塑料熱解油對直噴式柴油機(jī)性能與排放的影響*

（上海工程技術(shù)大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院 上海 201620）

引言

隨著石油燃料價(jià)格逐漸上漲，鼓勵廢棄物回收利用政策，使得研究者重點(diǎn)開發(fā)替代能源，從而滿足能源需求，取代石油燃料。主要的替代能源有水力發(fā)電、太陽能、風(fēng)能、地?zé)崮?、核能、生物質(zhì)能和廢棄物[1]。廢塑料是一種大量供給的廢棄物，可以有效地被用作能源。在過去的30 年里，塑料的產(chǎn)量面臨著爆炸式的增長，達(dá)到了每年1.29×108t。合成聚合物產(chǎn)量，如聚乙烯（PE），聚丙烯（PP），聚苯乙烯（PS）和聚氯乙烯（PVC），在過去30 年內(nèi)急劇增加。所有的塑料在使用完畢以后，應(yīng)該被高效地管理，從而避免被填埋或焚燒的廢塑料對環(huán)境造成進(jìn)一步的污染。近年來，盡管開展了許多環(huán)保的方式來回收廢舊塑料，但是每天仍然有數(shù)以百萬噸計(jì)的廢塑料被傾倒，而不是被回收[2]。

由于廢塑料資源很豐富，因此廢塑料轉(zhuǎn)化為燃料被認(rèn)為是一種很有前途的替代能源。它可以通過傳統(tǒng)的煉油工藝而得到，如熱解，氣化，加氫裂化及催化裂化等。一種最有前途的技術(shù)是熱解過程[3]。熱解過程是在沒有氧氣存在的情況下發(fā)生的熱降解過程。廢塑料通過熱解過程，可以被分解為3 個(gè)狀態(tài)：液體、氣體和少量固體。熱解產(chǎn)物的質(zhì)量取決于供給熱解反應(yīng)器的廢塑料的類型和工藝參數(shù)，如溫度、停留時(shí)間和催化劑等[4]。液體產(chǎn)品，即塑料熱解油（PPO），和石油產(chǎn)品具有類似的性能，因此有可能被用于內(nèi)燃機(jī)。如今，重要的研究已經(jīng)專注于柴油機(jī)上，由于柴油機(jī)在很寬的負(fù)載范圍內(nèi)工作，具有很大的操控性和較高的效率。盡管柴油機(jī)產(chǎn)生了大量的NOx和PM 排放量，但是柴油機(jī)還是在經(jīng)歷著快速的增長。因此，尋找替代燃料，以取代柴油，是非常有必要的。

到目前為止，關(guān)于塑料熱解產(chǎn)物在柴油機(jī)上的應(yīng)用研究較少。由于不同類型的塑性原料和熱解過程，所以所產(chǎn)生的燃油的質(zhì)量是不一樣的，因此很難在不同類型的調(diào)查之間比較柴油機(jī)的性能。研究者已經(jīng)在單缸柴油機(jī)中針對塑料熱解油（PPO）和柴油的混合使用進(jìn)行了研究[5]。此外，在較大的柴油機(jī)中，J.Pratoomyod 等人已經(jīng)對塑料熱解油（PPO）和柴油混合使用進(jìn)行了研究，但沒有對燃燒性能進(jìn)行分析[6]。這些研究表明：柴油機(jī)可以承受一個(gè)中等混合率的塑料熱解油（PPO）和柴油混合。在較大型的柴油機(jī)中，以較高的混合率的塑料熱解油（PPO）和柴油混合，或者全部是塑料熱解油（PPO）中，燃燒性能的分析還沒有被研究[6]。本研究的目的是評估利用塑料熱解油作為替代柴油燃料的可行性，并預(yù)估其最佳運(yùn)行工況。為了實(shí)現(xiàn)這一目的，本文對塑料熱解油的特性進(jìn)行了充分的分析，針對柴油機(jī)燃燒性能和排放性能進(jìn)行研究。

