生物柴油对柴油火焰碳黑生成特性影响的试验研究

戴钰杰，张韩西子

(1. 中国船舶工业系统工程研究院，北京 100094；2. 中国舰船研究院，北京 100192)

0 引 言

随着人们对船用柴油机排放污染问题的日益重视，使得寻找和应用绿色环保、价格低廉的柴油替代燃料变得愈发重要和急迫。生物柴油作为一种可再生能源，是从植物油或动物脂肪油中提炼而来，来源广泛，具有绿色环保特性[1]。其十六烷值高，含氧量大（约11%），着火性能好，能量密度约为普通柴油的92%～97%[2,3]。将其按一定浓度比例与普通柴油混合使用，对船用柴油机几乎不产生任何影响。这些优点使得生物柴油受到越来越多的重视，近些年来发展速度较快。

我国很早之前就曾开始生物柴油的研究工作，早年使用的大都为菜籽油、大豆油等，但成果不显著。近些年来我国对生物柴油的研发工作逐渐重视，不断有新的环保政策出台以推动其发展。但总体而言，目前我国在生物柴油研究方面仍处于上升阶段，与国外相比存在较大的发展差距，未能在该领域内形成产业化，后期发展前景非常开阔。

当前国内外关于生物柴油的研究工作主要集中在发动机性能和污染物排放方面[4–7]，对生物柴油自身的基础研究涉及很少[8]，尤其是生物柴油火焰内部的碳黑浓度分布对其燃烧机理的作用还从未进行过充分研究。因此，生物柴油在燃烧过程中碳黑浓度呈现哪些特点，该特点又与燃烧机理之间有着怎样的联系，非常值得深入研究和探讨。但目前国内很少有相关方面的报道。

基于上述原因，本研究利用1套可产生稳定层流火焰的液体燃烧系统搭建了二维消光法（2D-LOSA，Two-dimensional line-of-sight attenuation）试验平台，在常压下对不同生物柴油-柴油混合燃料火焰进行试验，通过改变2种燃油之间的掺混比例研究了不同火焰的碳黑浓度生成特性分布，并对其变化趋势进行横向和纵向对比分析，为进一步寻找最优掺混比以及将来在发动机上的试验研究提供了基础性参考。

1 试验装置与方法

1.1 燃烧系统

图1所示为燃烧系统，在该燃烧系统中，雾化装置用于产生比例精确的燃料蒸汽；燃烧器用于产生稳定的燃烧火焰；蓄能器用于提供清洁的液体燃料；流量器用于实时监测燃料蒸汽的质量流量。关于燃烧系统的详细介绍可参见文献[9]。

图1 燃烧系统图Fig.1 Burner system and assembled parts

1.2 试验燃料

试验使用4种生物柴油-柴油混合燃料B0，B10，B20和B50。其中B0为纯净柴油，北京市购买的普通商用0号柴油；B10，B20，B50为普通柴油和棉籽油2种燃油分别按照9:1，4:1和1:1的体积比充分掺混，勾兑得到的混合燃料。试验用油的燃料特性测试结果如表1所示。表1中的碳氢含量由石油化工科学研究院分析提供。试验过程中，为保证各燃料火焰的高度相同，燃料流量各不相同。

表1 燃料混合比例、元素质量分布和进气流量Tab.1 Blending ratio, mass distribution of each element and intake flow rate of the fuels

1.3 试验方法

试验采用2D-LOSA，2D-LOSA是一种较为成熟的定量测试火焰中碳黑浓度的光学手段[10,11]。其原理是通过测试穿过火焰介质后的衰减光强与初始光强之比得到透射率τ。透射率τ与消光系数沿路径s的积分关系如下：

1.4 试验系统及过程

图2所示为2D-LOSA的试验系统图。在该系统中，点光源发出的点光经过镜面反射后发射至凹面镜的中心，再经过凹面镜的反射即可在光路上形成平行的强度均匀的光束。系统中的凸透镜组由2块d=50.8 mm，f=250 mm和1块d=76.2 mm，f=300 mm的凸透镜组成，2块小凸透镜与小孔光阑组合使用，用于消除火焰光辐射对最终成像造成的影响；大透镜用于缩小光束，保证其能够完全进入相机。CCD相机为高速相机，其镜头前方安置有滤光片，用于滤除杂光，以确保只有特定波长的光束能够进入相机。此外，为了能够在试验过程中最大程度的削弱光束偏移造成的误差，系统将火焰中心和CCD相机成像中心至小孔光阑的距离设置为相等，将两者置于光学共轭位置。

