤制油有限公司提供的F-T柴油，生物柴油是以廢棄餐飲油為原料制取，兩者能以任意比例互溶，綜合考慮兩者的理化特性，生物柴油按體積分?jǐn)?shù)50%與F-T柴油進(jìn)行混合，記為FB50，主要技術(shù)參數(shù)見表1。從表1可以看出，與柴油相比，F(xiàn)B50的能量密度為柴油的0.97，與柴油相接近，F(xiàn)B50的硫和芳香烴含量僅為柴油的8.5%和0.5%，更加清潔。

表1 燃料的理化特性

1.2 試驗(yàn)臺架

試驗(yàn)柴油機(jī)為一臺高壓共軌四缸增壓中冷柴油機(jī)，主要技術(shù)參數(shù)見表2。試驗(yàn)系統(tǒng)由CAC250測功機(jī)、FC2005測控系統(tǒng)、Horiba MEXA-7200D尾氣分析儀、3090-EEPS發(fā)動機(jī)廢氣排放顆粒物粒徑譜儀和AVL472顆粒采集器組成，試驗(yàn)裝置如圖1所示。

表2 柴油機(jī)主要參數(shù)

1—溫度計；2—EGR中冷器；3—EGR調(diào)節(jié)閥；4—尾氣分析儀；5—試驗(yàn)柴油機(jī)；6—顆粒采集器；7—測功機(jī)；8—廢氣排放顆粒物粒徑譜儀。圖1 試驗(yàn)裝置示意

試驗(yàn)采用外部EGR方法對試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行改裝，廢氣由排氣管引出，經(jīng)調(diào)節(jié)閥引入進(jìn)氣管，控制廢氣中冷器溫度為323 K，通過調(diào)節(jié)閥門開度控制EGR率。EGR率定義:

試驗(yàn)采用TSI 3090-EEPS(Engine Exhaust Particle Size)發(fā)動機(jī)廢氣排放顆粒物粒徑譜儀對顆粒的數(shù)密度進(jìn)行測量，EEPS可以快速檢測出排氣中顆粒的數(shù)密度和粒徑分布狀況，粒徑檢測范圍為5.6～560 nm。試驗(yàn)中，以10 s為時間段，通過測取12個時間段內(nèi)顆粒的數(shù)量并進(jìn)行疊加，得出顆粒的數(shù)密度與粒徑的分布關(guān)系。

試驗(yàn)采用了EDAX Apollo XLT SDD X射線透射能譜儀。試驗(yàn)前，對顆粒樣品進(jìn)行了前處理，取試驗(yàn)樣品，通過能譜儀測量顆粒樣品中的元素成分。

試驗(yàn)采用METTLER的TGA/DSC1熱重分析儀，取顆粒樣品質(zhì)量2 mg，測試時，選擇升溫速率為10 ℃/min，溫度由40 ℃加熱至800 ℃，測得顆粒的質(zhì)量隨溫度變化的失重百分比曲線(TG曲線)，表征顆粒樣品的揮發(fā)、分解、氧化等一系列反應(yīng)。

1.3 試驗(yàn)方案

在柴油機(jī)試驗(yàn)臺架上，開展EGR對煤制油-生物柴油氣體排放物影響研究及顆粒物的測量采集工作。試驗(yàn)選取FB50為試驗(yàn)燃料，選擇標(biāo)定轉(zhuǎn)速2 100 r/min，負(fù)荷分別為25%，50%和75%，EGR率為10%，20%，30%，測量柴油機(jī)的NOx，HC，CO等氣體排放物的比排放。通過顆粒物粒徑譜儀、X射線能譜儀和熱重分析儀，測量不同工況下顆粒物的粒徑、數(shù)密度、元素含量和熱重曲線。