1 材料與方法

1.1 轉(zhuǎn)化過程和燃料特性

塑料熱解油的熱解裝置由3 個(gè)腔室組成：主室、副室和轉(zhuǎn)換室，如圖1 所示。

塑料原料被切成小塊（1～2 cm2），然后通過泵轉(zhuǎn)移到主室。在主室和副室中，塑料用CO2清洗，以確保沒有O2被轉(zhuǎn)移到轉(zhuǎn)換室。使用CO2的原因是用來代替另一種氣體，因?yàn)镃O2比空氣重，從而將空氣推到室頂部，而原料從腔室底部轉(zhuǎn)移到下一個(gè)腔室。快速熱解發(fā)生在轉(zhuǎn)換室，溫度保持在900℃（通過燃燒天然氣提供的熱量進(jìn)行加熱），塑料被轉(zhuǎn)化為焦炭和氣體。從轉(zhuǎn)換室有2 個(gè)出口，其中一個(gè)出口是焦炭，被收集用于處置（大約10%的原料），另一個(gè)出口用于氣體。氣體進(jìn)入冷凝器冷卻，熱解油分離出來。最后，油被過濾到1 μm，以確保沒有沉積物，傳遞給柴油機(jī)的燃油管路和噴射系統(tǒng)。原料是由苯乙烯-丁二烯和聚酯型塑料制成的復(fù)合塑料。原料組成如表1所示，可以在一個(gè)小規(guī)模范圍內(nèi)波動。一般來說，生產(chǎn)1 L 的塑料熱解油，需要2 kg 的廢塑料原料。

圖1 熱解過程示意圖

表1 原料組成 %

在轉(zhuǎn)化室中的溫度升高，產(chǎn)生一種大量的氣相產(chǎn)物。30%～35%的能量輸出是氣相塑料熱解油，而60%～65%是液相塑料熱解油。產(chǎn)生的氣體主要由CH4、H2、N2、CO 和CO2組成。塑料熱解產(chǎn)生的氣體的平均組成如表2 所示。氣體采用熱電導(dǎo)檢測器，用氣相色譜法和氣相色譜-質(zhì)譜法（GC-MS）進(jìn)行分析。由于大量的惰性氣體進(jìn)入到產(chǎn)生的氣體中，因此低熱值（LHV）較低（17.68 MJ/m3），這只是天然氣低熱值的一半。

表2 氣體成分 %

生產(chǎn)的原油是深褐色接近黑色，并帶有強(qiáng)烈的刺鼻氣味。采用氣相色譜-質(zhì)譜法（GC-MS）來確定成品油中大量的化合物，如表3 所示。用氣相色譜-質(zhì)譜法（GC-MS）分析表明：成品油中含有多種碳?xì)浠衔锝M成的復(fù)雜混合物（超過50 種其它化合物），目前較低的濃度如表3 所示。

表3 成品油組成 %

以柴油作為基準(zhǔn)，塑料熱解油的基本特性，用來確定塑料熱解油的試驗(yàn)方法如表4 所示。與柴油相比，塑料熱解油的粘度、閃點(diǎn)和含氫量都較低，而碳含量較高。另一方面，密度、殘?zhí)?、氧氣、總芳烴和氮?dú)夂烤@著升高。塑料熱解油的低熱值略低于柴油，但高于大多數(shù)生物柴油，這表明塑料熱解油作為柴油的替代者具有良好的潛力。由于在蒸餾試驗(yàn)中，樣品中的蒸氣干擾導(dǎo)致錯誤的讀數(shù)，所以蒸餾試驗(yàn)無法進(jìn)行。此外，十六烷指數(shù)的計(jì)算以燃油的蒸餾范圍和密度為基礎(chǔ)，所以沒有蒸餾數(shù)值，它是不可能計(jì)算的。塑料熱解油的密度比柴油的密度明顯高，但十六烷指數(shù)較低。有研究文獻(xiàn)表明：塑料熱解油的十六烷值比柴油低[7]。根據(jù)這些特性，似乎塑料熱解油不需要任何實(shí)質(zhì)性的升級，是最有可能被用于發(fā)電和海洋應(yīng)用，而不是用于需要更高的燃料標(biāo)準(zhǔn)的道路運(yùn)輸中的應(yīng)用。在此基礎(chǔ)上，目前的工作任務(wù)主要集中于使用柴油機(jī)進(jìn)行發(fā)電。

