煤制柴油理化特性對柴油機排放性的影響

王杰,趙凱,李小華

(1.江蘇大學汽車與交通工程學院,江蘇 鎮(zhèn)江 212013;2.中汽研汽車檢驗中心(常州)有限公司,江蘇 常州 213100)

隨著國民經(jīng)濟發(fā)展,我國汽車保有量日益增加,對能源需求及污染物控制帶來了嚴峻挑戰(zhàn)[1]。我國能源結(jié)構是“富煤少油有氣”,我國石油儲量相比于消耗量,處于貧油的狀態(tài)。俄烏沖突以來國際局勢愈加復雜,2022年國內(nèi)油價連續(xù)22次上調(diào),0號柴油逼近9元大關[2],因此,發(fā)展可替代石油基燃油的清潔油品迫在眉睫。煤制柴油作為一種新型能源,具有與石油基燃料相近的動力性、燃油經(jīng)濟性,且其十六烷值高,使得燃燒較為柔和,硫和芳香烴含量較低,對發(fā)動機排放物的生成有一定的抑制效果,因此發(fā)展煤制柴油具有較好的前景[3]。

根據(jù)生產(chǎn)工藝的不同,煤制柴油分為煤直接液化油(Diesel of Direct Coal Liquefaction,DDCL)和煤間接液化油(Diesel of Indirect Coal Liquefaction,DICL)。從產(chǎn)業(yè)角度分析,我國現(xiàn)代煤化工發(fā)展始于20世紀末,貫穿“九五”至“十三五”共5個“五年計劃”,經(jīng)過近25年的發(fā)展,截至“十三五”末,我國煤制油產(chǎn)能達到898 萬t/a。隨著“十四五”規(guī)劃到來,我國煤化工產(chǎn)業(yè)又將步入新臺階。現(xiàn)階段我國大部分煤制油生產(chǎn)企業(yè)均以生產(chǎn)煤間接液化油為主,煤直接液化油主要由神華集團生產(chǎn),神華集團在內(nèi)蒙古鄂爾多斯建成全球首套生產(chǎn)規(guī)模為 108 萬t/a煤直接液化生產(chǎn)線,經(jīng)濟效益良好[4]。隨著煤化工產(chǎn)業(yè)發(fā)展,國內(nèi)外專家學者對煤制柴油在內(nèi)燃機上的應用進行了大量研究。管文軍在分別搭載SCR和DOC+DPF兩種后處理裝置的柴油機上進行了F-T柴油的研究,發(fā)現(xiàn)在搭載SCR后處理系統(tǒng)的發(fā)動機上燃用F-T柴油會降低NOx和PM排放量,在搭載DOC+DPF后處理系統(tǒng)的發(fā)動機上燃用F-T柴油會降低CO和PM排放量[5]。杜宏飛在一臺柴油機上燃用F-T柴油和普通柴油的混合燃料,對發(fā)動機動力性、排放性進行了研究,研究表明,隨著F-T柴油摻混比例的增加,發(fā)動機的動力性能指標與經(jīng)濟性能指標都隨之下降,熱效率隨之提高,并且通過添加F-T柴油可以降低NOx,HC,CO,PM等污染物的排放量[6]。但國內(nèi)涉及到煤直接液化油與煤間接液化油以及國標柴油按比例摻混并進行發(fā)動機性能研究鮮有報道。DDCL油十六烷值低、密度高,成本相對較低,而DICL油則相反。如果兩者按比例進行調(diào)和并添加適當添加劑,將有可能得到符合排放標準的高性能煤基柴油。煤制柴油按一定比例與石油基國Ⅵ柴油進行混合并加入適當添加劑,可能在保留煤制柴油清潔能源特性的同時降低油品成本,有利于煤制柴油的市場發(fā)展。

本研究在裝備符合國Ⅵ排放標準的DOC+DPF+SCR+ASC后處理系統(tǒng)的柴油機上,在發(fā)動機臺架通過WHTC,WHSC,WNTE試驗研究4種煤制柴油和國Ⅵ柴油的在不同理化性質(zhì)對柴油機排放的影響規(guī)律,并分析其原因,探究新型高性能清潔煤制柴油的制備方案,為煤制柴油應用提供一定的理論基礎。

1 試驗設備及方法

1.1 試驗設備

本試驗選用一臺配備符合國Ⅵ排放標準的搭載DOC+DPF+SCR+ASC后處理系統(tǒng)的4缸柴油機作為試驗用發(fā)動機,其參數(shù)如表1所示。表2列出本次試驗所使用的臺架設備。