2 結(jié)果與討論

2.1 氣體排放物

圖2示出轉(zhuǎn)速2 100 r/min、不同負(fù)荷、不同EGR率下柴油機(jī)燃用FB50的NOx，CO，HC等氣體排放物的比排放。從圖2a中可以看出，轉(zhuǎn)速不變，25%負(fù)荷時，EGR率從0%增大到30%，NOx，CO，HC等氣體排放物逐漸降低，NOx比排放分別降低10.4%，23.7%和39.2%，CO比排放分別降低4.6%，7.2%和7.6%，HC比排放降幅都在5%以內(nèi)。低負(fù)荷時，柴油機(jī)過量空氣系數(shù)高，引入EGR，廢氣稀釋了混合氣的氧濃度，即產(chǎn)生稀釋效應(yīng)，阻滯了燃燒反應(yīng)，燃燒始點(diǎn)推遲，燃料與空氣混合更為均勻[13]，HC，CO比排放降低；廢氣中的CO2，H2O提高了混合燃燒氣的比熱容[14]，導(dǎo)致缸內(nèi)最高燃燒溫度有所下降，即產(chǎn)生熱效應(yīng)，抑制了NOx的生成。低負(fù)荷時，采用EGR技術(shù)，主要通過熱效應(yīng)來降低NOx排放。

圖2 不同EGR率下燃用FB50時氣體排放物的比排放

從圖2b中可以看出，轉(zhuǎn)速不變，50%負(fù)荷時，與EGR率為0相比，隨著EGR率增加，NOx逐漸降低，NOx比排放降幅分別為18.1%，29%和41.9%。EGR率低于20%時，CO和HC比排放略有增加，增幅在5%以內(nèi)；EGR率為30%時，CO和HC比排放分別增加21.2%和5.3%。轉(zhuǎn)速不變，中負(fù)荷時，EGR率小于20%，混合燃料自身含氧，對EGR的稀釋效應(yīng)耐受度較高，HC、CO略有增加；EGR率為30%時，混合氣氧濃度較低，HC、CO明顯增加，同時，稀釋效應(yīng)和熱效應(yīng)協(xié)同作用，NOx降幅變大。

從圖2c中可以看出，75%負(fù)荷時，與EGR率為0相比，隨著EGR率增加，NOx逐漸降低，NOx比排放降幅分別為22.8%、41.2%和52%。EGR率低于10%時，CO和HC比排放略有增加，增幅小于5%；EGR率高于10%時，隨著EGR率增加，CO比排放分別增加10.8%和27.2%，HC比排放分別增加13.9%和27.8%。轉(zhuǎn)速不變，高負(fù)荷時，EGR率高于10%，EGR的稀釋效應(yīng)和熱效應(yīng)作用加強(qiáng)，NOx明顯下降，HC、CO有明顯的增加。

2.2 炭煙顆粒

2.2.1粒徑分布

柴油機(jī)排氣顆粒按照生成機(jī)理可分為核態(tài)顆粒(5 nm1 μm)[15]。柴油機(jī)顆粒主要包含固態(tài)炭煙(Soot)、可溶有機(jī)物(SOF)和硫酸鹽[16]。核態(tài)顆粒粒徑較小，主要與可溶性有機(jī)物SOF和硫酸鹽等物質(zhì)有關(guān)，積聚態(tài)顆粒粒徑較大，主要成分為炭煙及其吸附物質(zhì)[17]。

圖3示出轉(zhuǎn)速2 100 r/min、不同負(fù)荷、不同EGR率時柴油機(jī)顆粒的粒徑分布。從圖中可以看出，排氣顆粒的粒徑呈雙峰對數(shù)分布[18]。

