醇基燃料、柴油燃烧特性实验研究

张 全,刘 洋,刘 蒙,赵 军,林 飞

(中南大学能源科学与工程学院,湖南长沙 410083)

醇基燃料、柴油燃烧特性实验研究

张 全,刘 洋,刘 蒙,赵 军,林 飞

(中南大学能源科学与工程学院,湖南长沙 410083)

在化石燃料资源日益枯竭的背景下,醇基燃料作为新能源和碳循环的载体,其低碳和清洁特性已经得到了社会的普遍关注。醇基燃料作为燃料直接燃烧加热已经比柴油等传统能源具有竞争优势。本文通过实验对比的方法从热值、燃烧效率、烟气成分方面进行醇基燃料、柴油燃烧特性实验,为醇基燃料的推广给出实验依据。

燃烧特性;热值;燃烧效率;烟气

1 引言

柴油被广泛应用于餐饮业燃烧器、锅炉燃烧器,但是随着化石燃料资源的日益枯竭,以及受产能、气候、中东局势和国际原油价格的影响,柴油被新能源燃料所取代是必然的[1]。醇基燃料这种可再生新型清洁低碳能源的燃烧特性是决定该燃料能否大规模应用的关键性问题。

2 醇基燃料、柴油的燃烧特性对比实验

2.1 醇基燃料、柴油燃烧特性的实验研究

通过图1所示的实验系统对醇基燃料、柴油进行燃烧特性实验对比研究。

图1中实验选取市场上广泛使用的0#柴油和纯甲醇体积含量为70%的醇基燃料进行燃烧实验,燃料油经过管道通过燃烧器喷嘴进入燃烧室燃烧,空气由鼓风机从燃烧器侧壁鼓入燃烧室,燃烧产生的烟气由烟道排入大气,并用烟气取样器抽取烟气经过烟气分析仪测量。醇基燃料燃烧器和柴油燃烧器都用来直接加热20kg水,水温由热电偶测量,测量范围为40～80℃。并从加热时间、烟气成分、燃烧热效率等方面对比分析醇基燃料与柴油的燃烧特性。

图1 醇基燃料、柴油燃烧特性实验系统图

通过实验系统测试数据如下:

醇基燃料密度0.8543×103kg/m3,醇基燃料热值14.0675MJ/kg。

测试20 kg水加热,从40～80℃所需时间、消耗醇基燃料量和烟气成分如表1:

表1 醇基燃料燃烧数据

由表1可知水温从40℃升高到80℃消耗醇基燃料0.525kg,消耗时间285s,醇基燃料流量为7.76L/h。

柴油密度0.85×103kg/m3;热值42.9MJ/kg。

测试20 kg水加热,从40℃～80℃所需时间、消耗柴油量和烟气成分如表2:

表2 柴油燃烧数据

由表2可知水温从40℃升高到80℃消耗柴油0.295kg,消耗时间265s,柴油流量为4.67L/h。

2.2 对比分析醇基燃料、柴油的燃烧特性

2.2.1 燃烧效率的对比

计算醇基燃料燃烧热效率为45.28%,柴油燃烧热效率为26.42%[2,3],可以发现醇基燃料燃烧热效率远远高于柴油燃烧热效率,而醇基燃料的单位质量热值(14.0675MJ/kg)远低于人们习惯的柴油(42.9MJ/kg)等化石燃料能源,因此推广醇基燃料大规模使用的关键性问题是醇基燃料应用技术的提高即研发高效率的燃烧器,充分发挥醇基燃料容易雾化、汽化、蒸发的特性。单纯的依靠添加热值提高剂,增加烃含量不但降低了醇基燃料的安全性能,而且导致了醇基燃料成本价格上升,不利于醇基燃料的推广。

2.2.2 加热时间的对比

从表1、表2可以发现由于柴油热值几乎是醇基燃料热值的2倍,加热水温到同样的温度,燃烧醇基燃料所需要的时间仅仅是燃烧柴油所需时间的1.08倍,醇基燃料的耗油量是柴油耗油量的1.77倍,结合柴油、醇基燃料的成本来看,在获得同样有效热能的前提下使用醇基燃料更加经济,也体现了醇基燃料这种低碳能源比柴油更具有竞争优势。

2.2.3 排烟的清洁性对比

燃烧醇基燃料烟气中O2平均含量为14.89%,燃烧柴油烟气中O2平均含量为9.85%,按相对空气消耗系数为1.1换算得出醇基燃料燃烧、柴油燃烧烟气成分的相对含量如表3和表4所示[4]:

表3 醇基燃料燃烧烟气成分及相对含量/mg

表4 柴油燃烧烟气成分及相对含量/mg

在同样的空气消耗系数下,醇基燃料的CO、SO2、NO、NO2等气体的排放量远远低于柴油燃烧的烟气排放量,从实验角度验证了醇基燃料的清洁性。

3 结论

在全球石化资源日益枯竭的今天,替代传统石化能源的新能源的开发和利用迫在眉睫。而醇基燃料的出现无疑会给中国的能源资源注入新的活力,它不仅解决了能源的高效贮存和分配问题[5],而且其燃烧效率更高,更经济,更环保。

REFERENCES

[1] 张全,刘洋,赵军,等.后石油时代的选择-醇基燃料[R].北京:2009年中国新能源及可再生能源科技发展论坛,中国能源学会,2009:269-277.

[2] 张全,刘洋,赵军,等.醇基燃料热值的研究探讨[J].工业加热,2009.

[3] 中华人民共和国农业行业标准.NY312-1997,醇基民用燃料灶具.北京:中国标准出版社,1997.

[4] 韩昭沧.燃料及燃烧[M].北京:冶金工业出版社,1994:27-56.

[5] George A.Olah,Alain Goeppert,G.K.Surya Prakash,Beyond Oil and Gas:The Methanol Economy,Angewandte Chemie International Edition Volume 44,Issue 18,Pages2636-2639,2005 .

Exper imental Study on Combustion Characteristics of Alcohol-based Fuels and D iesel oil

ZHANGQuan,L IU Yang,L IU Meng,ZHAO Jun,L IN Fei
(School of Energy Science and Engineering,Central South University,Changsha 410083,Hu’nan,China)

Alcohol-based fuel has low carbon and is clean.The competitive advantages to replace traditional energy sources are obvious.Thispaper compared alcohol-based fuelwith diesel combustion by testson calorific value,combustion efficiency and flue gas composition.

combustion characteristics;Calorific value;combustion efficiency;flue gas

TQ51

:A

:1009-3842(2010)01-0070-02

2009-12-31

张全(1962-),男,湖南常德人,中南大学教授,博士,从事新能源应用技术的研究开发和利用。