生物质油-柴油乳化油的稳定性与燃烧试验研究

生物质油-柴油乳化油的稳定性与燃烧试验研究 生物质油-柴油乳化油的稳定性与燃烧试验 研究 第40卷第4期 2010年7月 东南大学(自然科学版) JOURNALOFSOUTHEASTUNIVERSITY(NaturalScienceE~fion) Vo1.40No.4 July2010 doi:10.3969/j.issn.1001—0505.2010.04.025 生物质油/柴油乳化油的稳定性与燃烧试验研究 黄亚继仲兆平金保异李斌孙宇 (东南大学能源与环境学院,南京210096) 摘要:采用司班一80(Span一80)/吐温一80(Tween一80)复合乳化剂,制备了由生物质油/柴油混合而 成的乳化油,研究了HLB值,生物质油掺和量对乳化油稳定性的影响.在乳化油燃烧试验装置 上,研究了乳化油燃烧及SO,NO和CO等气态污染物排放特性.结果表明:生物质油体积分数 不超过15%,乳化剂HLB值在7.0—8.0之间时,乳化油具有较好的稳定性.随着烟气中含氧量 增加,乳化油燃烧温度增加,烟气中SO:和CO浓度减少,NO浓度增加.与柴油燃烧相比,乳化 油燃烧产生的SO:,CO,NO浓度较低,火焰明亮度较高,且火焰外沿有交叉闪光现象.乳化油可 作为替代石油的燃油,但需解决乳化油偏酸性,排烟热损失大,黏度高等不利因素带来的问. 关键词:生物质油;乳化油;燃烧 中图分类号:TK6文献标志码:A文章编号:1001—0505(2010)04-0794-06 Stabilityofemulsionfrombio-oilanddieseloiland experimentalstudyofcombustion HuangYajiZhongZhaopingJinBaoshengLiBinSunYu (SchoolofEnergyandEnvironment,SoutheastUniversity,Nanjing210096,China) Abstract:ByusingemulsifiersofSpan一80andTween-80.theemulsionwaspreparedbybio —Oiland dieseloi1.11heeffectof邱 LB(hydrophilelopophikbalance)valueandvolumefractionofbio.oilon thestabilityofemulsionwasstudied.Tl1ecombustionandgaseouspollutantscharacteristicsofemu1. sionwerealSOstudied.Theresultscanbesummarizedasfollows:whenmevolumefractionofbio.oil iSnotmorethan15%andtheHLBvalueisbetween7.0and8.0.emulsionCanremainstable.Wim theincreaseofoxygeninfluegas,thecombustiontemperatureandtheNoconcentrationofemulsion areincreased.andtheconcentrationsofSO2andCOaredecreased.Thecombustiontemperatureand theconcentrationsofSO2,NOandCOofemulsionarelowerthanthoseofdieseloilwiththesame fluegasoxygen.Comparedwithdieseloilflame,theflameofemulsionhashigherbrightnessandthe outeredgeofflameshowscross— flashphenomenon.EmulsionCanbeusedasanalternativeoilfue1. buttheproblemsofloweracidity,largerexhaustheatloss,higherviscosityneedtobesolved. KeYwords:bio.oil;emulsion:combustion 生物质油良好的排放性能指标使其具有替代传 统石化燃料的潜力,但是生物质油热值低,化学成分 复杂,热稳定性差,流动不畅,改性提质复杂等 缺点限制了生物质油的应用.