圖3 不同EGR率下燃用FB50時顆粒的粒徑分布

由圖3a可見，25%負(fù)荷時，隨著EGR率的增加，顆粒的峰值粒徑逐漸減小，核態(tài)顆粒粒徑分別在16.5 nm、16.5 nm、14.3 nm和14.3 nm附近，積聚態(tài)顆粒的峰值粒徑分別在52.3 nm、52.3 nm、52.3 nm和45.3 nm附近。25%負(fù)荷時，缸內(nèi)最高燃燒溫度低，基本碳粒子成核概率低，排氣中揮發(fā)性有機(jī)物氣相成核的小粒徑顆粒數(shù)量多。轉(zhuǎn)速不變，25%負(fù)荷時，過量空氣系數(shù)高，引入EGR后，熱效應(yīng)發(fā)揮主要作用，缸內(nèi)最高燃燒溫度降低，氣相成核的小粒徑顆粒數(shù)量增加，顆粒的峰值粒徑向小粒徑方向移動。

由圖3b可見，50%負(fù)荷時，隨著EGR率的增加，峰值粒徑先減小再增大，核態(tài)顆粒粒徑分別在16.5 nm、16.5 nm、16.5 nm和19.1 nm附近，積聚態(tài)顆粒的峰值粒徑分別在52.3 nm、52.3 nm、60.4 nm、60.4 nm附近。50%負(fù)荷時，EGR率低于20%時，混合燃料本身含氧，受稀釋效應(yīng)影響小，單質(zhì)碳粒無明顯增加，峰值粒徑無明顯變化。EGR率為30%時，稀釋效應(yīng)作用加強(qiáng)，基本碳粒子數(shù)量增加，成核概率增加，大粒徑顆粒數(shù)量增加，顆粒的峰值粒徑增大。

由圖3c可見，75%負(fù)荷時，隨著EGR率的增加，粒徑峰值逐漸后移，核態(tài)顆粒粒徑分別在16.5 nm、19.1 nm、19.1 nm和19.1 nm附近，積聚態(tài)顆粒的峰值粒徑分別在60.4 nm、60.4 nm、69.8 nm、80.6 nm附近。高負(fù)荷時，轉(zhuǎn)速不變，進(jìn)入的空氣量不變，相較于中低負(fù)荷，EGR率高于10%時，不完全燃燒增加，單質(zhì)碳粒明顯增加，排氣過程中顆粒間發(fā)生吸附、碰撞、凝并等過程概率增加，促進(jìn)了大粒徑顆粒數(shù)密度的升高，峰值粒徑向大粒徑方向移動。

根據(jù)圖3，統(tǒng)計了介于5～50 nm核態(tài)顆粒、介于50～1 000 nm積聚態(tài)顆粒、小于1 μm總顆粒的數(shù)密度和幾何平均粒徑，結(jié)果如圖4所示。從圖4a可以看出，與EGR率為0%時相比，隨著EGR率的增加，25%負(fù)荷時核態(tài)顆粒數(shù)密度分別增加5.3%、16.8%和33.8%，50%負(fù)荷時核態(tài)顆粒數(shù)密度分別降低5.6%、10.0%和19.4%，75%負(fù)荷時核態(tài)顆粒數(shù)密度分別降低9.1%、21.0%和33.8%。

從圖4b可以看出，與EGR率為0時相比，隨EGR率的增加，25%負(fù)荷時積聚態(tài)顆粒數(shù)密度分別降低5.3%、8.2%和20.0%，50%負(fù)荷時，積聚態(tài)顆粒數(shù)密度分別增加3.2%、14.3%和23.0%，75%負(fù)荷時，積聚態(tài)顆粒分別增加8.0%、26.1%和46.6%。

圖4 燃用FB50時不同模態(tài)顆粒的數(shù)密度

從圖4c可以看出，轉(zhuǎn)速不變、負(fù)荷一定時，隨著EGR率的增加，小于1 μm顆粒的數(shù)密度逐漸增加。25%負(fù)荷時總顆粒數(shù)密度分別增加0.7%、6.0%和10.5%，50%負(fù)荷、EGR率高于10%時，總顆粒數(shù)密度分別增加2.1%和1.7%，75%負(fù)荷時總顆粒數(shù)密度分別增加1.3%、7.5%和14.7%。

