生物质热解油酯化提质及其在发动机上的燃烧与排放特性

摘要

生物质热解油作为一种可再生的清洁能源，已逐步受到人们的关注。但由于生物质热裂解油含水量高、酸性强，不宜直接作为发动机燃料使用，因此必须对生物质热裂解油预处理、精制来改善燃油品质。本文以木屑生物质热解油为原料，采用二氯甲烷对其进行预处理，然后通过催化酯化工艺对粗制生物质热解油精制处理获得提质生物油，并通过合适的测量或计算方法对提质前后生物质热解油的理化特性进行分析。基于热重分析仪对提质前后生物质热解油进行燃烧动力学分析，考察样品的挥发氧化、燃烧性能，并以 186FA 柴油机为试验样机，考察柴油机燃用提质生物质热解油的有效热效率、气缸压力、燃烧放热率和排放性能。主要研究内容如下： (1) 采用控制变量法探究生物质热裂解油催化酯化反应中的最佳的温度、催化剂量和油醇比等反应条件。以100ml生物质热解油为样品，反应时间为30min，得出酯化温度为50℃、催化剂的量为8g，油醇比2:1时，催化酯化效果最佳。同时，采用气质联用仪对提质前后生物质热解油的组分进行分析，可知经催化酯化后酸类、酚类和大分子醚类分别下降了 85.8%、18.1%和 36.6%，同时酯类、酮类分别上升了82.4%和31.0%。 (2) 采用合适的测量方法或经验公式，测量或计算得到提质前后生物质热解油和混合燃料(B5、B10和B15)等燃料的十六烷值、低热值和粘度等理化特性参数数值。与生物质热解原油相比，提质生物质热解油的低热值提高了14.5%，粘度和十六烷值均有所改善。 (3) 基于热重试验考察提质前后生物质热解油在氧气氛围下的挥发氧化及燃烧特性，计算与分析了酯化前后生物质热解油的燃烧动力学。结果表明，由于生物质热解原油含水量略高，使得生物质热解原油的起始失重温度提前了6.1℃。尽管如此，提质生物质热解油的终了失重温度比生物质热解原油提前5.3℃。在生物质热解油的失水干燥阶段，生物质热解原油的活化能小于提质生物质热解油，而在慢速分解、快速燃烧和碳化阶段，提质生物质热解油的活化能小于生物质热解原油，综合整个氧化燃烧过程，提质生物油尽管在初始挥发阶段略缓，但在实质性氧化阶段比生物质热解油更易着火燃烧。 (4)在发动机转速n=3600 r?min-1同一负荷工况下，随着生物质热解油的添加，燃用Diesel、B5、B10和B15的有效热效率逐渐降低。在100%负荷工况下，与Diesel相比，燃用B5、B10和B15的有效热效率下降了0.9%、1.8%和2.9%，而在25%负荷工况下则分别下降了2.9%、7.6%和9.7%。在100%负荷工况下，由于生物质热解油的含氧较高及燃油中大分子组分不完全燃烧，使得缸内温度下降，与Diesel相比，燃用混合燃料B5、B10和B15的缸内最高爆发压力分别降低了1.8%、4.1%和5.3%，且依次滞后约2℃A、3℃A和5℃A；由于滞燃期内形成了更多混合气，与Diesel相比，燃用混合燃料B5、B10和B15瞬时放热率峰值分别升高了9.1%、16.8%和21.2%。 (5) 在柴油机上对比研究Diesel、B5、B10及B15的排放性能。研究表明，在发动机转速n=3600 r?min-1下，与Diesel相比，随着生物质热解油比例的增加，燃用混合燃料B5、B10、B15的HC、CO和碳烟排放依次恶化。然而生物质热解油高含氧量及含有不易燃烧的重质大分子组分，燃料燃烧速度及缸内温度降低，因此燃用B5、B10、B15的NOx的排放浓度逐步下降。

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（未删减版）生物质热解油酯化提质及其在发动机上的燃烧与排放特性（终稿）2018