为了加速这种可再生 液体燃料的商业化应用进程,目前关于生物质油的 应用研究主要集中在生物质浊/柴油乳化技术及乳 化油对发动机性能影响方面[].但是由生物质油与 柴油混合产生的乳化油十六烷值低,着火性能差,偏 酸性,燃用时会对发动机的喷嘴和排气阀等部件产 生较大的损坏作用,发动机很难长期稳定运转引.而 收稿日期:2010-03—16.作者简介:黄亚继(1975一),男,博士,副教 授,heyyj@seu.edu.ca. 基金项目:国家重点基础研究发展(973计划)资助项目(2007CB210208),江苏 省"青蓝"基金资助项目(JS0801),东南大学优秀 青年教师资助项目(4003001012). 引文格式:黄亚继,仲兆平,金保舁,等.生物质油/柴油乳化油的稳定性与燃烧试验研 究[J].东南大学:自然科学版,2010,40(4):794— 799.[doi:10.3969/j.issn.1001—0505.2010.04.025] 等:生物质油/柴油乳化油的稳定性与燃烧试验研究795 第4期黄亚继, 且发动机燃用乳化油时还会产生新的尾气排放物 (如未燃醇,甲醛等)J.相比而言,未经提质的生物 质油与柴油乳化后应用于燃油锅炉作为替代燃料是 目前利用生物质油达到节能减排最为有效的措施. 本文采用司班-80(Span一80)/吐温一80(Tween一 80)复合乳化剂,制备了由生物质油/柴油混合而 成的乳化油,研究了HLB值,生物质油掺和量对乳 化油稳定性的影响.同时在生物质油燃烧试验装置 上,研究了乳化油燃烧及SO,NO和CO等气态 污染物排放特性.研究结果为生物质油进一步应用 提供参考. 1试验原料与 试验所用原料包括生物质油,0号柴油和乳化 剂,其中生物质油为稻壳快速热解液体产物.生物 质油和0号柴油的特性参数见表1,乳化剂采用由 非离子型的司班一8O(Span一80)和吐温一8O(Tween一 80)2种乳化剂调制而成的不同亲水一亲油平衡值 (HLB)的复合乳化剂.选用Span一80和Tween一80 的原因是:Span一80和Tween一80的分子结构中都含 有失水山梨醇单油酸酯,彼此的碳氢分子链之间能 够很好地相互吸引,而且Span-80分子很容易楔入 Tween.80分子的排列空隙中,从而有助于乳化油 的稳定. 从表1可以看出:?生物质油含水分多,黏度 大,热值低,从而严重影响了生物质油的热值和着火 性能,生物质油易发生分层.?生物质油含氧量高 达58.06%,一方面说明生物质油是含氧燃料,可以 局部改善燃料的燃烧过程;另一方面说明生物质油 中各种含氧的有机化合物含量高,主要有醛,醇,酮, 酸和含有多种取代基的苯酚,这些有机物容易发生 反应,主要有酸和醇的反应,醛和水的反应,醛和醇 的反应,醛和酚在酸性条件下的反应,从而导致生物 质油的稳定性较差.?生物质油中灰分低,硫和 氮含量低,燃烧时对环境污染小.?由于大量有机 酸的存在,生物质油的pH值远低于柴油 表1生物质油与0号柴油的特性参数% 注:ar表示收到基;Q.表示收到基低位发热量;v为黏度 2乳化油制备 虽然乳化剂含量越大,乳化油中表面活性剂占 的比例越高,乳化油稳定性越好.但是乳化剂价格 昂贵,过多使用必然增加乳化成本,不利于市场推 广.同时,增加乳化剂含量势必会降低乳化油的热 值,不利于燃烧.由试验可得乳化剂用量以体积分数 4%为宜.配制时,先将乳化剂加入0号柴油中搅拌 均匀后,缓熳加入生物质油,再次搅拌均匀.