图2 2D-LOSA试验系统图Fig.2 Testing system of 2D-LOSA

试验在暗室进行。待火焰稳定后，打开点光源，形成强度均匀的平行光束。该光束在穿过火焰介质后，不同部位的光强被不同程度的吸收，光的强度发生了不同程度的衰减，发生衰减后的光束继续穿过凸透镜组和滤光片后被CCD相机获取。试验过程中，CCD相机采用较快的拍摄速度以便获取稳定的透射率图像。

然后熄灭火焰，对初始光束的光强进行测量。考虑到背景光和残余火焰辐射光的影响，试验还关闭点光源，分别对环境光和残余火焰辐射光进行测量[18]，并在后期数据处理过程中予以核减，进一步提高结果的准确性。

试验过程中，空气流量为167 ln/min，氮气流量为0.3 ln/min，加热带和燃烧器温度控制在300°左右。试验过程中火焰较为稳定，火焰高度保持在40～41 mm范围内。

2 试验结果与分析

试验最终得到B0，B10，B20和B50生物柴油-柴油混合燃料火焰在消除了背景光和残余火焰辐射光干扰后的准确透射率图像。针对上述图像，本研究首先利用Matlab软件中的Gaussian Filters程序对其进行简单平滑降噪处理，滤除瑕疵数据点，再截取其中的火焰部分数据，利用依据Abel反演法编写的软件程序进行反演运算，就可以获取各种火焰的碳黑浓度定量分布。

图3所示为B0，B10，B20和B50稳定层流火焰中在离喷嘴上方10 mm，15 mm，20 mm，25 mm，30 mm，35 mm位置处的径向定量碳黑浓度图。

对图3中的各图进行纵向比较分析，可以发现各火焰中的碳黑生成量随着生物柴油掺混比例的不断增加，总体变化趋势不断降低。其中，B10中碳黑浓度分布相对于B0变化较为显著，而B20相对于B10，以及B50相对于B20变化已经变缓，可见随着掺混燃料中生物柴油比例的增加，对火焰中碳黑浓度的影响并不是一种简单的线性关系，而是一种影响先增加，然后又逐渐回落的过程。

图3 B0，B10，B20和B50火焰的定量碳黑浓度对比图Fig.3 Soot concentration profiles of B0, B10, B20 and B50 flames at different heights

对图3中的各图进行横向比较分析，可以发现各火焰在10 mm高度上的碳黑浓度基本都为0，可见该区域尚处于前驱物生成阶段。因为在该高度以下，燃料还未能够与空气发生混合燃烧，因此碳黑浓度为0。随着火焰高度的增加，碳黑浓度的峰值首先在火焰的靠近最外侧位置出现，然后逐渐向火焰中心移动，期间还伴随着浓度波峰值的不断变大。当碳黑浓度的波峰进入到火焰中心后其位置就不再发生变化，而波峰的峰值仍在增加。随着火焰高度的进一步增加，其波峰的峰值经历了由小变大，然后又由大变小的过程，最终在火焰消失的时候减小至0。图4所示为B0，B10，B20和B50火焰的二维碳黑浓度对比图，火焰左右对称，图4所示为其右半部分。

图4 B0，B10，B20和B50火焰的二维碳黑浓度对比图Fig.4 Two dimensional soot concentration profiles of B0, B10,B20 and B50 flames from the right-hand side

从图4可以清楚看到，随着生物柴油掺混比例的增加，火焰中的高碳黑浓度区域的面积整体逐渐变小，整体碳黑浓度也逐渐降低。结合燃料中所含的元素含量，这是可以理解的，因为生物柴油自身含氧，并且含碳量和含氢量相对较低，随着其掺混比例的增加，混合燃料自身对碳黑的氧化能力逐步增强，碳黑浓度自然会呈现一种逐渐降低的趋势。

3 结 语

本研究为寻找低排放的经济型船用柴油机燃料，对不同掺混比例的生物柴油-柴油燃料B0，B10，B20和B50火焰进行了碳黑生成特性的试验研究，结论如下：

1）试验利用反演法对测得的火焰透射率进行数据分析和处理，获取了不同混合燃料火焰中的定量碳黑浓度，初步揭示了各火焰内部的碳黑生成特性。

2）在相同的火焰高度下，随着混合燃料中生物柴油掺混比例的不断增大，火焰在各个高度上的碳黑浓度均呈现不同程度的降低趋势，该趋势并非简单的线性关系。该降低趋势充分显示了生物柴油清洁环保的特性，为进一步寻找最优掺混比提供依据。

3）本研究下一步将扩大燃料比例的范围，进行多次重复性的试验，更深入的分析和揭示燃料掺混比例与碳黑浓度之间的定量关系。