表4 PPO 和柴油性能

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置

試驗(yàn)用柴油機(jī)為一臺四缸、直噴、渦輪增壓水冷柴油機(jī)，柴油機(jī)的參數(shù)如表5 所示。

表5 測試柴油機(jī)規(guī)格

試驗(yàn)裝置的示意圖如圖2 所示。柴油機(jī)與交流發(fā)電機(jī)相連接，然后接到負(fù)載組控制柴油機(jī)的負(fù)載。負(fù)載組有一個(gè)冷卻風(fēng)扇，最大負(fù)載72 kW，在380 V電壓、50 Hz 頻率下工作。

由安裝在氣缸（第1 缸）蓋內(nèi)的KISTLER 6125C壓電壓力傳感器測量氣缸內(nèi)的壓力。壓力傳感器被連接到一個(gè)KISTLER 5041E 電荷放大器。對于柴油機(jī)的曲軸轉(zhuǎn)角的檢測，采用KISTLER 2614C 曲軸轉(zhuǎn)角編碼器，編碼器安裝在第1 缸的曲軸上。

使用2 個(gè)體積流量計(jì)，一個(gè)在供給線，一個(gè)在返回線，進(jìn)行燃油消耗量的測定。在返回線，燃油溫度較高（5～10℃），導(dǎo)致燃油密度有很大的差異。為了避免從供給線和返回線之間的體積差造成的錯誤，將2個(gè)熱電偶進(jìn)行定位，通過密度-溫度曲線來測量溫度，并計(jì)算密度。

幾個(gè)熱電偶被用來監(jiān)測柴油機(jī)的性能。測得的溫度有：進(jìn)氣、空氣經(jīng)過中冷器、油底殼、冷卻液及各缸進(jìn)氣歧管和經(jīng)過渦輪增壓器后的排氣。此外，壓力傳感器安裝在渦輪增壓器后，以監(jiān)測在柴油機(jī)運(yùn)行期間不同負(fù)荷下的壓力。最后，Testo 350 氣體分析儀用于測量柴油機(jī)的廢氣排放。儀器的測量范圍、精度和不確定度如表6 所示。

圖2 試驗(yàn)裝置示意圖

表6 儀器的測量范圍和精度

在1 500 r/min 的額定轉(zhuǎn)速下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，4 種不同的負(fù)荷分別為25%、50%、75%和100%，分別代表制動平均有效壓力為0.316 MPa，0.631 MPa，0.947 MPa和1.263 MPa。5 種混合比例的塑料熱解油和柴油，即體積百分比分別為25%，50%，75%，90%和100%，用PPO 25、PPO 50、PPO 75、PPO 90 和PPO 100 表示。在每個(gè)負(fù)荷下進(jìn)行測試。在測試中，柴油機(jī)首先用柴油起動，當(dāng)所有的條件如冷卻液溫度和柴油溫度穩(wěn)定后，30 min 后切換到塑料熱解油。當(dāng)柴油機(jī)被設(shè)定在所需的輸出功率和燃料的混合條件下，5 min 后收集所有的數(shù)據(jù)。進(jìn)行100 個(gè)連續(xù)的循環(huán)，記下氣缸內(nèi)的壓力數(shù)據(jù)，5 min 為一個(gè)周期記下流量計(jì)讀數(shù)、溫度、歧管壓力和排放量，并計(jì)算出平均值。在每個(gè)測試結(jié)束時(shí)，柴油機(jī)切換回柴油并運(yùn)行30 min，以沖洗燃油管路和噴射系統(tǒng)。