本文选 定生物质油的添加量在5%一15%之间,主要基于以 下原因:如果生物质油量太小,代用效果不明显,经 济性差,试验研究的意义不大;如果生物质油量太 大,由于生物质油中含有28%的水分,会影响乳化 油的稳定性,十六烷值,热值,着火及燃烧性能等. 3乳化油燃烧试验 乳化油燃烧系统流程图如图1所示.该系统由 油供给系统,送风系统,燃烧室,烟气在线分析,温 度控制等组成.油供给系统由油罐,压力表,油过滤 器等组成;油雾化和燃烧所需要的空气由空压机提 供,储油罐与压缩空气源相连,压缩空气的压头提 压缩 空气7891011121314 1一油罐;2一减压阀;3一燃烧空气管;4一压力表;5一空气流量计; 6__喷燃器;7一油管;8一雾化风管;9一油过滤器;1o__油流量计; 11一观察孔;12一卧式炉;13一热电偶;14一烟气分析仪 图1乳化油燃烧系统流程图 供油雾化所需的压力;油过滤器可以有效去除油中 的微小颗粒;燃烧室由喷燃器和卧式炉组成,卧式 炉内部直径+104l'nin,长度为1.2m.在卧式炉炉 膛中间和出口分别设置热电偶.采用德国罗斯蒙特 NGA2000型多功能气体分析仪在线监测卧式炉出 口烟气成分.在卧式炉上设置观察孔,采用高像素 的数码相机对燃烧过程进行观察和拍照,分析火焰 形状,火焰明亮度等火焰特征. 燃烧试验工况见表2. 796东南大学(自然科学版)第40卷 4结果与讨论 4.1乳化油稳定性分析 表3是静置24h后的乳化油稳定结果.由表可 见,乳化油中掺人生物质油量越大,乳化油颜色越暗, 其稳定性就越差.乳化剂最佳HLB值在7.0,8.0之 间,当生物质油体积分数不超过15%时,乳化油有较 好的稳定性,稳定时间超过1d;当生物质油体积分 数降到10%时,乳化油稳定时间超过17d.若生物质 油体积分数达到30%,稳定时间不会超过12min, 其原因可能是生物质油中的某一种或几种不稳定因 素(如极性较大的物质)影响了乳化油的稳定性,建 议可以利用某种试剂或某种方法去除生物质油中部 分极f生较大的物质,从而延长乳化油的稳定时间. 表3乳化油稳定结果 p(生物质油)/% 乳化剂HLB值 5.05.56.O6.57.O7.5 分层分层分层稳定稳定稳定 分层分层分层不稳定稳定稳定 分层分层分层不稳定稳定稳定 分层分层分层分层分层分层 8.08.5 稳定稳定 稳定稳定 稳定分层 分层分层 9.09.5 不稳定分层 分层分层 分层分层 分层分层 5 1O 15 30 4.2乳化油燃烧结果分析 为了比较乳化油与0号柴油燃烧特性的差别, 对HLB为7.0,生物质油体积分数分别为5%和 15%的2种乳化油进行了燃烧特性试验.这2种乳 化油pH值分别为4.8和4.0,40oC时的黏度分别 为4.5和5.0,收到基低位发热量为38.64和 35.69MJ/.当在柴油中添加少量生物质油时,乳 化油的pH值下降较快.pH值是衡量油品腐蚀性 和使用性能的重要依据,pH值较小的燃油,喷嘴容 易结焦,影响雾化和燃烧性能_3].乳化油偏酸性, 如长期使用,势必会造成燃油喷嘴积碳与腐蚀.生 物质油的黏度比柴油高出近3倍,相应乳化油的黏 度也比柴油高.这就对乳化油流动性和其在燃烧室 的雾化状况产生很大影响.乳化油的高黏度性使得 乳化油的喷束雾化锥角比柴油小,不利于雾化,在 相同外界条件下喷射出的乳化油量少,故若要维持 锅炉负荷不变,需适当加大喷嘴直径,匹配好雾化 锥角和喷油压力.生物质油的热值约为柴油热值的 1/3,随着生物质油掺和量的增加,乳化油热值逐渐 降低. 4.2.1燃烧温度 图2为乳化油和柴油的燃烧温度分布图.由图 可以看出,燃烧温度随着含氧量的增加而增加,随 着乳化油中生物质油含量的增加而降低.乳化油在 各种工况下的燃烧温度均比柴油略有降低,原因可 以解释为:?乳化油的热值比柴油低.?乳化油 中的水喷人炉膛后,发生汽化和水煤气反应,此2 类过程均为吸热过程,降低了炉内炽热部位的峰值 温度.?