杜家益,周仁雙,張登攀,周小強(qiáng),夏 群,袁銀男

(1.江蘇大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院,江蘇 鎮(zhèn)江 212013；2.蘇州大學(xué)能源學(xué)院,江蘇 蘇州 215006)

DOC對燃用調(diào)合生物柴油發(fā)動機(jī)PM排放的影響

杜家益1*,周仁雙1,張登攀1,周小強(qiáng)1,夏 群1,袁銀男2

(1.江蘇大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院,江蘇 鎮(zhèn)江 212013；2.蘇州大學(xué)能源學(xué)院,江蘇 蘇州 215006)

為研究氧化催化轉(zhuǎn)化器(DOC)對柴油機(jī)燃用不同調(diào)合生物柴油(B0、B10、B20)后排氣顆粒物粒徑分布及組分的影響規(guī)律,利用MOUDI對顆粒物進(jìn)行分級采樣,對分級顆粒稱重得到質(zhì)量濃度分布,利用熱重分析儀分析顆粒物熱重特性及組分變化.結(jié)果表明:未加裝DOC時,隨著生物柴油比例的增加,各粒徑級顆粒物質(zhì)量濃度均降低,B20降幅最大;顆粒物質(zhì)量濃度峰值范圍內(nèi)的粒徑大小處于0.18～0.32μm,SOF質(zhì)量分?jǐn)?shù)依次升高,無機(jī)鹽和Soot質(zhì)量分?jǐn)?shù)依次降低.加裝DOC后,顆粒物質(zhì)量濃度降低,DOC對粒徑大于1μm顆粒轉(zhuǎn)化效果不明顯,聚集態(tài)顆粒質(zhì)量濃度轉(zhuǎn)化效率明顯高于粗粒子態(tài)顆粒,B20聚集態(tài)轉(zhuǎn)化效率最高,可達(dá)61.6%.隨著轉(zhuǎn)速的升高,轉(zhuǎn)化效率明顯降低,顆粒中SOF質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低,H2O、Soot、無機(jī)鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)均增大.

DOC；生物柴油；顆粒物；粒徑分布；組分

石油資源短缺和生態(tài)環(huán)境保護(hù)已經(jīng)成為本世紀(jì)人類面臨的主要問題.因此,尋找新燃料,加快替代能源的開發(fā)與使用顯得尤為重要.生物柴油因具有硫含量低、氧含量高、十六烷值高、可再生性等優(yōu)點(diǎn)而成為理想的柴油替代燃料,已在不少國家和地區(qū)與柴油低比例調(diào)合使用.已有研究表明:柴油機(jī)燃用生物柴油不僅有效降低HC、CO的排放[1-6],還能顯著降低顆粒物排放,但會使顆粒物粒徑減小且數(shù)量增加[7-12].柴油機(jī)顆粒物對人體具有嚴(yán)重危害,并隨著顆粒粒徑的減小,危害增大,同時也是導(dǎo)致城市霧霾的罪魁禍?zhǔn)字籟13].

發(fā)動機(jī)后處理裝置氧化催化轉(zhuǎn)化器(DOC)能夠有效降低顆粒物排放[14].其主要通過去除固體顆粒物中的可溶性有機(jī)物(SOF)組分達(dá)到降低顆粒排放物的目的,同時還可以降低CO和HC的排放量.與其它顆粒物后處理裝置相比,因其結(jié)構(gòu)簡單,價(jià)格便宜,且對發(fā)動機(jī)工作過程影響較小而被廣泛應(yīng)用.

