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微乳化燃料的制备与其在柴油机上的应用分析.pdf

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中文摘要 I 摘 要 在全球能源危机的影响下,世界各国都在积极寻找可再生、清洁的石化燃料替代品。在众多的替代燃料中,生物柴油以其与柴油相当的能量密度,不含硫和芳香烃、含氧可再生等优点,被认为是最有前途的石化柴油替代品。目前, 生物柴油在柴油机上的应用主要采用与柴油混烧的方式,但是在柴油中掺 烧生物柴油后,柴油机的 NOx 排放量增加。根据 NOx 的生成机理,在燃油中掺水形成微乳化油 是有 效降低 NOx 排放量 的措施之一 。 本文针对 在 柴油机中掺烧生物柴油后 NOx 排放偏高的问题,在 不添加任何表面活性剂的条件下,利用生物柴油分子的亲油亲水性,乙醇为助表面活性剂,采用化学滴定法 在三元相图上 确定了形成柴油 /生物柴油- 乙 醇- 水微乳化燃料 的 相区 ; 通过均匀设计方法与发动机台架试验确定了使发动机综合性能最优的柴油 /生物柴油-乙醇-水微乳化燃料掺烧比,并在发动机试验台架上进行了应用研究。结果表明, 在保持发动机动力性能不变的条件下,柴油机燃用柴油 /生物柴油-乙醇-水微乳化燃料时, NOx 排放量大大降低,同时碳烟的排放量也明显下降。因此,所制备的微乳化燃料能有效 解决 柴油机燃用柴油 /生物柴油时 NOx 排放偏高的问题。论文的主要内容包括 ① 采用化学滴定法绘制了柴油 /生物柴油-乙醇-水拟三元 体系的三元 相图,相图中单相区内混合液为稳定、透明的 柴油 /生物柴油 -乙醇-水微乳化液。确定了不同乙醇含量及不同生物柴油与柴油混合比条件下形成 柴油 /生物柴油 -乙醇-水微乳化燃料 的最大掺水量。 ② 采用均匀设计的方法设计了掺烧比试验方案,并 在柴油机 试验 台架上进行了发动机动力性、经济性和排放性 试验 ,以研究具有不同柴油 /生物柴油、乙醇和水掺烧比的微乳化燃料的燃烧特性。然后 采用逐步回归的方法对试验结果进行分析 处理 ,得到了 以发动机功率、有效燃油消耗率、 NOx 和 碳烟 排放量为评价指标的回归方程,获得了使各个评价指标最优的掺烧比 及 使发动机综合性能最优的 柴油 /生物柴油 、乙醇和水的 掺烧比。 ③ 以生物柴油中脂肪酸甲酯含量为基础, 应用纯组分特性参数估算公式估算脂肪酸甲酯的物性参数, 然后 采用一定的混合法则 估算了生物柴油 以及 微乳化燃料的燃料特性。 为进一步进行发动机工作过程模拟计算奠定了基础。 ④ 应用 GT-power 软件建立 了 柴油机工作过程数值模拟模型,并 对 柴油机燃用普通柴油 、生物柴油 与微乳化燃料时的发动机性能 进行了数值模拟 。 结果 表明数值模拟结果与试验结果吻合 较好,表明 建立 的柴油机数值模拟 模型 是 合理 的 ;重庆大学硕士学位论文 II 在保持柴油机动力性 不变的 条件 下,柴油机燃用微乳化燃料能够有效降低 NOx 与碳烟排放量 。 关键词 微乳化,三元相图, 均匀设计, NOx 排放 英文摘要 III ABSTRACT Under the influence of global energy conjuncture, researchers try to find clean and renewable alternative fuels for fossil oil. Compared with other alternative fuels, biodiesel is renewable, oxygenous, non-containing sulphur and aromatic hydrocarbon and its physical properties are almost the same as that of diesel. As a result, it is considered to be one of the most suitable alternative fuels for diesel engine. Nowadays, biodiesel is mainly used in diesel engine by blending with diesel, which results in increase in NOx emission. According to the mechanism of NOx ation, blending diesel/biodiesel with water to microemulsion is one of the effective measures to reduce NOx emission. This paper focus on solving the problem of higher NOx emission from the diesel engine fueled with biodiesel. The phase region of the diesel/biodiesel-ethanol-water microemulsion was determined in the three phase diagram by making use of the characteristic of biodiesel’s potential amphiphile and ethanol as a co-surfacant without adding any surfactant by titration. The blending ratio of microemulsion was determined to obtain the best perance of a diesel engine fueled with the microeulsion through the uni design and the bed tests, and then the fuels were tested on the test bed. The results indicated that the NOx emission was greatly decreased and the soot emission was also reduced obviously by keeping the brake mean effective pressure constant when the diesel engine ran on the diesel/biodiesel –ethanol -water microemulion. So the prepared microemulsion could be used to solve the problem of the higher NOx emission