醇基燃料燃烧产物特性半工业实验研究论.doc

醇基燃料燃烧产物特性半工业实验研究 陈洪利导师姓名职称 张全 教授申请学位级别 学士 学科专业名称 热能与动力工程论文提交日期论文答辩日期学位授予单位醇基燃料燃烧产物特性半工业实验研究摘要：关键词： 4目录第一章 绪论11.1实验研究背景以及意义11.2 醇基燃料和柴油作为燃料应用的国内外现状3第二章 实验操作平台和方案42.1 实验使用醇基燃料与柴油混燃型燃烧器42.1.1 燃烧器实验平台42.1.2 测量仪表与设备42.2实验燃料与预处理方案62.3 实验设计方案62.3.1.目的62.3.2.原理方法62.3.3.标定测量点位置72.3.4.实验步骤72.4 本章小结8第三章 燃料流量比对燃烧产物场、温度场和热效率的关系83.1 燃烧器喷口流速的控制83.2 不同工况（醇基燃料和柴油流量比）对燃烧产物的影响83.3 不同工况（醇基燃料和柴油流量比）对火焰温度的影响83.4不同工况（醇基燃料和柴油流量比）下，燃烧产物对热效率的影响133.5 平均值计算和误差分析173.5.1 平均值计算173.5.2 燃烧产物、温度误差分析173.6 本章小结17第一章 绪论1.1实验研究背景以及意义全球现在所使用的能源大部分是由千百年前埋藏在地下的动物、植物尸体经过漫长而复杂的地质变化形成的化石能源，主要是碳、氢元素形成的碳氢化合物，包括石油、天然气等。而石油，作为高能燃料在生产生活应用中占了很大的比例。这些高能燃料，被用来提供汽车动力等推动器的燃料、电厂发电的燃料以及生产生活中加热设备的燃料，并且石油等为工业化学合成品提供了大量原料。随着社会生产力的提高、工业的不断发展，对能源的需求不断的增加。但是，石油、天然气的能源是不可再生能源，随着使用的增加不断减少，能源危机在渐渐的靠近人类社会。人类社会在使用能源上经过了三次大的转变：1.用煤炭取缔了木料等：2.用石油取缔煤炭等能源；3.当今社会，随着能源危机的逼近，正在逐步的向多能源利用过渡。现今，全世界对石油能源的消耗是巨量的，平均每天大约1100W吨。人口的不断增加和石油资源的枯竭，使得能源危机日益突出，未来人类能源成为了当今社会必须解决的一个问题。世界石油等消费量如图1-1所示： 图1-1 石油、煤炭等能源消费量有关方面对世界石油、天然气和煤炭能源的消耗量做了预测，如图1-2所示： 图1-2 世界能源未来预测然而，伴随着大量使用石油等化石燃料，给人类社会生活带了大量问题，氮氧化物（NOX）、硫氧化物（SOX）、CO等引起的空气污染；CO2等带来的温室效应；固体、液体废弃物污染等等，严重威胁着人们日常生活和生存。因此，燃料燃烧产物的研究和分析是十分有必要的。1997年12月各国代表在日本京都的气候框架公约第三次缔约方大会中签订了Kyoto Protocol国际公约，标定了各个国家二氧化碳的排放量：在2008年到2012年四年中，二氧化碳在各主要工业国的排放量要比1990年的平均低5.2%。中国的实情，在能源、环境和资源分配上存在复杂的问题。中国人口数量占了世界人口总量的1/5左右，能源总量却只占了世界的10.7%，人均量只有世界平均人均量的51%；并且，在中国大部分地区，燃料都以煤炭为主，燃煤所带来的空气污染物比重很大，这对于我国就日本东京缔结的京都协议书所规定的排放问题上处于被动的地位。所以，迫切的需要能源结构的转型以及发展新型低排放物的能源来缓解日益被破坏的生存环境，应对迫近的能源危机。