表1 試驗發(fā)動機參數(shù)

表2 發(fā)動機臺架試驗主要儀器設備

1.2 試驗用油

本次試驗油樣共5種,1種國Ⅵ柴油作為基準油樣,4種煤制柴油。油樣信息如表3所示,油樣理化性質(zhì)如表4所示。本次試驗的5種油樣理化性質(zhì)均符合國Ⅵ車用柴油標準(GB 19147—2016)[7]。

表3 試驗油樣信息

表4 油樣的理化性質(zhì)

1.3 試驗方法

為直觀分析5種油樣在柴油機上的排放表現(xiàn),本次試驗根據(jù)GB 17691—2018重型柴油車污染物排放限值及測量方法(中國第六階段)的要求[8],對5種油樣進行發(fā)動機瞬態(tài)循環(huán)試驗(WHTC)、發(fā)動機穩(wěn)態(tài)循環(huán)試驗(WHSC)和發(fā)動機非標準循環(huán)試驗(WNTE)。對比試驗結(jié)果分析5種油樣的排放特性,研究油品理化特性對柴油機排放性的影響規(guī)律,并分析其原因。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 NOx與NH3排放結(jié)果及分析

5種不同油品的NOx與NH3排放結(jié)果見圖1至圖3。

從圖1至圖3可知,在發(fā)動機WHSC循環(huán)中,燃用D1的NOx排放比燃用G6低8.0%,比燃用D2低17.86%;在發(fā)動機WHTC循環(huán)中,燃用D1的NOx排放比燃用G6高4.59%,比燃用D2低18.65%;在發(fā)動機WNTE循環(huán)中,燃用D1的NOx排放比燃用G6低34.62%,比燃用D2低48.48%。

圖1 WHTC國Ⅵ循環(huán)的NOx和NH3排放對比

圖2 WHSC國Ⅵ循環(huán)的NOx和NH3排放對比

綜合上述排放數(shù)據(jù),可以看出D1油樣的NOx排放在WHSC與WNTE工況中水平最低。而在WHTC循環(huán)中G6油樣的NOx排放水平最低。NOx排氣污染物形成的三要素為溫度、氧濃度、反應時間,任何一個要素發(fā)生改變都會影響NOx排放的生成量。而燃油理化性質(zhì)中能影響上述三要素的指標主要包括十六烷值、多環(huán)芳烴含量、密度、T90/T95溫度[9]。

結(jié)合5種油樣的理化性質(zhì)可以發(fā)現(xiàn),G6的十六烷值最高,而混合后的油樣十六烷值均下降。燃料十六烷值低將增加預混燃燒的燃料量,減少擴散燃燒的比例,增加了dp/dv,縮短了達到最高燃燒壓力的時間和傳熱時間,增加了氣缸燃燒溫度,導致了混合后油樣的NOx排放量增加。有研究表明,十六烷值增加可以顯著降低NOx排放,當十六烷值由50增至58,低負荷工況NOx排放降低9%以上[10-12]。而WHTC工況與WHSC/WNTE工況相比低速、低負荷工況較多,G6在5種油樣中十六烷值最高,因此其在WHTC工況中的NOx排放較低。高十六烷值也是G6柴油在WHSC以及WNTE工況中NOx排放較低的重要原因。

雖然D1油樣的十六烷值為53.7,在5種油樣里為第二低,對其NOx排放不利,但得益于其極低的多環(huán)芳烴含量和極低的燃油密度,其NOx排放較低。理論上說,降低燃料中的芳烴含量可以降低火焰溫度和氧離子濃度,從而可以減少NOx的生成。研究表明,在1%～10%范圍內(nèi),多環(huán)芳烴含量每降低1%,NOx排放平均降低1%。柴油密度在0.82～0.855 g/cm3范圍內(nèi)每減少0.01 g/cm3,NOx排放平均降低1%[11-13]。因此D1較低的多環(huán)芳烴含量及較低的密度,緩解了其十六烷值較低對于NOx排放的不利影響,使得D1油樣的NOx排放水平較低。同理,從理論上說D2油樣最高的燃油密度以及最低的十六烷值本應使得D2油樣NOx排放較高,但得益于其最低的多環(huán)芳烴指標,最終D2油樣的NOx排放為5種油樣中等水平。