目前,國內(nèi)外研究DOC對柴油機(jī)燃用純柴油排放特性的影響較多[15-16],對燃用生物柴油排放的研究相對較少.姚笛等[17]、譚丕強(qiáng)等[18]研究了DOC對燃用生物柴油發(fā)動機(jī)顆粒物數(shù)量的影響,結(jié)果表明:顆粒物粒徑越小,DOC對其轉(zhuǎn)化效果越好.本文利用微孔均勻沉積沖擊式采樣器MOUDI和自制的顆粒采集器對DOC作用前后的顆粒物進(jìn)行采樣,利用微克天平對MOUDI采集的顆粒進(jìn)行稱重以獲得顆粒物的質(zhì)量濃度與粒徑分布,并借助熱重分析儀(TGA)對自制顆粒采集器采集的顆粒物開展熱重試驗(yàn).研究了DOC對發(fā)動機(jī)燃用生物柴油后顆粒物排放情況的影響.研究結(jié)果可為發(fā)動機(jī)燃用生物柴油后處理技術(shù)提供基礎(chǔ)性數(shù)據(jù),同時有助于DOC裝置的改進(jìn)和優(yōu)化.

1 試驗(yàn)設(shè)備與方案

1.1 試驗(yàn)設(shè)備與燃料

試驗(yàn)用柴油機(jī)型號為186FA型,額定功率轉(zhuǎn)速為6.7kW/3600(r/min),最大扭矩轉(zhuǎn)速為20.1N·m/2700(r/min).試驗(yàn)用柴油為市售0#柴油,調(diào)和生物柴油通過生物柴油與柴油按體積比例混合得到,根據(jù)生物柴油體積分?jǐn)?shù)分別記為B0、B10和B20,其主要理化參數(shù)見表1.試驗(yàn)用DOC由無錫威孚力達(dá)催化劑有限公司提供,載體為蜂窩狀堇青石,催化劑涂層主要為Pt,孔數(shù)300目,尺寸為:Φ152mm×162mm.熱重分析儀設(shè)備采用瑞士METTLER公司的TGA/DSG1型熱重分析儀.MOUDI為8級微孔均勻沉積沖擊式采樣器,其空氣動力學(xué)分割直徑分別為18,10,5.6,3.2,1.0, 0.56,0.32,0.18μm,所用濾膜為鋁箔.由于MOUDI采樣系統(tǒng)為分級采樣,不利于后期的熱重試驗(yàn),因此自制顆粒采集器,內(nèi)置采樣濾紙為美國Pall公司生產(chǎn)的石英纖維濾紙,其在1093℃下不會發(fā)生氧化分解.

表1 燃油主要理化參數(shù)Table 1 Main physical and chemical parameters of fuel

1.2 試驗(yàn)方案

在發(fā)動機(jī)臺架上開展試驗(yàn),發(fā)動機(jī)運(yùn)行工況:2700r/min,100%負(fù)荷和3600r/min,100%負(fù)荷.分別燃用調(diào)合生物柴油B0、B10、B20,利用MOUDI和自制顆粒采集器對DOC作用前后的顆粒物進(jìn)行采樣, MOUDI采樣時間為40min,進(jìn)氣流量為30L/min.試驗(yàn)所用濾膜,經(jīng)噴硅膠處理后置于烘箱中60℃恒溫放置2h,采樣前后,所用鋁箔都需要置于干燥箱中溫濕度平衡6h,再利用微克天平對MOUDI采集的顆粒進(jìn)行精確稱重.利用熱重分析儀對自制顆粒采集器采集的顆粒開展熱重特性試驗(yàn),試驗(yàn)氛圍為空氣,流量為50mL/min,程序升溫區(qū)間為40-800℃,升溫速率為20℃/min.顆粒物采樣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示.

