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        生物柴油排氣顆粒物含量及其消光特性

        2022-11-07 12:36:08
        中國粉體技術 2022年6期
        關鍵詞:消光后處理顆粒物

        (1. 江蘇大學汽車與交通工程學院, 江蘇鎮(zhèn)江212013; 2. 南通大學機械工程學院, 江蘇南通226019;3. 江蘇江淮動力股份有限公司, 江蘇鹽城224007)

        生物柴油作為一種生物替代燃料,由含氧脂肪酸脂組成,具有可再生、 無毒性、 易降解、 熱值高等優(yōu)勢[1-2]。生物柴油與普通柴油具有相似的碳鏈結構,可以良好互溶, 因此, 生物柴油既可以作為柴油的添加劑,也可以單獨用于現(xiàn)有柴油機上,不需要對柴油機進行結構改動[3-4]。目前生物柴油已作為常見的替代燃料,可以有效地減少柴油消耗量并降低碳煙及有害氣體排放[5-9]。

        大氣中的顆粒物能夠高效吸收太陽光輻射能, 顆粒物數(shù)量也是保持地球表面太陽能輻射平衡的一個重要因素[10], 然而, 隨著機動車保有量的增加, 累積排放的細微-超細顆粒物對大氣能見度造成嚴重的影響,已引起高度關注[11-13]。 柴油機排氣顆粒物總體消光特性是顆粒物數(shù)量和單體顆粒微觀消光特征耦合作用的結果。 朱春等[14]通過Mie理論模型研究不同粒徑下單體顆粒物的光學特性, 發(fā)現(xiàn)典型機動車排氣顆粒物中, 粒徑為400~600 nm的單體顆粒物消光作用最大。 Strawa等[15]使用組合腔衰蕩和濁度儀器測量了舊金山灣區(qū)隧道內(nèi)機動車排氣顆粒物的消光和散射系數(shù), 得到柴油卡車和輕型汽油車排氣顆粒物的吸光排放因子分別為(4.4±0.79)和(0.20±0.05) m2·kg-1, 前者約為后者的22倍, 對應地, 二者的平均顆粒質(zhì)量消光截面分別為(3.14±0.88)和(2.9±1.07) m2·g-1。

        目前, 關于顆粒物的光學特性, 多集中于以大氣顆粒物為對象的研究, 針對柴油機原排顆粒物光學特性的還較少。 當柴油機燃用生物柴油后, 產(chǎn)生的顆粒物粒徑形態(tài)會發(fā)生顯著變化, 因而排氣顆粒物的光學特性同樣也值得作深入地比較分析研究。 本文中通過實驗研究生物柴油與柴油排氣顆粒物的光學特性, 利用消光排放因子和平均顆粒質(zhì)量消光截面表征消光特性, 并結合顆粒物數(shù)量粒徑分布進行探討分析, 可以更直觀地評估生物燃料應用所產(chǎn)生的氣候效應。

        1 實驗

        1.1 方案

        實驗采用滿足國V排放標準的電控高壓共軌增壓中冷4B28柴油機。 發(fā)動機性能測試臺架系統(tǒng)如圖1所示, 柴油機的主要技術指標如表1所示。 實驗使用以棕櫚油、 餐飲廢油和大豆油等為原料制備的生物柴油(分別記為PB、WB和SB), 并以市售0#柴油(標記為Diesel)作為對比參照物, 實驗燃料的主要理化指標如表2所示。 實驗過程中, 柴油機分別穩(wěn)定運行在1 800和2 400 r·min-1轉(zhuǎn)速下的 50、 100、 150、 200和250 N·m等不同負荷工況, 在專用顆粒捕捉器(DPF)+催化轉(zhuǎn)化器(DOC)復合裝置處理前、 后, 應用EEPS-3090粒徑譜儀(美國TSI公司)測量排氣中的顆粒物數(shù)量, 應用AVL439不透光煙度計(奧地利李斯特公司)測量排氣的消光系數(shù), 研究不同燃料在不同工況下DPF+DOC后處理裝置前、 后排氣顆粒物含量(每立方厘米個數(shù),下同)排放規(guī)律和消光特性。

        圖1 發(fā)動機測試系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of engine test system

        1.2 光學特性參數(shù)