of the diesel engine fueled with the diesel/biodiesel mixture. The main contents include ① The instantaneous and stable pseudo phase diagrams of the three component system were obtained by titration and the mixture in single-phase region composed of biodiesel/diesel-ethanol-water was microemulsion, and then the maximum water blending volume was determined in mixture of biodiesel, diesel and ethanol with different blending ratio. ② The experiment scheme was made by uni design and then the microemulsions with different blending ratio were used in the diesel engine in order to study the combustiuon properties of the micoemulsions. Test results was analysed by stepwise regression to obtain the four regression equations by taking the engine brake power, brake specific fuel consumption, NOx emission and soot emission as dependent 重庆大学硕士学位论文 IV variable and the blending ratios for the best values of the dependent variables and the best engine perances respectively. ③ Based on the fatty acid methyl ester composition in biodiesel, the physical properties of fatty acid methyl esters were calculated with the estimated s for pure compositions and then physical properties of the biodiesel and the tested microemulsion were estimated by the mixed rules, fuel properties were necessary for the numerical simulation of the operating cycle of a diesel engine. ④ The engine perances running on diesel, biodiesel and microemulsion were simulated based on GT-power software. The results showed that the numerical results were coincided with the experimental data which indicated the model was established correctly and NOx and soot emissions were reduced effectively with the application of the microemulsion in diesel engine on the condition of constant brake mean effective pressure. Key Words Microemulsion; Ternary Phase Diagram; Uni Design; NOx Emission 目 录 V 目 录 中文 摘要 .......................................................................................................................................... I 英文摘要 ....................................................................................................................................... III 1 绪 论 ......................................................................................................................................... 1 1.1 课题研究背景与意义 ............................................................................................................... 1 1.2 微乳化燃料的研究现状 ........................................................................................................... 2 1.3 本文的研究目的及主要内容 ................................................................................................... 3 2 柴油 /生物柴油-乙醇-水微乳化燃料的制备 .................................................. 5 2.1 胶团溶液与微乳化液 ............................................................................................................... 5 2.1.1 胶团溶液与微乳化液的性质 ............................................................................................ 