在这样的背景下，以醇基燃料为主的新能源为我国以及世界带了曙光，无疑是解决燃烧产物高污染的希望。能源结构的改革，以甲醇为主的醇基燃料成为了研究对象。相比于煤炭、石油等化石燃料，醇基燃料低碳性、低排放、燃烧产物污染小和其可再生性得到了世界各国科学家的认同。乔治安德鲁欧拉（诺贝尔化学家得主）在1990年提倡“甲醇经济”这一概念，与G. K. Surya Prakash和 Alain Goeppert合著了以这个概念为主题的书籍。总结了醇基燃料和化石燃料的性能与目前情况，分析了其可行性和燃烧条件限制，提出了此概念。甲醇燃料可作为：1.存储能源的方便媒介；2.以电池等形式运送和分配的燃料；3.化学合成物和设计物的原材料。醇基燃料的液体性能比天然气更方便运送，而在燃烧处理上比石油方便处理。这种燃料的来源更加广泛，可通过矿物、生物质、石油等生产，甚至可以通过CO2的化学反应制取，制取过程如下图1-2所示：图1-2 甲醇循环制取过程在我国，以甲醇为主的醇基燃料已经逐渐发展起来，形成一定规模，不仅仅是用作化工方面的原材料，在车用燃料和燃料电池的方面也有长远的进展。随着逐步的发展，醇基燃料相比传统燃料具有明显的竞争优势。 1.2 醇基燃料和柴油作为燃料应用的国内外现状1.3 燃料燃烧产物排放特性国内外研究现状2005年，姚春德、段峰等对柴油与醇基燃料混合后在发动机中的燃烧特性与排放做了实验分析研究。实验使用的是高速直喷式柴油机，燃料采用醇基燃料与柴油混合燃料，并且实验与纯柴油燃烧对了对比实验分析。由于醇基燃料在发动机中燃烧方面存在的不足，提出混合燃烧，克服了醇基燃料存在的暖车、低量燃烧时污染物醛排放很高以及发动机发动困难等问题。他们设定了喷醇始点为变量，其主要实验结果：1. 甲醇和柴油混合燃烧的方式，降低了燃烧产物中NOX和含C烟气的排放，同时能源消耗量也降低；但是， 燃烧未完全所排放的HC化合物以及CO却增加了。2. 加入醇基燃料后，燃料燃烧的速度有所增加，在发动机内气缸压力的峰值相比于柴油单独燃烧时增高。3. 相比于柴油燃烧放热的模式而言，加入醇后的燃料燃烧所测定的放热率的曲线呈现出单峰状态；因为加入甲醇，混合燃烧的温度降低。4. 含甲醇的混合燃烧排放温度相比于纯柴油有所下降，然而，最低的排气温度还是较氧化催化转换器消除HC的要求温度。通过实验结果，可以发现，醇基燃料与柴油混合燃烧对燃烧产物的排放有影响，甲醇的混合使得燃烧产物中的污染物下降；同时也证实，加醇的燃料能够满足车用发动机的要求，作为后石油时代的燃料醇基燃料具有可行性和低污染性。 第二章 实验操作平台和方案2.1 实验使用醇基燃料与柴油混燃型燃烧器如下图2-1所示： 图2-1 流程图2.1.1 燃烧器实验平台插图（燃烧器）2.1.2 测量仪表与设备 本次实验的目的是对燃烧火焰区域及其周边的烟气成分的测量分析，对其火焰及其周边温度的测量与分析。考虑燃烧产物对加热效率的影响，重点总结醇基燃料混燃型燃烧器的排放规律，根据实验结果分析醇基燃料的商业应用对环境的影响。烟气测量仪器：对于燃烧产物的分析，主要是分析其化学组成成分，一直以来，可以分为两大类-化学分析类和仪器分析类。化学分析方法是根据燃烧产物与一定的化学物质发生化学反应，通过计量消耗量与反应方程式来得出被测气体的成分。例如，奥氏气体分析仪、气体成分全分析仪等等。测量CO2、SO2、O2、CO、N2、NOX的成分分数。仪器分析是层析法与电化学分析法等。