從圖4d可以看出，轉(zhuǎn)速不變、負(fù)荷一定時，隨著EGR率的增加，25%負(fù)荷時顆粒的幾何平均粒徑逐漸減小，50%和75%負(fù)荷時顆粒的幾何平均粒徑逐漸增大。

低負(fù)荷時，引入EGR，顆粒數(shù)密度增加，EGR廢氣的稀釋效應(yīng)推遲了燃燒始點(diǎn)，熱效應(yīng)降低了缸內(nèi)最高燃燒溫度，基本碳粒子成核概率降低，對排氣中的可揮發(fā)性物質(zhì)吸附能力減弱，促進(jìn)了氣相成核，核態(tài)顆粒明顯增加，積聚態(tài)顆粒減少，幾何平均粒徑減小。中高負(fù)荷時，缸內(nèi)最高燃燒溫度高，EGR的稀釋效應(yīng)導(dǎo)致高溫缺氧區(qū)域擴(kuò)大，較多的單質(zhì)碳粒子生成，排氣過程中，對可揮發(fā)性物質(zhì)吸附能力增強(qiáng)，積聚態(tài)顆粒有較大增幅。

2.2.2元素分析

圖5示出燃用FB50在不同負(fù)荷、不同EGR率時顆粒的X射線能譜圖。從圖5a中可以看出，25%負(fù)荷時，隨著EGR率增加，顆粒中C元素峰逐漸減弱，O元素峰逐漸增強(qiáng)。從圖5b可以看出，50%負(fù)荷時，與EGR率為0時相比，EGR率為10%時，C元素峰減弱，O元素峰增強(qiáng)，EGR率為20%和30%時，C元素峰逐漸增強(qiáng)，O峰逐漸減弱。從圖5c中可以看出，75%負(fù)荷時，隨著EGR率增加，C元素峰逐漸增強(qiáng)，O元素峰逐漸減弱。

圖5 不同EGR率下燃用FB50時顆粒的X射線能譜圖

結(jié)合圖5的能譜圖，計算了FB50顆粒的C、O原子質(zhì)量之比(φC/O)，結(jié)果如圖6所示。從圖中可以看出，25%負(fù)荷時，隨著EGR率的增加，φC/O逐漸變小。50%負(fù)荷時，EGR率低于20%時，φC/O變小，EGR率高于20%時，φC/O逐漸變大。75%負(fù)荷時，隨著EGR率的增加，φC/O逐漸變大。由此可見，轉(zhuǎn)速不變，低負(fù)荷時，隨著EGR率增加，顆粒中有機(jī)碳含量增加，元素碳含量減少；中高負(fù)荷時，EGR率的增加導(dǎo)致了顆粒中元素碳含量增加，有機(jī)碳含量減少。

綜上分析可知，顆粒的φC/O與峰值粒徑呈正相關(guān)。主要是因?yàn)棣誄/O越大，說明顆粒中的元素碳越多，由單質(zhì)碳粒子吸附揮發(fā)性有機(jī)物團(tuán)聚而成的積聚態(tài)顆粒數(shù)量增加，顆粒的峰值粒徑增大。

圖6 不同EGR率下燃用FB50時顆粒的C、O原子質(zhì)量比

2.2.3熱重分析

圖7示出轉(zhuǎn)速2 000 r/min、不同負(fù)荷、不同EGR率時FB50顆粒樣品在O2氛圍中的TG曲線。從圖中可以看出，顆粒在O2氛圍中出現(xiàn)兩個明顯的失重階段，低溫反應(yīng)階段(120～450 ℃)主要是顆粒中SOF的揮發(fā)與氧化，高溫反應(yīng)階段(500～800 ℃)主要是Soot的氧化過程[19]。從圖7還可以看出，轉(zhuǎn)速不變，25%負(fù)荷時，隨著EGR率的增加，低溫反應(yīng)階段失重量逐漸增加，高溫階段失重量逐漸減少。50%負(fù)荷時，EGR率高于20%，低溫反應(yīng)階段失重量逐漸減少，高溫階段失重量逐漸增加。75%負(fù)荷時，隨著EGR率增加，低溫反應(yīng)階段失重量逐漸減少，高溫階段失重量逐漸增加。