5 2.2 微乳化液的结构 ....................................................................................................................... 7 2.3 微乳化液的形成机理 ............................................................................................................... 8 2.3.1 瞬时负界面张力形成机理 ................................................................................................ 8 2.3.2 双重膜理论 ........................................................................................................................ 9 2.3.3 几何排列理论 .................................................................................................................... 9 2.3.4 R 比理论 ........................................................................................................................... 11 2.4 微乳化燃料的制备 ................................................................................................................. 12 2.4.1 试验仪器及试剂 .............................................................................................................. 12 2.4.2 微乳化燃油的制备方法 .................................................................................................. 12 2.5 本章小结 ................................................................................................................................. 23 3 微乳化燃料的掺烧比试验研究 ................................................................................. 25 3.1 试验设备 ................................................................................................................................. 25 3.2 试验方案设计 ......................................................................................................................... 26 3.2.1 掺烧比试验问题的特点 .................................................................................................. 26 3.2.2 试验方案的确定 .............................................................................................................. 27 3.2.3 均匀设计表构造方法 ...................................................................................................... 28 3.3 试验结果及数据分析 ............................................................................................................. 33 3.3.1 NOx 回归分析 .................................................................................................................. 34 3.3.2 燃油消耗率回归分析 ...................................................................................................... 36 3.3.3 功率回归分析 .................................................................................................................. 37 3.3.4 烟度回归分析 .................................................................................................................. 38 3.3.5 基于排放的综合优化 ...................................................................................................... 40 重庆大学硕士学位论文 VI 3.4 本章小结 ................................................................................................................................. 