烟气分析仪种类见下表2-1：表2-1 烟气分析仪名称性质 适用气体测量单位KM9106综合烟气分析仪色谱分析仪质谱分析仪红外线气体分析仪奥氏气体分析仪轻便、自动、实时高效、灵敏、快速需实现离子化红外光谱吸收人工操作CO、O2、NO、NO2、SO2、HCN2、C2H4、C2H6、CO等CO、CO2、CH4、NH3、C2H5OH等CO2、O2、SO2、CO、N2等mg/m3KPI0mg/m3目前所拥有的实验条件下，采用奥氏气体分析仪对燃烧烟气采集分析。温度测量仪器：测温方式和仪表分类按照感温元件与被测物体或者被测的气体系统接触的方式分为接触式、非接触式一级二者兼容的混合测温方式。非接触式测温方式所用仪表不会干扰待测的温度场，同时能对运动体进行测量，反应速度快，但是其价格昂贵，仪器结构复杂，测量所得数据偏离真实值较大；接触式测温方式所用仪表结构简单，与被测物体或被测气体直接接触，测量所得数据较小的误差，但是不适用于具有很高温度气体等的测量，由于直接接触，通过热交换来进行测量温度，所以需要进行充分的热交换。根据醇基燃料和柴油的特性及其燃烧理论温度，以及上述测温方式的性质和特点。本次实验需要测定火焰燃烧场中的温度，所以采用接触式测温，选定其中的热电偶（测温范围-2001700）作为实验测温元件。热电偶的种类与性能如下表2-2所示：表2-2 热电偶种类与性能名称 分度号测量范围/适用气氛 稳定性铂铑30-铂铑6铂铑13-铂铂铑10-铂镍铬-镍硅(铝)镍铬硅-镍硅镍铝硅-康铜铁康铜铜康铜钨铼3-钨铼25钨铼5-钨铼26BR SKNEJTWRe3-WRe25WRe3-WRe262001800-401600-401600-2701300-2701260-2709000-750-2703500230002300氧化、中性氧化、中性氧化、中性氧化、中性氧化、中性、还原氧化、中性氧化、中性、还原、真空同上中性、还原、真空1500,优1400,优1400,优中等中等良中等500，良；-170200，优中等 参照醇基燃料理论燃烧温度为1391，考虑实验测温热电偶的适用范围及其成本价格，此次实验使用镍铬-镍硅(铝)热电偶，即铠装热电偶。燃料速度测量：醇基燃料与柴油是通过喷嘴喷入燃烧室进行燃烧，实验过程中测量的是喷嘴出口的瞬时速度，所以采用电子称重计对醇基燃料和柴油进行质量的测定，记录时间。实际操作方法：实验开始后，当燃烧火焰相对稳定时（理论上是达不到），即燃烧火焰温度在某一值左右波动较小，呈现低浮动是。此时，处于相对稳定的燃烧工况，开始记录电子流量计，每隔5分钟记录一次，在稳定相同的工况下，记录10组数据，求取平均值。用测量尺测量喷嘴口的直径，计算得到所需要的燃料流动速度值。实验设备如下表2-2所示： 表2-2 实验设备设施实验设备数量（个）作用混燃型燃烧器1燃烧燃料油桶4盛放燃料电子称重机3称量燃料与水的重量流量计2计量流量、控制燃料流量K（铠）装热电偶若干测量火焰温度、备用烟气分析仪1测量分析烟气成分锅1加热水量尺2测量实验器材尺寸管道若干通油阀门2控制开关秒表1记录时间温度计1测量水温2.2实验燃料与预处理方案 实验使用的是含85%甲醇和15%的水混合成的醇基燃料。含有添加剂的醇基燃料不能完全燃烧，而不完全燃烧，燃烧产物的测量值不能真实的反应出来，燃烧生成的火焰波动较；因此，此次实验所采用的醇基燃料不含有添加剂。 柴油处理方案：实验使用车用柴油，不做处理。2.3 实验设计方案2.3.1.