2 結(jié)果與討論

在這一節(jié)中，柴油機(jī)分別以PPO 25，PPO 50，PPO 75，PPO 90 和PPO 100 共混物的運(yùn)行進(jìn)行試驗(yàn)，得出試驗(yàn)結(jié)果，并和柴油燃料運(yùn)行時(shí)的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，研究的重點(diǎn)是燃燒特性、柴油機(jī)性能和廢氣排放。

2.1 燃燒特性

100%負(fù)荷和75%負(fù)荷下氣缸壓力的變化如圖3所示?？梢钥闯?，圖3a 中所有的共混物包括PPO 100與柴油機(jī)100%負(fù)荷相比有相似的壓力分布。在使用PPO 100 時(shí)可以看出到邊際延遲和峰值壓力稍高，然而差異幾乎是微不足道的。圖3b 可以看出特別是對于PPO 90 和PPO 100 在75%負(fù)荷下較長的延遲，特別是在高PPO 百分比混合下導(dǎo)致不穩(wěn)定的燃燒。柴油機(jī)性能在低于75%柴油機(jī)負(fù)載下，著火延遲時(shí)間更長。在PPO 100 在50%負(fù)荷下和PPO 90 在25%負(fù)荷下，柴油機(jī)無法運(yùn)行，這可能是由較低的十六烷值和PPO 更高比的芳香烴的原因所造成的[8]。

圖4 所示為測試的共混物在不同負(fù)荷下的氣缸峰值壓力。結(jié)果表明，不管柴油機(jī)的工作條件如何，低混合比（PPO 25）對氣缸峰值壓力的影響可以忽略，但一般較高的混合比，在較低的柴油機(jī)負(fù)荷下，氣缸的峰值壓力升高。這主要是由于與柴油相比，PPO 燃料十六烷值低和粘度低所造成的。PPO 的低粘度會提高噴霧霧化和蒸發(fā)，這將增加預(yù)混合燃燒部分[9]。較低的十六烷值導(dǎo)致燃燒延遲，擴(kuò)大了預(yù)混合燃燒部分。因此，在柴油機(jī)低負(fù)荷時(shí)，使用PPO 共混物，較低值的峰值壓力出現(xiàn)在上止點(diǎn)之后，主要是由于燃燒延遲的延長。但在柴油機(jī)負(fù)荷較高的情況下，預(yù)混合燃燒的部分較大，會導(dǎo)致更猛烈的燃燒和更高的氣缸峰值壓力。這可以通過放熱率分析和在后面討論的柴油機(jī)排放量來解釋。

圖4 氣缸壓力隨負(fù)荷的變化

柴油和PPO 共混在100%負(fù)荷和75%負(fù)荷時(shí)的放熱率（HRR）如圖5 所示?？梢郧宄乜闯?，較高的PPO 共混比導(dǎo)致著火延遲較長和燃燒期間更短。著火延遲時(shí)間較長，有助于燃料的原子化，使空氣燃料混合時(shí)間較長。如圖5a 所示，PPO 25 和PPO 50 的放熱率HRR 與柴油基本相同，可能是因?yàn)榇蟛糠植裼偷募ぐl(fā)并控制著燃燒過程。當(dāng)PPO 的比例增加到75%以上時(shí)，著火延遲時(shí)間明顯延長，可以觀察到明顯的預(yù)混合燃燒階段。在75%負(fù)荷以下，中高混合比時(shí)，對著火延遲時(shí)間的影響更為顯著。較長的延遲期是PPO 共混放熱率HRR 值提高的主要原因。PPO具有高芳香烴含量，由于環(huán)結(jié)構(gòu)而具有較高的絕熱火焰溫度，而較高的絕熱火焰溫度則導(dǎo)致較高的放熱率HRR。PPO 的低粘度提高了霧化，從而導(dǎo)致增加的放熱率HRR 值。另一個(gè)導(dǎo)致PPO 共混物的放熱率HRR 較高的可能原因是PPO 中氧氣含量（質(zhì)量百分比為3.3%）。氧氣降低了氣缸的當(dāng)量比，改善了燃燒過程。根據(jù)結(jié)果，PPO 100 將不適合長期使用，主要因?yàn)楦叩姆艧崧屎透讚]發(fā)的燃燒，這可能會對柴油機(jī)有破壞性影響，從而影響柴油機(jī)的使用壽命。