41 4 柴油机燃烧微乳化燃料的性能研究 ...................................................................... 43 4.1 发动机模型的建立 ................................................................................................................. 43 4.1.1 发动机工作过程数值模拟计算的理论基础 .................................................................. 43 4.1.2 燃料特性的估算 .............................................................................................................. 44 4.1.3 发动机模型 ...................................................................................................................... 56 4.2 微乳化燃料的发动机模拟仿真结果 ..................................................................................... 57 4.2.1 发动机燃油经济性 .......................................................................................................... 57 4.2.2 发动机 NOx 和碳烟排放性 ............................................................................................ 59 4.3 本章小结 ................................................................................................................................. 63 5 结论与展望 ............................................................................................................................ 65 5.1 结论 ......................................................................................................................................... 65 5.2 工作展望 ................................................................................................................................. 66 致 谢 ...................................................................................................................................... 67 参考文献 ...................................................................................................................................... 69 附 录 ......................................................................................................................................... 73 作者在攻读学位期间发表的论文目录 ........................................................................................ 73 1 绪 论 1 1 绪 论 1.1 课题研究背景 与意义 近 年 来,国际油价的跌宕起伏牵动着世界各国的神经。据国际权威机构 英国BP 公司 的 BP 世界能源统计 2010 估计,世界已探明的可 开 采石油 总量 , 根据目前的开采速度, 大约只可维持 45 年 [1]。 我 国是能源消耗大国 , 2009 年 的原油消耗量 占全球原油消耗量的 10.4,仅次于美国。 而我 国自身的石油储量只占全球总量的 1.1[1], 因此我国的石油 来源 极大的依赖 于 进口。 2007 年 我国石油净进口量占国内石油消费量的比例 已 达到 50, 2009 年估计已升至 56[2]。 据 国际能源机构 IEA预测,随着越来越多中国消费者购买汽车,到 2030 年,我 国石油消耗量的80需要依靠进口。 鉴于我 国未来发展对石油产品的大量需求, 如此高 的进口依赖度极大的对我国能源安全产生了威胁,因此开发新能源缓解我国的能源危机迫在眉睫。 在我国石油消费构成中, 主要消费在工业部门,其次是交通运输业、农业、商业和生活消费等部门。其中,工业石油消费占全国石油消费总量的比重一直保持在 50以上;交通运输石油消费量仅次于工业,占 25%左右 [3]。柴油作为 我 国经济增长的关键动力,不论是在工业部门还是在交通运输业中都占有重要地位。 虽然2009年受国内经济滑坡影响,工业和交通运输等主要用油部门柴油需求 萎缩,但是随着我国经济的持续发展 以及越来越多的轿车使用柴油机 , 柴油的需求量会逐年增加。能否保证柴油的充分供应,已经成为能够影响我国经济发展的关键因素 [4]。因此 在 这种 背景下,寻找清洁、可再生的柴油机替代燃料是缓解国家能源危机和保证我国经济 可持续发展 最有效 的 方法之一。 在已开发的柴油替代燃料中, 由于 生物柴油 的燃料特性与柴油最为接近且 具有可再生、环保的特点 , 其在柴油机上的应用 已经 成为 国内外学者的研究 热点 [5-7]。