目的通过醇基燃料、柴油的混燃，测量燃烧时，烟气成分分析、火焰燃烧温度分布、混燃燃烧热效率测量。分析燃烧产物对加热效率的影响，总结醇基燃料混燃型燃烧器的排放规律，评估醇基燃料在商业应用对环境的影响。2.3.2.原理方法 实验使用铠装热电偶对燃烧室内温度进行采集，测量标定点温度，同一工况下测量三至四组数据，求其平均值。在测量温度的每个工况下，采用烟气分析仪对上述测温点测量烟气成分，测得三至四组数据，求其平均值。2.3.3.标定测量点位置图2-3 火焰温度、烟气成分测量点标定烟气成分与温度测量点，以混燃型燃烧器上边缘与火焰中心位置为基准，纵向高度分别取距上边缘0mm、50mm、100mm、150mm和200mm的测量点；横向以火焰中心和燃烧器上边缘交点为基点测量点，基点向左分别取20mm、40mm和60mm测量点，基点向右分别取20mm、40mm和60mm测量点。纵向高度与横向距离相交共35个测量点。实验过程中，固定测取此35个采样点烟气成分与火焰温度。2.3.4.实验步骤1.检查设备。关闭A、B阀门，将水注入A和B两个邮箱，查看通油管道是否有泄漏。确认无泄漏后，打开A、B两个阀门，用承装桶盛放通过管道流出的水，检测管道通阻以及流量计、电子称重器的准确情况。2.准备实验。实验前，将醇基燃料装入左侧以准备好的A号油箱，柴油装入右侧以准备好的B号油箱，确定两个电子称对应A和B，关闭A和B的流量计，同时A和B的阀门关闭。查看通油管道以及混燃型燃烧器连接，确认无误后，打开A和B的阀门。3.开始试验。开启A号流量计（醇基燃料流量计），当醇基燃料从混燃型燃烧器底部流出时，启动电子打火装置。待醇基燃料燃烧火焰稳定后，再开启鼓风机，通入空气，使其进行旋流燃烧。查看燃烧火焰，调节A号流量计，使火焰超过燃烧器大致10-25mm时固定流量计。最后，燃烧器内柴油喷嘴达到一定温度时，开启B号（柴油流量计），燃烧稳定后固定B号流量计。开始记录A、B两个电子称的读数，使用秒表，每一分钟读取一次电子称示数，分别记录与两个事先准备好的表格中，记录5-8分钟。实验中，注意观察A、B流量计的读数以及火焰的情况，保持燃烧火焰稳定。若出现波动，及时通过阀门调节流量使火焰稳定。重复操作3次测量，控制试验中醇基燃料与柴油所需要量在限定误差范围内，控制两种燃料的质量比例为10:1。4.烟气成分测量。醇基燃料和柴油稳定于10:1左右时，开始使用烟气分析仪测量已选定点的烟气成分。同步记录醇基燃料、柴油两种燃料的电子称示数，每隔一分钟记录一次于表格。用烟气分析仪对测量点进行测定时，若每次所读取的数据稳定在一个值，则直接记录于表格，作为测量烟气成分值；若所读取数据出现在某一个数值左右微波动时，则计算几次读数的平均值，记录于表格作为测量烟气成分值。测量过程中，注意观察火焰的情况和流量的变化，适当进行微调，控制实验标定流量。5.温度测量。测量烟气成分值时，使用铠装热电偶测量已选定点的温度。用铠装热电偶对测量点进行测定时，若每次所读取的数据稳定在一个值，则直接记录于表格，作为测量所得温度值；若所读取数据出现在某一个数值左右微波动时，则计算几次读数的平均值，记录于表格作为测量所得温度值。6.重复实验。醇基燃料与柴油流量不变的情况下，重复操作上述实验步骤，对每个测量点测量3次，记录于表格。7.改变实验条件。选取醇基燃料作为基准，固定其流量，调节柴油流量计阀门，改变柴油流量，使得醇基燃料与柴油的比例分别为8:1、5:1、4:1、2:1、1:1，重复实验2-6的实验操作。