        柴油機排氣顆粒物的消光系數(shù)通過不透光煙度計測量獲得,儀器光源波長為550 nm,儀器結構如圖2所示。煙度計可以測得光源和接收器之間的光強損失,并基于Beer-Lambert定律計算得到排氣顆粒物的消光系數(shù)??梢姽庾鳛橐环N電磁輻射,在介質(zhì)中傳播,強度隨傳播距離的增加而減少。根據(jù)Beer-Lambert定律,消光特性如下:

        I=I0e-kL,

        (1)

        式中:I為經(jīng)過一段測量長度后,經(jīng)過吸收介質(zhì)吸收后檢測器所測光強,W·m-2;I0為光源光強,在沒有吸收介質(zhì)情況下檢測器檢測到的光強,W·m-2;k表示吸收介質(zhì)的消光系數(shù), m-1;L為測量長度,即光源與探測器之間距離,儀器的測量長度為0.430 m。則消光系數(shù)k由下式求得:

        。

        (2)

        顆粒物的平均質(zhì)量消光截面A,亦稱作平均質(zhì)量消光效率,是表征單位質(zhì)量顆粒在被測波長下消光效率的量,可以通過消光系數(shù)與顆粒物質(zhì)量濃度計算而得:

        A=k/ρp

        ,

        (3)

        式中:A表示平均顆粒質(zhì)量消光截面, m2·g-1;ρp為顆粒物質(zhì)量濃度, g·m-3。

        引入消光排放因子E,表征燃燒單位質(zhì)量燃料產(chǎn)生的消光截面,計算式如下:

        E=ρpqvA/B

        ,

        (4)

        式中:E為消光排放因子, m2·kg-1;qv為排氣體積流量, m3·s-1;B為燃油消耗率,kg·h-1。

        表1 柴油機主要技術參數(shù)

        表2 實驗燃料主要理化指標

        圖2 消光煙度計結構示意圖Fig.2 Scheme of optical smoke meter

        2 結果與討論

        2.1 顆粒物數(shù)濃度和粒徑分布

        2.1.1 后處理對顆粒物排放的影響

        (a)PB

        (b)WB

        (c)WB

        (d)WB

        圖3所示為柴油機在2 400、 200 N·m工況條件下,使用不同燃料在后處理裝置前、后的排氣顆粒物含量分布。由圖可見,不同燃料燃燒產(chǎn)生的排氣顆粒物含量分布曲線皆呈現(xiàn)單峰形態(tài),峰值出現(xiàn)在30~50 nm。其中,核態(tài)顆粒物占主要部分,積聚態(tài)顆粒物數(shù)量較少。在后處理裝置后,排氣顆粒物含量明顯降低,峰值下降且峰值粒徑略有向小粒徑方向偏移。核態(tài)顆粒通常為缸內(nèi)燃燒形成的一次碳粒以及碳氫化合物和硫酸等前體物經(jīng)過稀釋冷卻成核形成的二次顆粒物(成核作用受排氣中顆粒比表面積、環(huán)境濕度與溫度等因素的影響)。觀察圖3(b)、 (c)可見,WB和SB燃燒排氣在后處理之后,積聚態(tài)顆粒明顯減少,峰值粒徑向小粒徑方向偏移,然而在超細顆粒物尺度上,顆粒物數(shù)量出現(xiàn)了增加。這種現(xiàn)象主要是由于后處理之后大粒徑的積聚態(tài)顆粒物含量顯著減少,致使碳氫化合物或硫酸等氣態(tài)前體物在積聚態(tài)顆粒表面的吸附量減少,在排氣和稀釋過程中成核效應增加,從而造成細小粒徑核態(tài)顆粒數(shù)量增加。據(jù)圖3數(shù)據(jù)統(tǒng)計,PB、 WB、 SB、 Diesel排氣顆粒物中核態(tài)顆粒物含量占比在后處理之后分別上漲了7.07%、 17.77%、 22.06%、 2.65%。

        2.1.2 生物柴油對顆粒物排放的影響

        (a)核態(tài)顆粒

        (b)積聚態(tài)顆粒

        (c)總顆粒

        在同一工況下, 比較不同生物柴油燃料產(chǎn)生的顆粒物排放的差異。 圖4所示為2 400 r·min-1、 250 N·m工況下, 不同燃油燃燒產(chǎn)生的核態(tài)顆粒、積聚態(tài)顆粒、總顆粒的數(shù)量排放情況。按照柴油、PB、WB、SB的順序,排氣顆粒物含量都呈現(xiàn)下降的趨勢。由圖可見,與普通柴油相比,各生物柴油燃料的核態(tài)顆粒含量變化幅度明顯高于積聚態(tài)顆粒含量的變化幅度。由此可見,在顆粒含量方面,生物柴油對柴油機顆粒物排放水平的影響主要體現(xiàn)在核態(tài)顆粒物上。