圖5 放熱率的變化曲線

2.2 柴油機(jī)性能

圖6 描述了在不同負(fù)荷下，燃料混合物的燃油消耗（BSFC）和制動熱效率（BTE）。在所有工況下，甚至是最低的共混比，共混物的油耗大大增加。這主要是由于PPO 燃料較低的熱值所引起的。然而，顯示的較低的制動熱效率（BTE）表明：不管共混比多少，當(dāng)使用PPO 時(shí)，柴油機(jī)的工作效率都較低。PPO 共混體系下制動熱效率（BTE）較低，由于大量的芳香烴PPO的存在，芳香鍵需要更多的能量來打破[10]。另一個(gè)可能的原因是PPO 較高的燃燒溫度導(dǎo)致較高的熱量傳遞損失[11]。不過，從圖6 的燃料消耗和熱效率隨著增加的共混比不會進(jìn)一步大幅惡化，在中等負(fù)荷時(shí)，效率僅比柴油略低。這些結(jié)果表明：存在一些潛在的工作條件，可以有效地利用這種燃料作為備選方案。

圖6 BSFC 和BTE 隨負(fù)荷的變化曲線

圖7 描述了柴油和PPO 混合物的排氣溫度隨負(fù)荷的變化?？梢钥闯?，柴油機(jī)在所有負(fù)荷下排氣溫度較低，PPO 共混比例增加，排氣溫度稍微增加。在柴油機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的情況下，排氣溫度變化從在25%負(fù)荷時(shí)的267℃增加到在100%負(fù)荷時(shí)的478℃，而PPO 100 從25%負(fù)荷時(shí)的290℃增加到100%負(fù)荷時(shí)的488℃，這主要是因?yàn)橹鹧舆t期延長所造成的。然而，排氣溫度的影響被認(rèn)為是微不足道的。

圖7 排氣溫度隨負(fù)荷的變化曲線

2.3 廢氣排放

柴油和PPO 共混物的NOx隨負(fù)荷的變化如圖8 所示。依據(jù)NOx生成機(jī)理，可分為熱力型、燃料型和快速型3 類，其中快速型NOx生成量很少，可以忽略不計(jì)[12]。在柴油機(jī)中，產(chǎn)生大部分NOx的機(jī)理是由于高溫和富氧供應(yīng)的熱力型[13]。根據(jù)圖8 所示的試驗(yàn)結(jié)果，NOx的排放量隨著PPO 的百分比增加而增加。這是由于著火延遲期較長，使導(dǎo)致較高比例的預(yù)混燃燒，從而放熱率更高，氣缸溫度也更高。另一個(gè)可能影響NOx排放的原因是燃料中N 含量較高，燃料型促進(jìn)了NOx生成。

圖8 NOx排放隨負(fù)荷的變化

未燃HC 排放隨負(fù)荷的變化如圖9 所示。可以看出，柴油機(jī)運(yùn)行的未燃HC 排放明顯低于PPO 共混，并且隨著共混比增加，未燃HC 排放增加。對同一共混比，未燃HC 排放隨著負(fù)荷增加，未燃HC 排放減少，這是符合柴油燃燒機(jī)理的。PPO 共混產(chǎn)生較高的未燃HC 排放的原因仍然不清楚，但認(rèn)為與較高的芳香烴含量可能是有關(guān)的[14]。另一個(gè)可能的原因是，PPO 共混物的噴霧可能有更好的機(jī)會沖擊燃燒室壁面，因?yàn)樗拿芏容^高，粘度和十六烷值較低，這會導(dǎo)致著火延遲較長。