8.固定柴油流量，改变醇基燃料流量，使柴油与醇基燃料的比例达到1:10、1:8、1:5、1:4、1:2、1:1。重复实验2-6的操作步骤。9.热效率测量。10.整理与清洁实验仪器。2.4 本章小结本章重点介绍了实验流程，实验中所采用的燃料以及实验的条件。阐明了此次实验的核心，即实验研究醇基燃料与柴油在混燃型燃烧器的燃烧情况，对实验设备和燃料做了简单的分析和处理；测量目的包括固定二维平面上各测量点的燃烧烟气成分、火焰燃烧温度和实验流程的方案设计。通过对固定二维空间上的测量点的测量，窥测燃烧的整个过程中的燃烧产物场。考虑到燃烧的非固定性，但燃烧产物参数的均值接近与某一值，因此实验采用求取平均值的方法处理实验测量数据。在考虑现有条件和实验精确性的情况下，选取了实验所使用的设备与仪器，避免人为因素和环境影响实验，造成实验误差。 从实验器材的选取，到系统的检测描述，对实验的严密性做了说明，尽可能的排除了实验外界因素对实验的影响，达到正确的研究分析醇基燃料和柴油混燃的燃烧产物特性的一些规律，以及燃烧产物对燃烧温度和燃烧热效率的影响规律。第三章 燃料流量比对燃烧产物场、温度场和热效率的关系3.1 燃烧器喷口流速的控制3.2 不同工况（醇基燃料和柴油流量比）对燃烧产物的影响固定醇基燃料，使醇基燃料与柴油流量比为10:1时，各测量点测得的烟气成分（表3-1至表3-3）：表3-1流量比为10:1（醇基燃料：柴油）第一组测量位置水平左6cm左4cm左2cm中心右2cm右4cm右6cm竖直高0cm4cm8cm12cm16cm表3-2流量比为10:1（醇基燃料：柴油）第二组测量位置水平左6cm左4cm左2cm中心右2cm右4cm右6cm竖直高0cm4cm8cm12cm16cm表3-3流量比为10:1（醇基燃料：柴油）第三组测量位置水平左6cm左4cm左2cm中心右2cm右4cm右6cm竖直高0cm4cm8cm12cm16cm固定醇基燃料，使与柴油流量比为8:1时，各测量点测得的烟气成分（表3-4至表3-6）：表3-4流量比为8：1（醇基燃料：柴油）第一组测量位置水平左6cm左4cm左2cm中心右2cm右4cm右6cm竖直高0cm4cm8cm12cm16cm表3-5流量比为8:1（醇基燃料：柴油）第二组测量位置水平左6cm左4cm左2cm中心右2cm右4cm右6cm竖直高0cm4cm8cm12cm16cm表3-6流量比为8:1（醇基燃料：柴油）第三组测量位置水平左6cm左4cm左2cm中心右2cm右4cm右6cm竖直高0cm4cm8cm12cm16cm固定醇基燃料，使与柴油流量比为5:1时，各测量点测得的烟气成分（表3-7至表3-9）：表3-7流量比为5:1（醇基燃料：柴油）第一组测量位置水平左6cm左4cm左2cm中心右2cm右4cm右6cm竖直高0cm4cm8cm12cm16cm表3-8流量比为5:1（醇基燃料：柴油）第二组测量位置水平左6cm左4cm左2cm中心右2cm右4cm右6cm竖直高0cm4cm8cm12cm16cm表3-9流量比为5:1（醇基燃料：柴油）第三组测量位置水平左6cm左4cm左2cm中心右2cm右4cm右6cm竖直高0cm4cm8cm12cm16cm固定醇基燃料，使与柴油流量比为2:1时，各测量点测得的烟气成分（表3-10至表3-12）：表3-10流量比为2:1（醇基燃料：柴油）第一组测量位置水平左6cm左4cm左2cm中心右2cm右4cm右6cm竖直高