在柴油的蒸餾特性溫度中,90%/95%回收溫度,即T90/T95是指柴油燃料中90%或95%的成分已蒸發(fā)的溫度,表征了柴油燃料中重質(zhì)成分的多少。由于重質(zhì)成分難以完全燃燒,燃料含重餾分量多會導致柴油機煙度和PM排放的增加,降低T90/T95,可以降低柴油機的NOx和PM排放[13]。由燃油理化性質(zhì)可以看出,G6-D1和G6-D2油樣的T90/T95溫度較D1和D2高,這是導致前兩者油樣NOx排放較高的原因之一。雖然G6的T90/T95溫度較高,但同樣G6的十六烷值較高,而十六烷值與T90/T95相比對NOx排放的影響更為顯著,因此緩解了T90/T95溫度因素對NOx排放的影響,使得G6柴油NOx排放水平總體較低。

5種油樣在國Ⅵ循環(huán)中,G6-D2的NOx排放值最高。G6-D2油樣相對較高的密度,較低的十六烷值是造成G6-D2排放值較高的原因。

從圖1至圖3可以看出,5種油樣在WHSC,WHTC,WNTE循環(huán)中NH3的排放量偏差小于0.1且遠低于限值,表明燃用煤基柴油及其混合油樣對發(fā)動機后處理的ASC無明顯不適。

2.2 PM與PN排放結(jié)果及分析

5種油品的PM與PN排放結(jié)果見圖4至圖6。

圖4 WHTC國Ⅵ循環(huán)的PM和PN排放對比

圖5 WHSC國Ⅵ循環(huán)的PM和PN排放對比

圖6 WNTE國Ⅵ循環(huán)的PM排放對比

柴油機微粒一般由固體碳或干炭煙(DS)、可溶有機成分(SOF)和硫酸鹽組成。DS主要是燃料在高溫缺氧的條件下燃燒裂解而成;SOF主要是由未燃燒和未完全燃燒的中間產(chǎn)物或裂解后再化合的產(chǎn)物構成的未燃HC中的大分子,大部分附著在DS上,少部分單獨存在[14]。

從圖4至圖6可知,在發(fā)動機WHSC循環(huán)中,燃用D1的PM排放量比燃用D2略低,D2與G6相當;在發(fā)動機WHTC循環(huán)中,燃用D1的PM排放量與燃用G6相當,比燃用D2略高;在發(fā)動機WNTE循環(huán)中,燃用D1的PM排放量與燃用G6相當。另外,G6-D1和G6-D2與D1相比PM排放量無明顯增大。

在WHSC循環(huán)中,D2的PN排放值最高;在發(fā)動機WHSC循環(huán)中,燃用D1的PN排放量比燃用D2低64.67%,比燃用G6低40.9%;在發(fā)動機WHTC循環(huán)中,燃用D1的PN排放量比燃用G6高50.4%,比燃用D2低9.6%。

D2油樣PM/PN排放在3種排放循環(huán)中均呈現(xiàn)較高的水平,這與其較低的十六烷值以及較高的燃油密度有關。十六烷值較低的燃油自燃溫度高,預混燃燒的燃料量增加,擴散燃燒的比例減少,缸內(nèi)著火滯燃期時間長,增加了dp/dv,縮短了達到最高燃燒壓力的時間,傳熱時間縮短,增加了氣缸燃燒溫度,使得缸內(nèi)燃燒不完全,促進了PM/PN生成[10]。研究表明,柴油密度在0.82～0.855 g/cm3范圍內(nèi)每減少0.01 g/cm3,PM平均降低1%[12]。因此,較低的十六烷值與較高的燃油密度是導致D2油樣PM/PN排放較高的原因。D2的硫含量為5種油品中間水平,對PM/PN排放影響不顯著。

G6與G6-D1油樣的硫含量及多環(huán)芳烴含量在5種油樣中呈較高水平。研究表明,柴油中的含硫量直接影響PM的生成,柴油中的硫燃燒生成SO2轉(zhuǎn)化為硫酸鹽進而成為PM的一部分。燃料中多環(huán)芳烴(PAHS)的生長導致炭煙核心的生成,降低燃料中芳香烴含量,特別是多環(huán)芳香烴含量,可以減少炭煙生成前體,從而減少PM/PN排放[10]。PM/PN的生成是一個極為復雜的過程,與許多因素有關,例如缸內(nèi)燃燒溫度、混合氣濃度、油氣混合均勻性、柴油含氧量等,但上述參數(shù)未可知。從現(xiàn)有5種燃料理化性質(zhì)分析可知,得益于G6與G6-D1油樣相對較低的密度以及較高的十六烷值,其在缸內(nèi)燃燒較為充分,加強了微粒的氧化燃燒,降低了最高燃燒溫度,燃油密度及十六烷值的影響超過了硫含量和高多環(huán)芳烴含量的影響,最終兩種油樣的PM/PN排放水平在5種油樣中并不高。

