楊大勇　胡以懷　馮是全

(上海海事大學(xué)商船學(xué)院，上海 201306)

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利用余熱制氫的乙醇發(fā)動(dòng)機(jī)模擬計(jì)算

楊大勇胡以懷馮是全

(上海海事大學(xué)商船學(xué)院，上海 201306)

本文研究了一種利用發(fā)動(dòng)機(jī)余熱制取氫氣的裝置，并將該裝置應(yīng)用在乙醇發(fā)動(dòng)機(jī)上，通過chemkin-pro軟件中的激波管模型計(jì)算該裝置生成的重整氣加入發(fā)動(dòng)機(jī)以后對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒的影響，采用乙醇燃燒反應(yīng)機(jī)理，研究了壓力升高、溫度升高、熱量釋放、各組分的含量變化等情況，比較了純乙醇燃燒和乙醇混合重整氣燃燒的特性，結(jié)果表明重整氣中的氫氣可有效促使點(diǎn)火延遲時(shí)間變短，有利于發(fā)動(dòng)機(jī)性能改進(jìn)。

乙醇發(fā)動(dòng)機(jī)；chemkin-pro軟件；激波管；點(diǎn)火延遲

乙醇作為燃料，是一種清潔、安全的能源。乙醇的來源廣泛，與汽油具有一定的互換性，可以直接在汽油中摻燒一定比例的乙醇。但是乙醇的汽化潛熱大于常規(guī)汽油，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)冷啟動(dòng)性能下降。作為發(fā)動(dòng)機(jī)燃料，氫氣具有優(yōu)良的性能，點(diǎn)火能量低，著火范圍寬，火焰?zhèn)鞑ニ俣瓤?，但?chǔ)運(yùn)較為困難，為氫氣在發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用帶來了挑戰(zhàn)。本文研究了余熱制氫發(fā)動(dòng)機(jī)，該發(fā)動(dòng)機(jī)利用余熱使乙醇經(jīng)過催化重整生成氫氣和一氧化碳，在充分利用發(fā)動(dòng)機(jī)余熱的同時(shí)，利用氫氣的優(yōu)良燃燒性能改善乙醇發(fā)動(dòng)機(jī)的性能，并對(duì)此進(jìn)行了燃燒模擬計(jì)算。模擬計(jì)算是利用chemkin-pro軟件中的激波管模型，化學(xué)反應(yīng)機(jī)理采用美國加州勞倫斯利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室(LawrenceLivermoreNationalLaboratory)的NickM.Marinov所發(fā)表的乙醇高溫燃燒化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型。

1　發(fā)動(dòng)機(jī)余熱制氫系統(tǒng)

1.1系統(tǒng)原理

乙醇泵將乙醇和水的混合液從醇水箱中泵入到氫發(fā)生器，氫發(fā)生器中的電磁加熱線圈由蓄電池供電，達(dá)到合適溫度后，乙醇和水開始反應(yīng)產(chǎn)生氫氣，產(chǎn)生的氫氣依次經(jīng)過冷卻器、緩沖器、穩(wěn)壓器，最后由噴射泵噴入氣缸，燃燒做功。發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的高溫尾氣流過氫發(fā)生器，為乙醇和水的反應(yīng)提供了足夠的熱量。同時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)給蓄電池充電，這樣，完成了乙醇余熱制氫及發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)燃燒的整個(gè)循環(huán)。

利用發(fā)動(dòng)機(jī)余熱制氫系統(tǒng)如圖1所示。

1.2反應(yīng)原理

水蒸氣重整是目前最常用的乙醇制氫方法[1-3]。目前全世界一半以上的氫氣是通過水蒸氣重整制得的。該方法制得的氫氣純度較高，該反應(yīng)機(jī)理一般有如下兩種主要反應(yīng)：

(1)乙醇脫氫生成乙醛和氫氣，其中部分乙醛會(huì)繼續(xù)和表面氧作用生成乙酸鹽，然后分解生成CH4和CO2，部分乙醛會(huì)直接生成CH4和CO。CH4發(fā)生重整反應(yīng)生成碳的氧化物和H2。

圖1　利用發(fā)動(dòng)機(jī)余熱制氫系統(tǒng)Figure 1　Hydrogen production system using engine waste heat

(1)

(2)

(3)

(4)

(2)乙醇脫水生成乙烯，其中部分乙烯再分解生成氫氣和焦炭，部分乙烯快速發(fā)生重整反應(yīng)生成CO和H2,還有部分直接脫附存在于產(chǎn)物中。CO發(fā)生水煤氣變換反應(yīng)生成CO2和H2。

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(8)

