由废润滑油再生的燃油燃烧与排放特性研究

摘要

随着机械化程度越来越高，消耗的润滑油日益增多，产生的废润滑油随之增加。废润滑油不能直接用于柴油机燃烧，但如果是废润滑油再生成燃油则成为可能，实现废物再利用，具有重要的现实意义。围绕废润滑油再生燃油的理化性能、喷雾燃烧规律、碳烟颗粒形成特征及化学动力学机理等方面，以试验与模拟相结合的方法，开展了再生燃油与柴油的燃烧与排放特性的研究。
　　 采用气相色谱质谱、电感耦合等离子体发射光谱、高频往复试验机方法，分别测量了再生燃油的烃类组成、微量元素和润滑性能，测试了主要理化参数。研究结果表明:再生燃油主要成分是直链烷烃和芳香烃;在再生燃油微量元素中，硫浓度最高，其次是钙、钠、硅、铷;再生燃油的润滑性优于柴油。再生燃油主要参数与柴油接近，可以满足柴油机燃用要求。
　　 从废润滑油再生燃油平均分子量出发，采用CHEMKIN软件研究了正十二烷预混层流燃烧特性和均质压燃燃烧特性。采用预混层流火焰传播速度计算模型得到正十二烷层流火焰传播速度、层流质量燃烧流量和绝热火焰温度的变化规律。研究结果表明，当量比为1.1时，层流火焰传播速度和层流质量燃烧流量达到最大值，层流火焰传播随着混合气初始压力的增加而减小，随初始温度增加而增加。当量比为1.0-1.1时绝热火焰温度最高。绝热火焰温度和质量燃烧流量随着混合气初始压力和温度的增加而增加。研究表明，羟基、氧、氢等自由基引发的链反应促进了火焰传播。
　　 在内燃机均质压燃燃烧模型中，采用生成速率与敏感性方法，分析得到对正十二烷、中间产物与生成产物有较大影响的基元反应，获得不同曲轴转角位置时正十二烷燃烧反应路径图。研究揭示了正十二烷燃烧反应的衍生过程。结果表明，在低温低压时，正十二烷分解反应对正十二烷消耗的贡献率高达94.6％，由甲基、羟基对正十二烷进行提氢反应，生成较小的烯烃、烷烃和烷基的基元反应的贡献率较低。在温度、压力增加后，正十二烷发生分解反应的贡献率减少，自由基提氢反应的贡献率增加。
　　 在常压环境下，采用酒精灯燃用再生燃油和柴油，测量了燃烧火焰温度。与柴油相比，再生燃油的火焰面积小，火焰温度高。采用热重分析法研究了再生燃油和柴油燃烧生成碳烟的热重特性，再生燃油的热稳定性好于柴油，再生燃油生成碳烟的10％起燃温度高于柴油生成碳烟的10％起燃温度，两者生成碳烟的50％起燃温度相差不多。采用Coats-Redfern方法，计算了热动力学参数。结果表明，再生燃油活化能比柴油高。
　　 在186F柴油机上，开展燃用再生燃油与柴油的燃烧特性试验。结果表明，燃用再生燃油气缸内最大爆发压力和燃烧放热率峰值均高于柴油，两者着火时刻与燃烧持续期接近。柴油机燃用再生燃油与柴油在小负荷时放热率曲线均呈单峰形状，在中高负荷时放热率曲线均呈双峰形状。
　　 以FIRE模型中柴油燃料为基础，通过修正喷雾破碎模型常数，修改燃料热值，建立柴油机燃用再生燃油喷雾燃烧模拟程序。将得到的示功图与实测结果进行对比，验证了模型的正确性。对柴油机标定工况下，燃用再生燃油与柴油的喷雾燃烧过程进行仿真。结果表明，再生燃油的喷雾贯穿距离和喷雾夹角与柴油基本相同，索特平均直径比柴油大，燃油蒸发量比柴油小。在燃油喷射持续期，再生燃油燃空当量比比柴油小，再生燃油浓度比较集中。再生燃油混合气形成质量比柴油差，使得预混层流火焰速度较小。再生燃油粘度高、热值高分别是导致碳烟和NO较高的主要因素。
　　 采用同步辐射小角X射线散射技术，研究了再生燃油与柴油碳烟颗粒的微观结构特征。基于小角散射理论，通过对散射强度曲线的拟合，得到粒径尺寸分布、回转半径、表面微结构与界面特征和分形特征等统计特性。研究结果表明，再生燃油碳烟粒径较大，所产生散射强度较大，结构较松散，表面较粗糙。散射数据均呈现Porod正偏离，说明两种燃油的碳烟颗粒内部存在微结构起伏区。研究认为，再生燃油的碳烟颗粒形状与柴油类似，均为球形，但团聚状态程度较小。
　　 在186F柴油机上，开展燃用再生燃油与柴油的经济性和排放性能的试验研究。结果表明，柴油机燃用再生燃油经济性比柴油好，与柴油相比，柴油机燃用再生燃油时CO排放增加，在高转速时NOx和HC排放增加，在中等负荷时碳烟排放略有增加。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外研究情况