        由表2可知,生物柴油的氧質(zhì)量分數(shù)約為11%,而普通柴油幾乎不含氧。生物柴油分子中的氧有利于改善擴散燃燒階段局部過濃混合區(qū)域的燃燒,并會促進前期已形成碳煙顆粒的進一步氧化;此外,生物柴油不含芳香烴,也會減少顆粒物前體物的生成,這些因素導致顆粒排放降低。

        2.2 消光排放因子

        (a)1 800 r·min-1

        (b)2 400 r·min-1

        圖5所示為不同燃料分別在1 800和2 400 r·min-1轉(zhuǎn)速的各個負荷工況下的消光排放因子。 由圖可知, 在不同轉(zhuǎn)速下, 4種燃料的消光排放因子均隨著負荷增加呈先減少后增大的趨勢, 且消光排放因子按SB、 WB、 PB、 Diesel的順序依次升高。 由圖5(a)可見, 在2 400 r·min-1轉(zhuǎn)速下, WB和SB的消光排放因子隨負荷變化不大, 分別在0.431 ~0.799 m2·kg-1和0.256~0.564 m2·kg-1之間變化。 其中, WB的消光排放因子在150 N·m工況下呈現(xiàn)最小值, 在250 N·m工況下呈現(xiàn)最大值。 SB的消光排放因子在100 N·m工況下呈現(xiàn)最小值, 在250 N·m工況下呈現(xiàn)最大值。 Diesel和PB 2種燃料的消光排放因子隨負荷變化的幅度較大,分別在2.002~3.979 m2·kg-1、 0.472~0.904 m2·kg-1之間變動, 且2種燃料分別在100、 150 N·m工況下消光排放因子呈現(xiàn)最小值, 在250 N·m工況下消光排放因子呈現(xiàn)最大值。 由圖5(b)可知, 1 800 r·min-1轉(zhuǎn)速下各燃料的消光排放因子極值所處的負荷與2 400 r·min-1轉(zhuǎn)速下的一致。 Diesel的消光排放因子在1.157 ~2.869 m2·kg-1之間變化, PB、 WB、 SB的消光排放因子分別在0.556 ~1.060、 0.373 ~0.697、 0.236 ~0.515 m2·kg-1之間變化。

        顯而易見,在各種工況下,生物柴油的消光排放因子皆遠小于普通柴油,即燃燒相同質(zhì)量的燃料,生物柴油顆粒物引起的消光作用遠小于普通柴油顆粒物,對大氣能見度的影響更小。從消光角度來說,生物柴油是一種更加環(huán)境友好型的燃料,這其中,又以SB的消光排放因子最小。總體而言,4種燃料的消光特性按照柴油、 PB、 WB、 SB的順序逐漸改善,這種趨勢與圖4中展示出的不同燃油顆粒物數(shù)量排放規(guī)律一致,所以,可以利用生物柴油對顆粒物影響的結論作為解釋4種燃油消光排放因子出現(xiàn)差異的原因。生物柴油由于自身含氧且不含芳香烴等物理化學性質(zhì),大大改善了柴油機的顆粒物排放。柴油機在燃用生物柴油后顆粒物含量相較于普通柴油出現(xiàn)了較大的下降,且按照PB、 WB、 SB的順序改善效果愈加明顯。根據(jù)Strawa等[15]的研究可知,氣溶膠的消光、吸光等光學性質(zhì)和顆粒物的含量有很強的相關性,顆粒物是尾氣中起消光作用的主要因素,因此,4種燃料的消光特性同樣按照柴油、 PB、 WB、 SB的順序逐漸改善。