通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，減少系統(tǒng)壓力有利于乙醇和水的轉(zhuǎn)化，使氫氣生產(chǎn)率提高[4]，因此反應(yīng)應(yīng)在負(fù)壓或常壓下進(jìn)行，最佳反應(yīng)溫度在850K～900K，水和乙醇的最佳體積比是8～9，乙醇水蒸氣重整是一個(gè)吸熱反應(yīng)，需要由外部供熱。

上述反應(yīng)只是簡單的概述，具體的反應(yīng)機(jī)理采用美國加州勞倫斯利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室(LawrenceLivermoreNationalLaboratory)的NickM.Marinov所發(fā)表的乙醇高溫燃燒化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型[5]。武漢理工大學(xué)的游伏兵[6]利用色譜法測量了乙醇重整反應(yīng)生成的重整氣的組分含量，成分含量見表1。

表1　乙醇重整氣組分含量Table 1　Ethanol reforming gas components contents

2　激波管的實(shí)驗(yàn)原理

激波管實(shí)驗(yàn)原理如圖2[7-8]所示。

圖2　激波管實(shí)驗(yàn)原理Figure 2　Principle of shock tube test

典型激波管由兩根等截面管構(gòu)成，高壓區(qū)充裝驅(qū)動(dòng)氣體，低壓區(qū)充裝被驅(qū)動(dòng)(實(shí)驗(yàn))氣體，高壓區(qū)和低壓區(qū)隔離開，當(dāng)高壓區(qū)和低壓區(qū)的隔離物破裂時(shí)，高壓氣體膨脹，在低壓區(qū)產(chǎn)生向右傳播的激波，低壓區(qū)受到激波的作用，溫度和壓力迅速升高，低壓區(qū)氣體的初始狀態(tài)如圖2所示(1區(qū))，在激波前峰面掃過低壓區(qū)后，1區(qū)氣體的溫度和壓力有一個(gè)升高量，用2區(qū)表示。當(dāng)激波前峰面到達(dá)激波管最右端，激波將產(chǎn)生發(fā)射，反射激波繼續(xù)對(duì)2區(qū)氣體進(jìn)行壓縮，這樣，2區(qū)氣體狀態(tài)變?yōu)?區(qū)所示。因?yàn)榧げǖ乃俣群芸?，?區(qū)的氣體經(jīng)過了入射激波和反射激波的兩次作用，溫度、壓力迅速升高，一般可以利用5區(qū)氣體做實(shí)驗(yàn)研究用，chemkin-pro軟件中的激波反射可以直接設(shè)定入射激波速度、反射激波速度、入射激波作用以后的溫度、反射激波作用以后的溫度、入射激波作用以后的壓力、反射激波作用以后的壓力，以及入射激波和反射激波作用以后物質(zhì)密度的變化情況。輸入化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)和熱力學(xué)數(shù)據(jù)以后，就可以直接模擬物質(zhì)的化學(xué)反應(yīng)情況。

3　模擬計(jì)算

NickM.Marinov的乙醇高溫燃燒化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型經(jīng)過了不同實(shí)驗(yàn)方法和不同實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的檢驗(yàn)，這些檢驗(yàn)包括：定容彈實(shí)驗(yàn)裝置和逆流雙生火焰裝置對(duì)層流火焰速度數(shù)據(jù)的研究、反射激波對(duì)點(diǎn)火延遲時(shí)間的研究、噴射攪動(dòng)反應(yīng)器和湍流反應(yīng)器對(duì)乙醇氧化產(chǎn)物的研究。該化學(xué)動(dòng)力學(xué)模型與上述5個(gè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)很好地吻合，證明了該模型的準(zhǔn)確性。

首先進(jìn)行單獨(dú)使用乙醇的燃燒模擬，選用激波反射模型，乙醇的空燃比約為9，根據(jù)空燃比設(shè)定C2H5OH:O2:N2=1:3:12(摩爾比)，設(shè)定反射激波后的溫度為1 000K，反射激波后的壓強(qiáng)為1atm(1atm=101.325kPa)，給定反應(yīng)時(shí)間為0.05s，模擬計(jì)算結(jié)果如圖3所示。

計(jì)算中若保持乙醇和空氣的摩爾比不變，輸入乙醇摩爾當(dāng)量的重整氣，并且忽略重整氣中含量為0.2的其它成分，即各組分的摩爾比為：C2H5OH:O2:N2:H2:CO:CH4:CO2:C2H4:C2H6=1:3:12:0.582:0.203:0.108:0.052:0.032:0.021。用激波管進(jìn)行模擬，選擇激波反射模型，設(shè)定反射激波后的溫度為1 000K，反射激波后的壓強(qiáng)為101.325kPa，給定反應(yīng)時(shí)間為0.05s，模擬計(jì)算結(jié)果如圖4所示。