圖9 未燃HC 排放隨負(fù)荷的變化

圖10 顯示柴油和PPO 混合物的CO 排放隨負(fù)荷的變化。CO 排放主要由不完全燃燒形成，并受當(dāng)量比和溫度的影響[15]。從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，CO 排放量不論燃料如何，隨著柴油機(jī)負(fù)荷的增加而降低。在一般情況下，較高的PPO 共混比導(dǎo)致較高的CO排放量，特別是在低負(fù)荷時(shí)高混合比等于或超過75%。這一結(jié)果表明：在這些工作條件下，燃燒情況嚴(yán)重惡化，可能是由于PPO 的十六烷值較低，也可以從較低的缸內(nèi)峰值壓力得到的。值得注意的是，在這些條件下的不完全氧化并沒有對柴油機(jī)熱效率產(chǎn)生顯著的影響。然而，當(dāng)使用低到中等的混合比燃料，或當(dāng)柴油機(jī)在高負(fù)荷下工作時(shí)，CO 排放量的增加是微乎其微的。

CO2的排放是完全燃燒的結(jié)果，其中包含的燃料中的C 原子被完全氧化。它通常不受排放法規(guī)調(diào)節(jié)，并不被認(rèn)為是一種有害氣體，但是因?yàn)樗菧厥覛怏w，有一個(gè)強(qiáng)烈的要求，以減少CO2排放量。柴油和PPO 混合物的CO2排放的變化隨負(fù)荷變化的如圖11 所示?？梢杂^察到CO2排放量增加和PPO 共混比之間幾乎呈線性關(guān)系。這是由于PPO 的碳?xì)浔龋–：H=10.34）比柴油（C：H=6.47）高的緣故，這意味著從燃燒中釋放相同的能量，要更多的碳被氧化，形成更多的CO2。這一結(jié)果表明：使用PPO 作為燃料的一個(gè)負(fù)面環(huán)境影響，但是這種燃料是從廢棄物原料中產(chǎn)生的，否則的話廢棄物是要被填埋的。在這種情況下，會釋放更多的CO2。出于這個(gè)原因，利用廢塑料仍然被認(rèn)為是一個(gè)很有前途的和可持續(xù)的替代途徑。

圖11 CO2排放隨負(fù)荷的變化曲線

3 結(jié)論

通過試驗(yàn)研究，分析和理解從廢塑料的熱解得到的塑料熱解油在柴油機(jī)運(yùn)行中的燃燒性能和排放特性。在柴油機(jī)發(fā)電機(jī)組上進(jìn)行試驗(yàn)研究。與柴油的混合比例從25%變化到100%。從試驗(yàn)結(jié)果可以得出以下結(jié)論：

1）PPO 100 在高于75%負(fù)荷工況，PPO 90 在高于50%負(fù)荷工況，較低的PPO 共混物在所有負(fù)荷工況下，柴油機(jī)都能夠穩(wěn)定可靠地運(yùn)行。

2）由于十六烷值較低，PPO 共混物具有著火延遲較長，氣缸的峰值壓力較高和放熱率較高的特點(diǎn)。

3）PPO 共混物與柴油相比時(shí)，柴油機(jī)熱效率下降了3%～4%。但PPO 比提高并沒有對熱效率產(chǎn)生顯著影響。

4）所有測量的排放物，包括NOx，未燃HC，CO和CO2，隨PPO 共混比例增加而增加。對于低到中等的共混比，NOx和CO 的增加是平穩(wěn)的。

5）測試結(jié)果表明：對于長期運(yùn)行情況下，共混比60%～70%PPO 運(yùn)行在80%～90%柴油機(jī)負(fù)荷下似乎最有前途，可以達(dá)到最佳的柴油機(jī)性能和排放指標(biāo)。