生物柴油预混醇类燃料燃烧研究

科技 论 坛
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生物柴油预混醇 类燃料燃烧研究
刘文科 主仕军 孙 立新
（ 江苏海事职业技术学院 轮机工程学院， 江苏 南京 ２ １ １ １ ０ ０ ）
摘 要： 以生物 柴油预混醇类液 滴利 用 自由落体方式达到微重力燃烧 ， 实验 结果发 现生物柴 油预 混醇类时会有 内部不均 匀现象 ， 且
案。
结果显示 添加少部分 的醇类进 入生 物柴油 ，在不发 生微爆 的情 况
不同种的油料预混生物柴油液滴燃烧现象已被广泛的试验２ 有 下 ， 能够有效 的使平均燃烧速率提 升。 学者利用实验及模拟， 针对正己烷及十六烷液滴于微重力下做微爆 在微 重力下 ， 所有混合 液滴均在 ２ ５ ％时有 最高燃烧速率 ， 甲醇 分析， 发现直径较大的液滴因燃烧时间较长有足够的时间让内部均 在此 时最高 ， 异丙 醇则最低 ； 但在 ３ ５ ％之后 ， 异丙 醇混合 液滴将最 匀成 核 ， 微爆机率 比小液滴高且稳定 ， 后者则较 随机 。 高 ，且其燃烧速率降低 的趋势最平缓 ；而 甲醇混合液滴则相反 ， 在 生物柴油中加入醇类能增加燃烧速率并减少碳排放量， 因此本 ５ ０ ％之后燃烧 速率维持在三者中最低 ， 且降低 的趋势最剧烈 。乙醇 实验主要研究这种双组分液滴的燃烧。 藉由观察混合液滴（ 甲醇、 乙 混合液滴燃烧速率则介于两者之间。 醇或异丙醇分别加入生物柴油） 的互溶状况及微爆现象 ， 并计算不 ４结论 同组分间燃烧速率， 来对其提升燃烧效率的现象做深入的探讨。 醇类与生物柴油为两种互相溶解 的液体 ， 但当使用液滴产生器
在燃 烧时会 直接 导致微爆 ， 醇类加入生物柴油液滴有助于增加 其燃烧速 率。 关键 词 ： 生物柴油 ； 醇类； 燃烧 ； 微爆
１概 述
醇、 乙醇及异丙 醇均在组分 比 ５ ０ ％时发生微爆机率最高且容易产生
生物柴油一直以来被视为替代是石油的最佳方案， 因其碳排放 剧烈微爆 ， 导致燃烧速率在组分 比 １ ： ｌ 时达到最高。 量较低且由生物油脂中提炼， 并不会有石油耗竭的问题。而醇类的 预混液滴燃烧 时若 没有发生微爆 的现象 ， 燃烧速率则 和本 身的 添加则能替生物柴油带来特别的效果 ，在利用 柴油引擎燃烧乙醇 ， 热力性质有关 。 无论直径大小为 ０ ． ３ ８ ｍｍ或 ０ ． ５ ｍｍ的液滴 ， 甲醇 、 乙 生物柴油双组份燃料可发现 Ｎ Ｏ ｘ及 Ｃ Ｏ排放量减少， 且燃烧效率 醇及异 丙醇均在组分 比 ２ ５ ％时燃烧速率最 高 ， 之后 逐渐下降 ， 直到 提升。因此， 生质柴油预混醇类的燃烧研究可帮助寻找替代能源方 最后 因为混合液滴具有 大部分醇类性质而使燃烧速率达到最低。 此
推 出液滴至悬线后 ，透过摄影机观察会发现 内部有不均匀现象 ， 且 不论在高相对湿度 （ ６ Ｏ ％） 或者是低相对湿度 （ ＜ ２ ０ ％） 均会发生 。若 此实验利用高度 ２ ． ３ ｍ 的落塔进 行 自由落体 ， 创造 １ ０ — ２ － １ ０ ＝ ４ 内部不均匀性存在 时液滴燃烧会发生微爆 ， 使用孔径较小 的喷嘴则 的重力环境 ，并维持此 条件 ０ ． ６ ８ 秒 ，观 察液滴于微重力 下燃烧情 能降低其发生机率。液滴大小也与微爆机率有关， 直径 ０ ． ５ ａ ｒ ｍ液滴 况。 