圖7 不同EGR率下燃用FB50時顆粒的TG失重曲線

結(jié)合圖中曲線數(shù)據(jù)及各組分失重階段的區(qū)分，計算了不同負(fù)荷、不同EGR率顆粒中SOF與Soot質(zhì)量之比(φSOF/Soot)，結(jié)果見圖8。φSOF/Soot越大，說明顆粒中SOF含量越多，Soot含量越少。從圖8可以看出，25%負(fù)荷時，隨著EGR率的增加，φSOF/Soot逐漸增加。50%負(fù)荷時，與EGR率為0時相比，EGR率小于20%，φSOF/Soot有所變大，EGR率為30%時，φSOF/Soot降低。75%負(fù)荷時，隨著EGR率增加，φSOF/Soot逐漸減小。

圖8 不同EGR率下燃用FB50時顆粒SOF、Soot質(zhì)量比值

活化能(Ea)是反應(yīng)物從常態(tài)到達(dá)活化分子的最小化學(xué)反應(yīng)能量，活化能越大，表示反應(yīng)物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的難度越高[20]。結(jié)合圖7的TG曲線數(shù)據(jù)，采用積分法和直線擬合法[21]，計算了不同負(fù)荷、不同EGR率下FB50顆粒的活化能，結(jié)果如圖9所示。從圖9中可以看出，低負(fù)荷時，隨著EGR率的增加，F(xiàn)B50顆粒的Ea逐漸減小，顆粒發(fā)生氧化反應(yīng)所需能量較小，顆粒變得容易被氧化。中高負(fù)荷時，EGR率高于20%，隨著EGR率的增加，Ea明顯增加，顆粒發(fā)生氧化反應(yīng)所需能量較多，顆粒被氧化的難度增加。

圖9 不同EGR率下燃用FB50時顆粒的活化能

綜上分析可知，顆粒的φSOF/Soot增大，活化能減小。顆粒的φSOF/Soot與顆粒的活化能呈負(fù)相關(guān)。主要是因?yàn)轭w粒中可溶性有機(jī)物容易被氧化，顆粒中可溶性有機(jī)物越多，顆粒氧化所需能量越少。

3 結(jié)論

a) 柴油機(jī)燃燒FB50，采用EGR后，NOx比排放明顯降低，最大降幅為52%;低負(fù)荷時采用EGR，HC、CO比排放略有降低，中高負(fù)荷時，EGR率低于20%，HC、CO增幅小于5%，EGR率為30%時，HC、CO比排放明顯升高，最高增幅分別為27.2%和27.8%；

b) FB50燃燒顆粒的φC/O與顆粒的粒徑呈正相關(guān)；FB50顆粒粒徑呈雙峰對數(shù)分布，轉(zhuǎn)速不變，25%負(fù)荷時，隨著EGR率增加，顆粒的φC/O和峰值粒徑變小，核態(tài)顆粒數(shù)密度明顯增加，最大增幅為33.8%，顆粒的幾何平均粒徑減??；中高負(fù)荷時，EGR率高于20%，顆粒的φC/O和峰值粒徑變大，積聚態(tài)顆粒明顯增加，最大增幅達(dá)44.6%，顆粒的幾何平均粒徑增大；

c) FB50燃燒顆粒的φSOF/Soot與顆粒的活化能成反比；轉(zhuǎn)速不變，25%負(fù)荷時，隨著EGR率增加，φSOF/Soot逐漸增加，Ea逐漸減小，顆粒容易被氧化；中高負(fù)荷時，EGR率高于20%，顆粒φSOF/Soot明顯減小，Ea增大，顆粒不易被氧化。