由上述分析可知,柴油硫含量、多環(huán)芳烴含量對PM/PN排放結(jié)果的影響在相對的范圍內(nèi)小于燃料密度、十六烷值的影響,但對排放水平仍有重大影響。因此,雖然D1油樣十六烷值水平較低,但極低的含硫量、多環(huán)芳烴含量、密度緩解了十六烷值對D1的不利影響,使得D1油樣的PM/PN排放同樣較低。

2.3 CO與THC排放結(jié)果及分析

5種不同油品的CO與THC排放結(jié)果如圖7至圖9所示。

由圖7至圖9可知,在WHSC循環(huán)中,D2的CO排放值與G6相同;在發(fā)動機WHSC循環(huán)中,燃用D1的CO排放量比G6低14.8%;在發(fā)動機WHTC循環(huán)中,燃用D1的CO排放量與燃用G6相近,比燃用D2低22.97%;在發(fā)動機WNTE循環(huán)中,燃用D1,D2,G6的CO排放量都很低且相近。在發(fā)動機WHSC和WNTE循環(huán)中,燃用D1,D2,G6的THC排放量都很低且相近。在發(fā)動機WHTC循環(huán)中,燃用D1的THC排放量比燃用G6高39.1%,比燃用D2低42.6%。另外,混合后的油樣THC排放量無明顯增大。

CO排放主要是燃料中烴類成分燃燒時的中間產(chǎn)物和不完全燃燒產(chǎn)物之一[15-17]。影響柴油燃料CO排放的根本因素為缸內(nèi)溫度、缺氧程度和反應時間。渦輪增壓直噴柴油機的空燃比非常大,不易生成CO,這正是柴油機的CO排放量遠小于汽油機的原因。在中速、中負荷工況下,柴油機的CO排放量最小,柴油機CO的高排放量出現(xiàn)在小負荷工況區(qū),原因是此工況下柴油機的循環(huán)供油量較少,燃燒室內(nèi)存在較多的過稀混合氣區(qū)。

HC排放包括燃料中未燃燒的碳氫化合物,燃燒和氧化反應形成的碳氫化合物中間產(chǎn)物,裂解和再化合反應形成的碳氫化合物產(chǎn)物,其生成機理比CO排放要復雜得多[15]。

圖7 WHTC國Ⅵ循環(huán)的CO與THC排放對比

圖8 WHSC國Ⅵ循環(huán)的CO與THC排放對比

圖9 WNTE國Ⅵ循環(huán)的CO與THC排放對比

研究表明十六烷值的增加可以改善燃燒,顯著降低CO和HC排放。當十六烷值從50增至58,CO和HC排放降低26%[12]。而在5種油樣中,D2油樣CO與HC排放均最高。從油品理化性質(zhì)分析,D2油樣的十六烷值最低,因此十六烷值是導致上述現(xiàn)象的原因。另外4種油樣的十六烷值與CO/HC排放規(guī)律也符合上述規(guī)律。

3 結(jié)論

a) 5種油樣中,D1煤制柴油由于其較低的密度、硫含量、多環(huán)芳烴值及T90/T95溫度等理化特性,其綜合排放性能最佳,優(yōu)于G6柴油樣;DDCL與DICL煤制柴油按比例進行調(diào)和并添加適當添加劑,可得到符合排放標準的高性能清潔煤基柴油;

b) 4種煤制柴油的污染物排放值均滿足國Ⅵ排放限值要求,并且在減少NOx,CO和PM排放物方面煤制柴油相比G6柴油有一定優(yōu)勢;

c) 柴油含硫量、多環(huán)芳烴含量對PM/PN排放結(jié)果的影響在相對的范圍內(nèi)小于燃料密度、十六烷值對PM/PN的影響,但其含量對排放水平仍有重大影響;

d) 國Ⅵ柴油與煤制柴油混合后的油樣可綜合國Ⅵ柴油十六烷值高、成本低及煤制柴油硫含量低、多環(huán)芳烴含量低等優(yōu)點,形成高效清潔成本較低的煤制柴油,有利于煤制柴油的市場發(fā)展。