圖1 顆粒物采樣系統(tǒng)Fig.1 Particle sampling system

2 結(jié)果與討論

2.1 顆粒物質(zhì)量濃度與粒徑分布

柴油機(jī)顆粒按照粒徑大小通常分為核態(tài)、聚 集態(tài)及粗顆粒態(tài).粒徑小于50nm為核態(tài)顆粒;聚集態(tài)顆粒是介于50～1000nm之間的顆粒; 1000nm以上稱為粗顆粒態(tài).圖2a和b為燃用B0、B10、B20轉(zhuǎn)速為2700r/min和3600r/min下排放的顆粒物質(zhì)量濃度分布曲線.由圖2可見,B0、B10、B20顆粒物質(zhì)量濃度峰值均在0.18 -0.32μm范圍內(nèi),粒徑越大,質(zhì)量濃度越小.與B0相比,B10排氣顆粒物質(zhì)量濃度明顯下降,這是因?yàn)樯锊裼秃鹾褪橹蹈哂欣诟纳迫紵?減少顆粒物的排放.隨著生物柴油摻混比的進(jìn)一步加大,B20較B10質(zhì)量濃度下降不明顯,這是因?yàn)榇蟮膿交毂葘?dǎo)致燃油的粘度變大,燃油霧化不良,對顆粒排放的改善有限.加裝DOC后,三種燃油顆粒物質(zhì)量濃度均下降,對于粒徑＜0.56μm顆粒物降低顯著,對粒徑＞1μm顆粒物無顯著影響.一方面小顆粒中含較多的SOF, DOC主要通過氧化SOF減少顆粒物排放,因此對小粒徑顆粒作用明顯,對大粒徑顆粒影響較小.另一方面,顆粒物粒徑減小比表面積增大,更易于接觸氧化性氣體從而加速氧化.比較圖2a和圖b可見3600r/min顆粒物質(zhì)量濃度較高,這是由于轉(zhuǎn)速高,氣缸溫度增加以及燃油燃燒時間縮短導(dǎo)致燃油裂解脫氫加劇和燃燒不充分,因此顆粒物質(zhì)量濃度增加.

為了更直觀的分析DOC對不同粒徑質(zhì)量濃度的轉(zhuǎn)化效率,圖3顯示出了DOC對聚集態(tài)和粗粒子態(tài)的轉(zhuǎn)化效果.DOC對聚集態(tài)轉(zhuǎn)化效率明顯大于粗粒子態(tài),無論是積聚態(tài)還是粗粒子態(tài),DOC對 B10的轉(zhuǎn)化效率均最低,B20總體高于B0.這是因?yàn)槿加肂0時,排氣顆粒物質(zhì)量濃度大于B10和B20,在排氣中分布密度大,與DOC貴金屬接觸面積增加,因此轉(zhuǎn)化效率相對較高.B20由于摻混比的增加,燃油缸內(nèi)霧化不良,燃油燃燒不完全排出大量SOF以及排氣中強(qiáng)氧化性氣體NOx含量較高,促進(jìn)顆粒物氧化分解.因此,燃用B20積聚態(tài)和粗粒子態(tài)的轉(zhuǎn)化率最高.當(dāng)轉(zhuǎn)速從2700r/min上升至3600r/min時,聚集態(tài)與粗粒子態(tài)顆粒物質(zhì)量濃度轉(zhuǎn)化效率均下降.對于燃用B0、B10、B20的聚集態(tài)顆粒,轉(zhuǎn)速上升,轉(zhuǎn)化率分別從44.3%、35.21%、61.6%下降至33.1%、27.3%、34.9%,對于粗粒子態(tài)顆粒,轉(zhuǎn)化率分別從17.7%、10.2%、24.2%下降至12.1%、3.1%、9.1%.這是由于轉(zhuǎn)速升高使發(fā)動機(jī)排氣流速加快,減少了顆粒物在DOC中的反應(yīng)時間所致.由于試驗(yàn)裝置測量范圍的限制,粒徑小于0.05～0.18μm的顆粒并沒有計(jì)入聚集態(tài)顆粒.顆粒物粒徑越小,DOC對其氧化轉(zhuǎn)化效率越高,因此DOC對聚集態(tài)的轉(zhuǎn)化效率真實(shí)值比試驗(yàn)值更高.