1．2．1 废润滑油作为能源燃料的系统评估

1．2．2 废润滑油中微量元素研究

1．2．3 废润滑油再生成燃油的研究

1．2．4 柴油机等燃烧设备燃用废润滑油与再生燃油的研究

1．2．5 柴油机代用燃料燃烧与排放的研究

1．2．6 柴油机再生燃油需要解决的问题

1．3 主要研究内容

2 再生燃油组成与理化特性试验及分析

2．1 再生燃油与柴油的烃类组成

2．1．1 试验仪器与试验方案

2．1．2 试验结果与分析

2．2 再生燃油微量元素测量与分析

2．2．1 测量原理

2．2．2 试验仪器与试验方案

2．2．3 试验结果与分析

2．3 再生燃油与柴油的理化参数

2．3．1 密度

2．3．2 粘度

2．3．3 馏程

2．3．4 十六烷指数

2．3．5 硫含量

2．4 再生燃油与柴油的热重特性

2．4．1 主要仪器和试验方案

2．4．2 热重特性表征参数

2．4．3 热动力学参数求解方法

2．4．4 试验结果与分析

2．5 再生燃油与柴油的润滑性能

2．5．1 试验原理与试验装置

2．5．2 试验结果与分析

2．6 本章小结

3 再生燃油预混层流与均质压燃燃烧动力学机理研究

3．1 模型建立

3．1．1 预混层流与均质压燃燃烧模型

3．1．2 反应机理的选择

3．2 分析方法

3．3 结果与分析

3．3．1 预混层流燃烧特性

3．3．2 均质压燃燃烧特性

3．4 本章小结

4 碳烟的氧化特性与微观结构试验及分析

4．1 常压下层流扩散燃烧及碳烟制备

4．1．1 试验方案

4．1．2 试验结果与分析

4．2 碳烟的氧化特性

4．2．1 试验方案

4．2．2 试验结果与分析

4．3 碳烟颗粒微观结构测量方法

4．4 小角散射测量

4．4．1 基本原理

4．4．2 与表征碳烟微观结构参数有关的定理

4．5 碳烟颗粒样品测量与数据处理

4．6 试验结果与分析

4．6．1 碳烟颗粒散射图像与散射曲线

4．6．2 碳烟颗粒粒径尺寸分布

4．6．3 低q区域碳烟粒子平均回转半径与平均直径

4．6．4 碳烟粒子微电子密度不均匀尺度

4．6．5 碳烟颗粒分形特征

4．7 本章小结

5 柴油机燃用再生燃油燃烧特性试验与模拟研究

5．1 试验设备和燃烧试验方案

5．1．1 试验设备

5．1．2 燃烧试验方案

5．2 试验结果与分析

5．3 再生燃油燃烧过程模型建立

5．3．1 燃烧室几何模型

5．3．2 边界条件和初始条件

5．3．3 再生燃油燃烧模型的建立

5．3．4 模型验证

5．4 计算结果与分析

5．4．1 喷雾过程

5．4．2 燃油蒸发特性

5．4．3 混合气浓度特性

5．4．4 缸内温度场与预混火焰传播速度场

5．4．5 自由基与有害排放物

5．5 本章小结

6 柴油机燃用再生燃油性能试验研究

6．1 试验设备和性能试验方案

6．1．1 试验设备

6．1．2 性能试验方案

6．2 试验结果与分析

6．2．1 经济性

6．2．2 HC排放

6．2．3 CO排放

6．2．4 NOx排放

6．2．5 碳烟排放和颗粒粒径分布

6．3 本章小结

7 全文总结与研究展望

7．1 全文总结

7．2 论文创新点

7．3 工作展望

参考文献

致谢

攻读博士期间发表论文、参加项目、所获奖励