微爆机率 比 ０ ． ３ ８ ａ ｒ ｍ液滴微爆机率高 ， 而两者均在醇类组 分 比 ５ ０ ％ ２ ． ２实 验 步 骤 时最高 ， 此现象可能与在这个组分 时生 物柴 油与醇类最容 易混合不 实验 流程 主要 是由电子控制 系统来安排一 连串步骤 。 首先提升 均匀有关。 电压控制发生器产生推力将液滴打至陶瓷纤维在线， 接着移动液滴 混合液滴 的燃烧研究发现随着醇类组份 比越高 ， 产生 的碳微粒 而火焰颜色越淡 越趋近于橘色 。燃烧速 率方面 ， 当微爆发生 架台放人舱体并锁上以防止架台在落地过程中脱落， 放人阻力箱后 越少 ， 利用 马达 吊至 ２ ． ３ ｍ 的高处 ，使 用 电子 控制系统 开始实验 流程 。 时， 因液滴瞬 间破裂使 得平均燃烧速率 比无微 爆时高许多 ， 且所有 ３ 实验结果与讨论 的混合液滴均在组分比 １ ： ｌ 时燃烧最高； 无微爆的情况下， 预混液 ５ ％时燃烧速率最高（ 甲醇 ＞乙醇 ＞ 异丙醇 ） ， 由此可知添加 在微重力的环境下 ， 液滴燃烧会因为没有自然对流而使火焰呈 滴均在 ２ 现球状对称 可用此现象来确认燃烧是否处于微重力下。 少部分的醇类与生物柴油均匀混合可 以增加燃烧速率。在 ３ ５ ％ 之 后， 异丙醇混合液滴燃烧速率维持最高 ， 其燃烧速率随着组分比增 ３ ． １ 纯油料液滴燃烧现象 ． 生物 柴油燃烧 过程其火焰呈 现橘黄色 ， 燃烧 产物碳微粒受到温 加下降的趋 势最平缓 ， 乙醇其 次， 甲醇下降最剧烈 ， 直 到最后拥有大 度梯度 与斯蒂 芬流两者平衡 维持 在液滴周 围形成碳壳 ， 并 因其强度 部分醇类性 质而达到最低 。 参考文献 弱容 易破碎在燃烧 过程 中有碳微 粒不断地飘 出； 醇类 的燃烧现象则 比较不 明显 ，在燃烧 过程中会有 产物水传递并吸附在液滴表 面 ， 导 【 １ 】 张单． 微重力层流射流扩散 火焰的 图像特征与燃烧特性 【 Ｄ 】 ． 合肥 ： 致温度下 降并熄灭 。异丙 醇点燃 后的直径变化最为 明显 ， 而 甲醇则 中国科学技术大学， ２ ０ １ ４ 。 相反 ， 此现象也反映在熄灭时 的液滴直径上（ 甲醇 ＞乙醇 ＞异丙醇） 。 ［ ２ 】 刘文科。 惠节， 刘 万鹤 彳０ 用 固态强 酸型光触媒提升 甘油转化 率之 此外 ， 醇类 的火焰也 不易观察 ， 经 由调整曝光 时间后捕捉 的画面可 研 究［ Ｊ ］ ． 科技展望， ２ ０ １ ６ （ ２ ５ ） ． 『 ３ １ Ｒ ４ 文科， 惠节， 梁恩胜． 基 于微波辅助技 术制备乳化 油乳化特性 的 发现火焰呈 现淡蓝 色 ， 其 中异丙醇燃烧火焰最亮 、 甲醇则最暗 。 ３ ． ２双组分液滴燃烧现象 比较研 究『 Ｊ １ ．黑龙 江科技信 息， ２ ０ １ ６ （ ３ ０ ） 。 醇类 与生 物柴油预混燃烧 在一定机率下会发生微爆 ， 此现象为 内部挥发性较 高的物质遇高温汽化后 撑破 表面导致液滴破裂 。 混合 液滴 的燃烧 现象也 反映在火焰颜 色以及碳微粒生成上 ， 以异丙醇混 合液 滴为例 ， 当醇类 组分越 高时 ， 内部因碳微粒燃 烧而产生 的黄色 火焰 面积越来 越小 ， 取而代之 的是更淡 的橘 色 ， 而碳微粒 的生成也 会越来越少 ， 也越贴近无烟燃烧 。 ３ ． ３双组分混合液滴燃烧速率分析 醇类 与生 物柴 油预混燃烧有微爆 与不微爆两种结果 。 微爆 的结 果 因在燃烧过 程 中很快 的破裂使得燃烧 时间 比未 发生微爆 的液滴 短， 故前者速率 比后者高很多 。 掖 滴发生微爆时的平均燃烧速率， 甲