水和水蒸气的热导率大于油和油蒸气的 热导率,水的微爆作用形成二次雾化,提高了混合 均匀度,使油粒更加细化,反应面积大增,从而使预 混燃烧量增加,扩散燃烧量减少,炉内局部高温区 受到抑制. 图2燃烧温度分布图 4.2.2烟气成分 图3为乳化油和柴油燃烧产生的烟气中SO 质量浓度随0的变化图.总体水平而言,乳化油 燃烧产生的SO质量浓度小于250mg/m,比柴油 燃烧产生的SO:质量浓度有所降低.生物质油中 含硫量远低于柴油,只有柴油的1/8,生物质油掺 和比例越高,乳化油含硫量越低,燃烧产生的烟气 中SO,质量浓度也越低. 烟气中NO的生成需具备3个要素:?高温 (含局部高温);?富氧(含局部富氧);?氮与氧在 高温下较长的停留时间.这3个要素缺一不可,必 须同时具备,NO才能生成.所以,要降低烟气中 第4期黄亚继,等:生物质油/柴油乳化油的稳定性与燃烧试验研究797 I 目 ? 首 一 乜 图3烟气中O与SO:的关系 NO浓度,只要控制其中1,3个要素就能奏效.图 4为乳化油和柴油燃烧时NO的排放特性.由图4 可以看出,乳化油燃烧时,随着烟气中含氧量的增 加,燃烧温度逐渐升高,燃烧区域内氧浓度增大,导 致生成更多的NO,这和热力型NO的产生机理 相吻合.与柴油相比,乳化油燃烧产生的NO浓 度均有较大降幅,主要原因是:?乳化油燃烧时, 微爆作用的存在降低了局部富氧.?生物质油中 的水发生汽化和参与化学反应时吸收热量,使得燃 烧温度和燃烧室壁面温度降低,同时促进燃烧室内 各部位的混合温度和浓度均匀化,防止局部高温的 形成.?生物质油中的水在火焰区与氧原子生成 大量氢氧根离子,氢氧根离子很难与氮原子结合, 从而使得NO生成速率减慢_8. f 童 图4烟气中O:与NO的关系 图5为乳化油和柴油燃烧时烟气中CO质量 浓度随0:的变化图.从图5可以看出,随着空气量 的增加,烟气中CO质量浓度呈下降的趋势.在较 小的过剩空气系数下,由于液雾颗粒群与助燃空气 之间的混合不良,造成颗粒平均直径有所增大,也 必将延长其蒸发时间与燃烬时间,部分未能与氧气 接触的组分受热气化形成CO而未能在短距离,短 时间内及时燃烬,使得还原性气体产物CO的质量 浓度增加.在较大的过剩空气系数下,氧量充 足,CO排放可以控制在250mg/m左右,但增加 燃烧空气量势必会产生更多的NO. ' 目 ? 营 8 图5烟气中o与CO的关系 从图5还可以看出,乳化油燃烧产生的CO质 量浓度总体上低于柴油.本文还采用安捷伦7820 气相色谱分析仪离线分析了烟气中H:,CH质量 浓度.分析表明H:,CH质量浓度接近于零,从而 说明乳化油燃烬度较高,主要原因可以归纳为以下 3点. 1)乳化油中的水参与了一系列的化学反应, 生成H,O,OH等活性物质,使得燃烧反应进行更 为彻底_l.水参与燃烧反应有2种方式:?参与 链传播并产生更多的原子和自由基或者直接参与 反应,主要反应为 H,O与H反应 H2o+H-*OH+H2,H2+O.+oH+H OH+H叶H2+O H,O与O反应 H2O+0—}OH+OH,OH+H—}H2+O ?在缺氧条件下,由于高温裂解,油粒子燃烧过程 中产生难以燃烧的碳粒子.当有水蒸气存在时,高 速汽化的水微粒中氧与碳粒子充分结合,使未完全 燃烧的碳粒子被完全燃烧成二氧化碳和氢气,从而 较大提高了喷雾效果和燃烧效率,提高了乳化油的 化学能转化为热能的转换速率,同时也使排烟中碳 粒子浓度大幅度降低,节省燃料.H:O与c的反应 为 H2O+C—+Co+H2,2H2O+C—+CO2+2H2 上述反应生成的H:和CO与O又发生燃烧 反应为 2H2+02—也H2O,2CO+O2—CO2 2)由于油的沸点比水高,在很高的炉膛温度 下,水总是先达到沸点而沸腾或蒸发,含有水的油 滴在万分之一秒内体积瞬间增大1500倍左右,其 汽化膨胀过程相当于一次极小的爆炸.