圖2 顆粒物質(zhì)量濃度粒徑分布Fig.2 Exhaust particulate matter mass concentration size distribution

圖3 聚集態(tài)與粗顆粒態(tài)的顆粒轉(zhuǎn)化效率Fig.3 Conversion efficiency comparison of accumulation and coarse state particle

2.2 顆粒熱重特性及組分分析

利用熱天平在一定的溫度升高率下加熱,使坩堝中的顆粒樣品發(fā)生蒸發(fā)、揮發(fā)、氧化分解及升華等一系列的物理化學(xué)變化,可以獲得熱重百分?jǐn)?shù)曲線(TG)和微商熱重曲線(DTG).圖4為空氣氣氛下不同燃油燃燒顆粒物的TG和DTG曲線.由圖可見,在程序溫度范圍內(nèi),顆粒質(zhì)量隨溫度升高而不斷減少,最終穩(wěn)定于某一數(shù)值,DTG曲線處于負(fù)值,其絕對值表示失重速率.由圖4a和4c 可見,B0、B10、B20燃油排氣顆粒TG曲線依次下降,表明生物柴油摻混比越大,顆粒物越易在升溫中失重.加裝DOC后,TG曲線上升,升溫失重減緩,這是由于顆粒中SOF組分減少所致.由圖4b和4d可見,無DOC時,DTG曲線為明顯的雙峰曲線,第一個峰值表征SOF的氧化揮發(fā)特性,出現(xiàn)在300℃附近,第二個峰值表征Soot的氧化燃燒特性,出現(xiàn)在650℃左右;與B0相比,B10、B20顆粒物SOF失重率峰值依次變大,且隨著轉(zhuǎn)速的升高,3種燃油顆粒SOF失重率峰值以及對應(yīng)溫度均增加,這是因?yàn)檗D(zhuǎn)速升高,排氣中未然HC增多,所以失重率峰值增加,與此同時,轉(zhuǎn)速升高導(dǎo)致排氣溫度的上升,輕質(zhì)HC在高溫排氣中被部分氧化,而重質(zhì)HC氧化溫度高于輕質(zhì)HC,因此SOF失重率峰值溫度隨轉(zhuǎn)速的升高而增大.加裝DOC后, DTG曲線均上升,且均由雙峰曲線變?yōu)閱畏迩€,這是因?yàn)镈OC對SOF的氧化轉(zhuǎn)化作用,顆粒中SOF含量減少,導(dǎo)致SOF失重率峰值消失;Soot最大失重率變大,表明Soot百分含量增加.

圖4 顆粒物TG和DTG曲線Fig.4 TG and DTG curves of particulate matter

表2 顆粒物各組分含量Table 2 Contents of each components in particulate matter

根據(jù)顆粒物的主要成分,將顆粒在升溫過程中分為3個變化階段,即水分的揮發(fā)、SOF組分的揮發(fā)和氧化以及soot的熱解氧化[19].將105℃內(nèi)樣品的失重考慮為水分的蒸發(fā);105～450℃溫度范圍內(nèi)樣品的失重考慮為SOF的揮發(fā)與氧化;樣品最終剩余質(zhì)量認(rèn)定為無機(jī)鹽.表2給出了顆粒組分質(zhì)量分?jǐn)?shù).由表2可知,與B0相比,隨著生物柴油摻混比例的增加,顆粒中SOF與H2O質(zhì)量分?jǐn)?shù)均增加,無機(jī)鹽和Soot質(zhì)量分?jǐn)?shù)減小.無機(jī)鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)減少是因?yàn)樯锊裼筒缓琒,硫酸鹽排放降低所致.轉(zhuǎn)速升高,SOF、H2O和無機(jī)鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)均增加.加裝DOC后,3種燃油排氣顆粒中SOF質(zhì)量分?jǐn)?shù)明顯減小,H2O、Soot以及無機(jī)鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)均增大.當(dāng)轉(zhuǎn)速為2700r/min時,DOC對B0、B10、B20排氣顆粒SOF質(zhì)量分?jǐn)?shù)轉(zhuǎn)化效率分別為49.1%、48.4%、53.6%;當(dāng)轉(zhuǎn)速上升為3600r/min時,SOF質(zhì)量分?jǐn)?shù)轉(zhuǎn)化效率分別為35.1%、46.2%、47.7%.無機(jī)鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加,是因?yàn)镈OC將硫化物氧化為硫酸鹽,導(dǎo)致無機(jī)鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加.