0cm4cm8cm12cm16cm表3-11流量比为2:1（醇基燃料：柴油）第二组测量位置水平左6cm左4cm左2cm中心右2cm右4cm右6cm竖直高0cm4cm8cm12cm16cm表3-12流量比为2:1（醇基燃料：柴油）第三组测量位置水平左6cm左4cm左2cm中心右2cm右4cm右6cm竖直高0cm4cm8cm12cm16cm固定醇基燃料，使与柴油流量比为1:1时，各测量点测得的烟气成分（表3-13至表3-15）：表3-13流量比为1:1（醇基燃料：柴油）第一组测量位置水平左6cm左4cm左2cm中心右2cm右4cm右6cm竖直高0cm4cm8cm12cm16cm表3-14流量比为1:1（醇基燃料：柴油）第二组测量位置水平左6cm左4cm左2cm中心右2cm右4cm右6cm竖直高0cm4cm8cm12cm16cm表3-15流量比为1:1（醇基燃料：柴油）第三组测量位置水平左6cm左4cm左2cm中心右2cm右4cm右6cm竖直高0cm4cm8cm12cm16cm3.3 不同工况（醇基燃料和柴油流量比）对火焰温度的影响固定醇基燃料，使与柴油流量比为8:1时，各测量点测得的燃烧火焰温度（表3-16至表3-18）：表3-16流量比为8：1（醇基燃料：柴油）第一组测量位置水平左6cm左4cm左2cm中心右2cm右4cm右6cm竖直高0cm4cm8cm12cm16cm表3-17流量比为8:1（醇基燃料：柴油）第二组测量位置水平左6cm左4cm左2cm中心右2cm右4cm右6cm竖直高0cm4cm8cm12cm16cm表3-18流量比为8:1（醇基燃料：柴油）第三组测量位置水平左6cm左4cm左2cm中心右2cm右4cm右6cm竖直高0cm4cm8cm12cm16cm固定醇基燃料，使与柴油流量比为5:1时，各测量点测得的燃烧火焰温度（表3-19至表3-21）：表3-19流量比为5:1（醇基燃料：柴油）第一组测量位置水平左6cm左4cm左2cm中心右2cm右4cm右6cm竖直高0cm4cm8cm12cm16cm表3-20流量比为5:1（醇基燃料：柴油）第二组测量位置水平左6cm左4cm左2cm中心右2cm右4cm右6cm竖直高0cm4cm8cm12cm16cm表3-21流量比为5:1（醇基燃料：柴油）第三组测量位置水平左6cm左4cm左2cm中心右2cm右4cm右6cm竖直高0cm4cm8cm12cm16cm固定醇基燃料，使与柴油流量比为2:1时，各测量点测得的燃烧火焰温度（表3-22至表3-24）：表3-22流量比为2:1（醇基燃料：柴油）第一组测量位置水平左6cm左4cm左2cm中心右2cm右4cm右6cm竖直高0cm4cm8cm12cm16cm表3-23流量比为2:1（醇基燃料：柴油）第二组测量位置水平左6cm左4cm左2cm中心右2cm右4cm右6cm竖直高0cm4cm8cm12cm16cm表3-24流量比为2:1（醇基燃料：柴油）第三组测量位置水平左6cm左4cm左2cm中心右2cm右4cm右6cm竖直高0cm4cm8cm12cm16cm3.4不同工况（醇基燃料和柴油流量比）下，燃烧产物对热效率的影响测试20 kg水加热, 从40-80, 醇基燃料与柴油流量比为6:1时燃烧热效率以及烟气成分如表表4流量比为6:1（醇基燃料：柴油）第一组加热水温油重kg时间/sO2 /%CO /mgSO2 /mgNO /mgNO2 /mg4050607080表5流量比为6:1（