当油滴内部 的压力超过油的表面张力和环境压力之和时,水蒸 气产生的巨大压力将冲破油膜的阻力而使油滴爆 炸,发生二次雾化,使油雾化成更细小的油滴,与空 798东南大学(自然科学版)第40卷 气接触的比表面积也相应增加1O倍左右,从而改 善了油气混合质量,提高了燃烧速率,减少了气体 不完全燃烧损失. 3)在油包水型乳化油中,水一油之间非连续 相的表面张力要比连续相的纯柴油弱,因此,非 连续相之间的薄弱处就成了最易发生破碎雾化 的微观区域.当乳化油由喷嘴喷出,在空气中作 高速运动时,油束在空气的扰动下变得极不稳 定,加之油_zK不连续界面较易破碎,促使乳化油 得到良好的雾化.但是,若乳化油中含有较多的 水,则会带来下列不利影响:?水的汽化潜热大,要 从炉膛中吸收热量,使燃烧温度降低,缩短了CO 的氧化时间,不利于CO燃烬.?为了防止受热面 高低温腐蚀,必须提高排烟温度,且水分存在于烟 气中,折算至相同发热量下的乳化油烟气量也比燃 烧柴油的烟气量大,对于燃油锅炉,最大的热损失 主要是排烟热损失.再加上烟气中含湿量增加,尾 部受热面积灰势必会加重,因而可以推断实际锅炉 燃烧高水分乳化油时,锅炉效率比燃烧柴油低. 4.2.3燃烧火焰 图6为乳化油和柴油燃烧时的火焰照片.从 图6可以看出,乳化油燃烧时,火焰呈现强烈的 湍流结构,液雾主流区域(炉膛中部)燃烧最强 烈,温度最高,碳粒子的高温燃烧使火焰呈炽热 的白色,在燃烧过程中有炭黑粒子的燃烧和水的 微爆现象.从燃烧火焰中可以观察到火焰外沿有 交叉闪光现象,且火焰外沿极不规则形状较为复 杂.在相同负荷下,乳化油火焰比柴油火焰明亮, 这是由于火焰的明暗与碳烟的产生直接相关,乳 化油燃烧时产生了大量炭黑粒子,增强了火焰和 周围物体的辐射换热12]. (a)乳化油(b)柴油 图6燃烧火焰照片 5结论 1)乳化剂最佳HLB值在7.0—8.0之间,当 生物质油体积分数不超过15%时,乳化油有较好 的稳定性,稳定时间超过1d;当生物质油体积分数 降到10%时,乳化油稳定时间超过17d.由于生物 质油中极性成分的影响,当生物质油体积分数达到 30%时,稳定时问不超过12min. 2)乳化油燃烧时,随着含氧量的增加,燃烧温 度相应增加,燃烧产生的烟气中SO和CO浓度下 降,NO浓度上升.乳化油中的水在燃烧过程中起 到一种媒介作用,这种媒介作用对能量的转换速率 与传递速率具有重要的影响.乳化油燃烧产生的 SO,CO,NO浓度均低于柴油,火焰明亮度较高, 且火焰外沿有交叉闪光现象,火焰外沿极不规则形 状较为复杂. 3)生物质油与柴油制备的乳化油是一种"绿 色能源",但实际应用过程中需解决下列问题:乳 化油偏酸性,易引起喷嘴腐蚀和结焦;乳化油含水 量大,燃烧时锅炉效率低于柴油锅炉;乳化油黏度 高,不利于雾化,且喷油量有所降低. 参考文献(References) [1]柏雪源,吴娟,王丽红,等.生物质热解生物油/柴油 乳化燃料的制备与试验[J].农业机械,2009,40 (9):112—115. BaiXueyuan,WuJuan,WangLihong,eta1.Prepara- tionofemulsifiedfuelfrombiomasspyrolysisderived bio—oilanddieselandtheiruseinengine[J].Transac? tionsoftheChineseSocietyfo,AgriculturalMachinery, 2009,40(9):112—115.(inChinese) [2]IkuraMichio,StanciulescuMaria,HoganEd.Emulsifi? c~ionofpyrolysisderivedbio—oilindieselfuel『J].Bi. omassandBioenergy,2003,24(3):221—232. [3]王黎明,王述洋.生物燃油/柴油乳化燃油的理化特 性研究[J].太阳能,2008,29(5):536—538. 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