3 結(jié)論

3.1 隨著生物柴油摻混比的增加,顆粒分級質(zhì)量濃度依次下降;2700r/min時,SOF含量由12.3%增加至19.9%,而Soot和無機(jī)鹽含量則相應(yīng)地下降,分別落在83.9%～76.5%和3.12%～2.9%區(qū)間;TG曲線下降,SOF失重率峰值增加.

3.2 DOC對顆粒質(zhì)量濃度的影響表明,粒徑越小,DOC對其轉(zhuǎn)化效率越大,對粒徑＞1μm顆粒無明顯轉(zhuǎn)化效果,轉(zhuǎn)速從2700r/min升為3600r/min時,DOC對B0、B10、B20積聚態(tài)顆粒的轉(zhuǎn)化效率分別從44.3%、35.2%、61.6%降低至33.1%、27.3%、34.9%,粗粒子態(tài)顆粒的轉(zhuǎn)化效率分別從17.7%、10.2%、24.2%降低至12.1%、3.1%、9.1%.

3.3 DOC對顆粒熱重特性影響表明,安裝DOC后,TG曲線上升,DTG曲線由雙峰曲線變?yōu)閱畏迩€,SOF失重率峰值消失,H2O、SOF、無機(jī)鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)均增加.

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Impacts of DOC on P Memission fromdiesel engine fueled with biodiesel blends.

DU Jia-yi1*, ZHOU Ren-shuang1,ZHANG Deng-pan1, ZHOU Xiao-qiang1, XIA Qun1, YUAN Yin-nan2
(1.School of Automotive and Traffic Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang 212013, China；2.School of Energy, SoochowUniversity, Suzhou 215006, China). China Environmental Science, 2017,37(2)：497～502

In order to reveal the effects of diesel oxidation catalyst (DOC)on size distribution and components of particulate matter emitted fromdiesel-biodiesel dual fuel (B0, B10, B20), an experimental study was carried on a diesel engine. Particle samples fromdifferent size grades were got fromMOUDI and distribution of the mass concentration was obtained by weighting the particle. Beside, thermogravimetric characteristics of particle and varieties of components were analyzed by using thermogravimetric analyzer. Results showed that with the increase of biodiesel percentage, the mass concentration of every size grade decrease and it was especially obvious when B20was used. The mass concentration peak value of particulate matter emitted fromthree fuels all range from0.18μmto 0.32μm. In addition, with the increasement of biodiesel percentage, the mass concentration of SOF increased while mineral salt and soot decreased. When DOC was used, the mass concentration of particulate matter decreased and the convert efficiency was not evident for particle above 1μm. The convert efficiency of accumulation state particles higher than that of coarse particle. Moreover, with the increasing of speed, the mass concentration of SOF decreased, while H2O, soot and mineral salt increased.

DOC；biodiesel；particulate matter；size distribution；components

X513,TK421

A

1000-6923(2017)02-0497-06

杜家益(1968-),男,江蘇鎮(zhèn)江人,副教授,博士,主要從事發(fā)動機(jī)代用燃料及后處理技術(shù).發(fā)表論文15篇.

2016-06-30

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(50578020);江蘇省高校自然科學(xué)研究重大項(xiàng)目(13KJA470001);江蘇高校優(yōu)勢學(xué)科建設(shè)工程資助項(xiàng)目(PAPD)

* 責(zé)任作者, 副教授, jydu@ujs.edu.cn