在长期的研究中发现 [8-14] 在不改变柴油机结构的条件下,燃用纯生物柴油 虽然对柴油机动力性、经济性影响较小,且能 有效 降低 CO、 HC、 CO2和 碳烟的排放 量 ,但 是生物柴油粘度偏高 ,会导致其低温流动性能差 ;在柴油机上燃烧生物柴油容易引起喷油孔、活塞环积碳问题 ;生物柴油氧化 安定性差,含水量与酸性物质较多, 易 使柴油机的橡胶件、金属件腐蚀、磨损加剧;另外还 会导致 NOx排放的增加。这些缺点 使得纯生物柴油在柴油机上的应用 受到限制。 解决上述 问题最经济 、实用的措施之一是将生物柴油与柴油 掺混形成混合燃料 。然而 柴油 /生物柴油 混合燃料 在使用时依然存在 NOx排放偏高 的 问题 [15-17]。为了进一步改善燃料的特性以降低柴油机 NOx排放量,国内外学者 在 柴油 /生物柴油 混合燃料中 掺入适量乙醇 或重庆大学硕士学位论文 2 水 形成乳化燃料 ,利用乙醇 和水 的高 汽化濳热 来 降低气缸内的温度 ,从而达到 降低 NOx排放的目的。 已有的 试验 结果表明 这种方 法 是 可行 的 [18-22]。 由于乳化燃料存在稳定性差、乳化设备昂贵、乳化后燃料粘度高以及乳化燃 料外观呈乳白色、混浊状等缺点,使得乳化燃料的推广应用受到制约。 而 微乳化燃料具有稳定性高、制备简单且无需乳化设备、 微乳化后燃料粘度上升不大且微乳化燃料外观与普通燃油一致等优点, 已逐渐取代乳化燃料成为研究的重点。 1.2 微乳化燃料的 研究现状 柴油机燃用乳化燃油的研究始于二十世纪 70 年代, 1973 年爆发的石油危机,世界油价猛涨,致使世界各国认识到节油技术的重要 性 ,欧洲各国纷纷加紧了许多关于乳化油和燃料掺水燃烧的试验研究。 1981 年国际燃烧协会第一届年会决定把燃油掺水燃料作为三大节能措施之一。 我国在 20 世纪 50 年代末进行了大规模的柴油掺水试验,但未能得到良好的效果。进入 80 年代后,国家科委和中科院联合发文,对柴油机和汽油燃用乳化油技术进行攻关,并取得了不错的成果,初步研制出能用于发动机燃烧的乳化油 [18]。 由于微乳化燃料相比乳化燃料具有 稳定性高、制备简单 、 外观与普通燃油一致等优点 , 已逐渐取代乳化燃料成为研究的重点。 近年来,国内 外 学者 在微乳化 燃料 的 制备方面 开展了相关的研究并 取得了 一定 的研究成果。 W.L.Griffith 等 [24]通 过柴油、多种醇类、植物油和水相溶性研究,表明在表面活性剂存在条件下,柴油与多种植物油、醇类和水均能够形成单一、稳定、透明的微乳化液。同时对微乳化液的物理特性行进了分析,结果显示微乳化燃料粘度和密度较柴油稍高。 Neuma等 [25]以 水、炼制柴油和大豆油为 基本 原料 向其中添加多种表面活性剂和助表面活性剂 ,开发了可替代柴油的新微乳化 液体系,其中组成为柴油 3.16g、大豆油 O.790g、水 0.050g、异戊醇 0.338g、十二烷基碳酸钠 0.676g 的微乳化 液性质与柴油最为接近。 Evandro J.Silva 等 [26]以油酸、十二烷基胺为表面活性剂来配置柴油-乙醇微乳化燃料。研究了表面活性剂种类、配制温度、乙醇掺入量对柴油-乙醇 微乳化燃料微观结构 的影响 ,表明十二烷基胺可使柴油、乙醇形成稳定的微乳化燃料。 辛雪梅 [27] 在以柴油为油相、水为分散相、醇为助表面活性剂的体系中,分别考察了十六烷基三甲基溴化铵、油酸盐及氨水对体系 中最大水增溶量的影响。最终确定出采用三甲基溴化铵、油酸盐、氨水 和 异戊醇作为微乳化液的乳化剂。该种微乳化配方不仅经济性好,生产过程简单而且配制出的 微乳化燃料 外观清澈透明、长期储存不分层,适合工业生产。 另外,在微乳化燃料的应用方面国内外学者也进行了 一些初步探索 。 Raúl Ochoterena 等 [28]在添加自行配制的乳化剂的条件下, 分别配制出柴油-水乳化燃1 绪 论 3 料 与柴油-水 微乳化燃料 ,并 在 一台单缸柴油机 上 分别 燃用乳化 燃料 、微乳化燃料与普通柴油 ,结果表明 在 1200r/min 转速下 , 三种燃料中 柴油机 燃用 微乳化燃料 排放的 NOx 与碳烟量最低。 G.R.Kannan 等 [29]以 span80 为表面活性剂配制生物柴油-柴油-乙醇-水微乳化 燃料 ,并在一台直喷柴油机上对该种燃料进行试验研究,结果发现 1500r/min 时,所有负荷下微乳化燃料的有效燃油消耗率 均 比生物柴油略高,但是热效率接近;燃用微乳化燃料排放的 NOx 与碳烟相比柴油为低。Qi 等 [30-31]同样 以 span80 为表面活性剂配制出 生物柴油 - 乙醇 - 水 微乳化燃料 ,并对 一台单缸 柴油机在 1500r/min转速下燃用 该种微乳化燃料 的燃烧性能进行了 试验研究, 结果 表明 , 微乳化燃料 相比生物柴油 在所有负荷下 均 能有效降低 NOX 的排放量, 但 有效 燃油消耗率略微增加; 在高负荷时能有效降低碳烟的排放, 且 对发动机其它性能无重大影响。 谢洁等 [32]选择油酸作为表面活性剂配制了多种配比的柴油 - 甲醇微乳化燃料 , 在 1500r/min 和 2000r/min 转速下的 试验 结果 得出微乳化燃料与柴油具有相近的发动机动力性和热效率 , 但 NOx 排放比燃用柴油时 为 高 ,碳烟排放比燃用柴油时 为 低的结论。另外,随供油提前角的推迟 , NOx 排放快速下降 , 碳烟排放变化不大 , 推迟供油可使柴油-甲醇 微乳化燃料 获得更好的排放水平。 从已发表的论文来看, 目前对 微乳化燃料的发动机性能研究依然较 少, 对微乳化燃料降低柴油机 NOx 排放量的效果还存在一定争议, 并且制备微乳化燃料需添加较多的乳化剂 ,然而乳化剂价格昂贵, 大量配制微乳化燃料势必使其 生产成本升 高,不利于微乳化燃料的推广。本文研究则是在 未 添加任何乳化剂的条件下,仅利用生物柴油分子的亲油亲水性 [33-34]来配制 柴油 /生物柴油 -乙醇-水微乳化燃料 ,并对 其 发动机性能进行研究 ,为微乳化燃料的进一步发展奠定基础。 1.3 本文的 研究目的及主要内容 本课题研究旨在 利用生物柴油分子的亲油亲水性,乙醇为助表面活性剂来制备柴油 /生物柴油 -乙醇-水微乳化燃料并以此来解决 柴油机燃烧柴油掺烧 生物柴油时 NOx 排放偏高的问题。通过柴油机台架试验 , 分析比较 不同 柴油 、 生物柴油 、乙醇和水 掺烧比 下, 柴油机 的动力性、经济性和排放性 从而获得 使发动机 动力性、经济性和排放性 综合最优的掺烧比 ; 通过柴油机工作过程数值模拟计算, 比较 柴油机 燃用普通柴油、生物柴油与微乳化生物柴油时, NOx 以及碳烟 排放量的变化,评估该微乳化燃料的使用可行性, 为生物柴油 与微乳化燃料 的广泛应用奠定基础。主要研究内容 如下 ① 柴油 /生物柴油 -乙醇-水微乳化燃料的 形成机理 分析及其 制备 方法。 采用化学滴定方法绘制 柴油 /生物柴油 -乙醇-水的拟三元相图, 分析该三元体系的相
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