        2.3 平均顆粒質(zhì)量消光截面

        4種不同燃料在1 800 r·min-1轉(zhuǎn)速, 不同負荷工況下后處理裝置前、 后的平均顆粒質(zhì)量消光截面如圖6所示。 由圖可見, 在后處理裝置之前, 4種燃料排氣顆粒物的平均顆粒質(zhì)量消光截面隨負荷的增加而減小, 即負荷增大, 單位質(zhì)量顆粒物的平均消光能力下降。 4種燃油在各種工況下平均顆粒質(zhì)量消光截面在經(jīng)過后處理裝置后均出現(xiàn)不同程度的上升。 也就是說, 顆粒物在經(jīng)過后處理裝置處理后, 單位質(zhì)量顆粒物的平均消光能力都提升了。 由圖6(a)可見, PB在不經(jīng)后處理的情況下, 平均顆粒質(zhì)量消光截面從50 N·m工況下的34.41 m2·g-1減小到250 N·m工況下的16.99 m2·g-1。 經(jīng)過DPF+DOC后處理裝置處理后,平均顆粒質(zhì)量消光截面平均提高了83.3%。 由圖6(b)可見, WB在不經(jīng)后處理的情況下, 平均顆粒質(zhì)量消光截面從50 N·m工況下的34.95 m2·g-1下降到250 N·m工況下的16.47 m2·g-1, 經(jīng)過DPF+DOC后處理裝置處理后,平均顆粒質(zhì)量消光截面平均提高了135.7%。由圖6(c)可見,SB在不經(jīng)后處理的情況下,平均顆粒質(zhì)量消光截面從50 N·m工況下的35.61 m2·g-1減小到250 N·m工況下的18.22 m2·g-1,經(jīng)過DPF+DOC后處理裝置處理后,平均顆粒質(zhì)量消光截面平均提高了134.8%。由圖6(d)可見,柴油在不經(jīng)后處理的情況下,平均顆粒質(zhì)量消光截面從50 N·m工況下的68.88 m2·g-1減小到250 N·m工況下的25.35 m2·g-1,經(jīng)過DPF+DOC裝置處理后,平均顆粒質(zhì)量消光截面平均提高了252.8%。

        4種不同燃料在2 400 r·min-1轉(zhuǎn)速不同負荷工況下后處理裝置前、 后的平均顆粒質(zhì)量消光截面如圖7所示。由圖可見,顆粒物的平均顆粒質(zhì)量消光截面呈現(xiàn)出的規(guī)律與圖6中的相同,均隨負荷增大而減小,經(jīng)后處理之后數(shù)值顯著提高。

        (a)PB

        (b)WB

        (c)WB

        (d)WB

        同一轉(zhuǎn)速下,隨柴油機負荷增大,每循環(huán)的噴油量增大,空燃比減少,燃燒向缺氧方向發(fā)展,在缺氧且高溫的環(huán)境中,燃油經(jīng)加熱分解成小分子碳氫化合物,這些熱分解產(chǎn)物一面進行脫氫反應,一面聚合成碳煙粒子,最終成長為積聚態(tài)大顆粒。與負荷增大對顆粒物粒徑分布的影響相反,根據(jù)后處理對顆粒物排放的影響中得出的結論可知,排氣經(jīng)后處理之后顆粒物含量明顯減小,峰值下降且峰值粒徑向左偏移,即粒徑分布向小粒徑核態(tài)方向偏移,核態(tài)顆粒物在總顆粒物中所占比例增加。小粒徑顆粒的比表面積要大于大粒徑顆粒,相同質(zhì)量的小粒徑顆粒比大粒徑顆粒的消光能力更強。這也就解釋了負荷與后處理對顆粒物平均顆粒質(zhì)量消光截面的影響規(guī)律。

        (a)PB

        (b)WB

        (c)WB

        (d)WB

        3 結論

        1)經(jīng)過后處理,4種燃料的排氣顆粒物含量下降,并且小粒徑顆粒占比增大,其中SB和WB排氣中的超細顆粒數(shù)量有所增多。

        2)不同燃油燃燒排放的核態(tài)和積聚態(tài)顆粒物的數(shù)含量,按照柴油、 PB、 WB、 SB的次序下降。與普通柴油相比,生物柴油燃燒排放的核態(tài)顆粒含量變化幅度大于積聚態(tài)顆粒含量變化幅度。生物柴油對顆粒物排放的影響主要體現(xiàn)在核態(tài)顆粒物上。

        3)按照柴油、 PB、 WB、 SB的次序,幾種燃料燃燒排氣顆粒物的消光性能逐漸改善,說明生物柴油是一種更加環(huán)境友好型的燃料。在同一轉(zhuǎn)速下,隨著負荷增大,各種燃料燃燒排氣顆粒物的平均顆粒質(zhì)量消光截面減小,但在后處理之后,平均顆粒質(zhì)量消光截面顯著增加。

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