圖3　純乙醇燃燒后激波管內(nèi)的變化Figure 3　The changes of shock tube after the combustion of pure ethanol

圖4　乙醇重整氣燃燒后激波管內(nèi)的變化Figure 4　The changes of shock tube after the combustion of ethanol reforming gas

從乙醇燃燒和乙醇重整氣燃燒模擬計(jì)算，得出如下結(jié)論：

(1)對(duì)比圖3(a)和圖4(a)，可以看到，激波管中壓力和溫度迅速上升，為可燃物著火提供了快速均勻的加熱、加壓環(huán)境，有效排除了發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒過程中各種附加過程(如燃料噴射、空氣運(yùn)輸?shù)?對(duì)燃燒過程的影響，使燃料反應(yīng)動(dòng)力學(xué)機(jī)理得到更充分的體現(xiàn)。

(2)對(duì)比圖3(d)和圖4(d),可以看出，燃燒放熱時(shí)間急劇縮短，這與本文介紹的發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣余熱制氫的目的是吻合的，充分體現(xiàn)了氫氣的優(yōu)良燃燒性能，由于燃料的放熱時(shí)間短，可以采用較小的點(diǎn)火提前角，有利于改善發(fā)動(dòng)機(jī)的性能。

(3)對(duì)比圖3(e、f)和圖4(e、f)，可以看到，CO2和CO生成迅速，但是，CO2摩爾分?jǐn)?shù)持續(xù)增加，直至燃燒過程結(jié)束，CO生成以后又略有衰減，說明有一部分CO與O2繼續(xù)反應(yīng)，生成CO2。

(4)對(duì)比圖3(h)和圖4(h)，可以看到，OH

摩爾分?jǐn)?shù)發(fā)生劇烈變化的起始時(shí)間由0.033s變?yōu)?.028s，反應(yīng)出燃料的自點(diǎn)火延遲時(shí)間變短，說明重整氣的加入可以有效縮短發(fā)動(dòng)機(jī)的滯燃期，對(duì)提高發(fā)動(dòng)機(jī)的性能十分有利。

(5)對(duì)比圖3(h)和圖4(h)，可以看到，OH自由基都迅速生成，稍后略有衰減，說明OH自由基對(duì)于純乙醇燃燒、乙醇混合重整氣燃燒的整個(gè)鏈?zhǔn)椒磻?yīng)都具有非常重要的作用。

4　結(jié)論

利用勞倫斯利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室的乙醇反應(yīng)機(jī)理對(duì)乙醇和乙醇重整氣的燃燒進(jìn)行了模擬，利用激波管的瞬間加熱作用模擬了重整氣的加入對(duì)乙醇燃燒性能的改進(jìn)，模擬結(jié)果與預(yù)期結(jié)果吻合較好，證明余熱制氫裝置在改善發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒性能方面具有很明顯的作用。

重整氣中的氫氣有效地促使了點(diǎn)火延遲時(shí)間變短，有利于發(fā)動(dòng)機(jī)性能的改進(jìn)。具體應(yīng)用到發(fā)動(dòng)機(jī)上時(shí)，要根據(jù)實(shí)際情況確定采用多大的摻燒比例，并需要通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

余熱制氫裝置在充分利用發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣余熱的同時(shí)，制取的混合氣能很好地提高發(fā)動(dòng)機(jī)的性能，并且制取的混合氣可在常壓下運(yùn)行，對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)改造是十分方便的。

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編輯陳秀娟

Simulation Calculation of Ethanol Engine to Produce Hydrogen by Waste Heat

Yang Dayong, Hu Yihuai, Feng Shiquan

Adevicetoproducehydrogenbywasteheatofenginehasbeenresearchedinthepaperanditisappliedtotheethanolengine.Shocktubemodelinchemkin-prosoftwarecanbeusedtocalculatetheinfluenceofreforminggasgeneratedbythedeviceoncombustioninengineafterthegaswasaddedintotheengine.Thesituationsofpressurerising,temperaturerising,heatreleasingandcomponentscontentschanginghavebeenresearchedbyethanolcombustionreactionmechanism,andthefeaturesofpureethanolcombustionandethanolmixedreforminggascombustionhavebeencompared.Theresultsshowthatthehydrogeninreforminggascaneffectivelyshortentheignitiondelaytime,whichisbeneficialtotheimprovementoftheperformanceoftheengine.

ethanolengine;chemkin-prosoftware;shocktube;ignitiondelay

2016—02—29

楊大勇(1992—)，碩士研究生，從事新能源發(fā)動(dòng)機(jī)相關(guān)的研究。電話：15800707112，E-mail：Yangday0729@163.com

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