塑料热解油对直喷式柴油机性能与排放的影响*

2020-03-27

小型内燃机与车辆技术 2020年1期

（上海工程技术大学机械与汽车工程学院上海 201620）

引言

随着石油燃料价格逐渐上涨，鼓励废弃物回收利用政策，使得研究者重点开发替代能源，从而满足能源需求，取代石油燃料。主要的替代能源有水力发电、太阳能、风能、地热能、核能、生物质能和废弃物[1]。废塑料是一种大量供给的废弃物，可以有效地被用作能源。在过去的30 年里，塑料的产量面临着爆炸式的增长，达到了每年1.29×108t。合成聚合物产量，如聚乙烯（PE），聚丙烯（PP），聚苯乙烯（PS）和聚氯乙烯（PVC），在过去30 年内急剧增加。所有的塑料在使用完毕以后，应该被高效地管理，从而避免被填埋或焚烧的废塑料对环境造成进一步的污染。近年来，尽管开展了许多环保的方式来回收废旧塑料，但是每天仍然有数以百万吨计的废塑料被倾倒，而不是被回收[2]。

由于废塑料资源很丰富，因此废塑料转化为燃料被认为是一种很有前途的替代能源。它可以通过传统的炼油工艺而得到，如热解，气化，加氢裂化及催化裂化等。一种最有前途的技术是热解过程[3]。热解过程是在没有氧气存在的情况下发生的热降解过程。废塑料通过热解过程，可以被分解为3 个状态：液体、气体和少量固体。热解产物的质量取决于供给热解反应器的废塑料的类型和工艺参数，如温度、停留时间和催化剂等[4]。液体产品，即塑料热解油（PPO），和石油产品具有类似的性能，因此有可能被用于内燃机。如今，重要的研究已经专注于柴油机上，由于柴油机在很宽的负载范围内工作，具有很大的操控性和较高的效率。尽管柴油机产生了大量的NOx和PM 排放量，但是柴油机还是在经历着快速的增长。因此，寻找替代燃料，以取代柴油，是非常有必要的。

到目前为止，关于塑料热解产物在柴油机上的应用研究较少。由于不同类型的塑性原料和热解过程，所以所产生的燃油的质量是不一样的，因此很难在不同类型的调查之间比较柴油机的性能。研究者已经在单缸柴油机中针对塑料热解油（PPO）和柴油的混合使用进行了研究[5]。此外，在较大的柴油机中，J.Pratoomyod 等人已经对塑料热解油（PPO）和柴油混合使用进行了研究，但没有对燃烧性能进行分析[6]。这些研究表明：柴油机可以承受一个中等混合率的塑料热解油（PPO）和柴油混合。在较大型的柴油机中，以较高的混合率的塑料热解油（PPO）和柴油混合，或者全部是塑料热解油（PPO）中，燃烧性能的分析还没有被研究[6]。本研究的目的是评估利用塑料热解油作为替代柴油燃料的可行性，并预估其最佳运行工况。为了实现这一目的，本文对塑料热解油的特性进行了充分的分析，针对柴油机燃烧性能和排放性能进行研究。

1 材料与方法

1.1 转化过程和燃料特性

塑料热解油的热解装置由3 个腔室组成：主室、副室和转换室，如图1 所示。

塑料原料被切成小块（1～2 cm2），然后通过泵转移到主室。在主室和副室中，塑料用CO2清洗，以确保没有O2被转移到转换室。使用CO2的原因是用来代替另一种气体，因为CO2比空气重，从而将空气推到室顶部，而原料从腔室底部转移到下一个腔室。快速热解发生在转换室，温度保持在900℃（通过燃烧天然气提供的热量进行加热），塑料被转化为焦炭和气体。从转换室有2 个出口，其中一个出口是焦炭，被收集用于处置（大约10%的原料），另一个出口用于气体。气体进入冷凝器冷却，热解油分离出来。最后，油被过滤到1 μm，以确保没有沉积物，传递给柴油机的燃油管路和喷射系统。原料是由苯乙烯-丁二烯和聚酯型塑料制成的复合塑料。原料组成如表1所示，可以在一个小规模范围内波动。一般来说，生产1 L 的塑料热解油，需要2 kg 的废塑料原料。

图1 热解过程示意图

表1 原料组成 %

在转化室中的温度升高，产生一种大量的气相产物。30%～35%的能量输出是气相塑料热解油，而60%～65%是液相塑料热解油。产生的气体主要由CH4、H2、N2、CO 和CO2组成。塑料热解产生的气体的平均组成如表2 所示。气体采用热电导检测器，用气相色谱法和气相色谱-质谱法（GC-MS）进行分析。由于大量的惰性气体进入到产生的气体中，因此低热值（LHV）较低（17.68 MJ/m3），这只是天然气低热值的一半。

表2 气体成分 %

生产的原油是深褐色接近黑色，并带有强烈的刺鼻气味。采用气相色谱-质谱法（GC-MS）来确定成品油中大量的化合物，如表3 所示。用气相色谱-质谱法（GC-MS）分析表明：成品油中含有多种碳氢化合物组成的复杂混合物（超过50 种其它化合物），目前较低的浓度如表3 所示。

表3 成品油组成 %

以柴油作为基准，塑料热解油的基本特性，用来确定塑料热解油的试验方法如表4 所示。与柴油相比，塑料热解油的粘度、闪点和含氢量都较低，而碳含量较高。另一方面，密度、残炭、氧气、总芳烃和氮气含量均显著升高。塑料热解油的低热值略低于柴油，但高于大多数生物柴油，这表明塑料热解油作为柴油的替代者具有良好的潜力。由于在蒸馏试验中，样品中的蒸气干扰导致错误的读数，所以蒸馏试验无法进行。此外，十六烷指数的计算以燃油的蒸馏范围和密度为基础，所以没有蒸馏数值，它是不可能计算的。塑料热解油的密度比柴油的密度明显高，但十六烷指数较低。有研究文献表明：塑料热解油的十六烷值比柴油低[7]。根据这些特性，似乎塑料热解油不需要任何实质性的升级，是最有可能被用于发电和海洋应用，而不是用于需要更高的燃料标准的道路运输中的应用。在此基础上，目前的工作任务主要集中于使用柴油机进行发电。

表4 PPO 和柴油性能

1.2 实验装置

试验用柴油机为一台四缸、直喷、涡轮增压水冷柴油机，柴油机的参数如表5 所示。

表5 测试柴油机规格

试验装置的示意图如图2 所示。柴油机与交流发电机相连接，然后接到负载组控制柴油机的负载。负载组有一个冷却风扇，最大负载72 kW，在380 V电压、50 Hz 频率下工作。

由安装在气缸（第1 缸）盖内的KISTLER 6125C压电压力传感器测量气缸内的压力。压力传感器被连接到一个KISTLER 5041E 电荷放大器。对于柴油机的曲轴转角的检测，采用KISTLER 2614C 曲轴转角编码器，编码器安装在第1 缸的曲轴上。

使用2 个体积流量计，一个在供给线，一个在返回线，进行燃油消耗量的测定。在返回线，燃油温度较高（5～10℃），导致燃油密度有很大的差异。为了避免从供给线和返回线之间的体积差造成的错误，将2个热电偶进行定位，通过密度-温度曲线来测量温度，并计算密度。

几个热电偶被用来监测柴油机的性能。测得的温度有：进气、空气经过中冷器、油底壳、冷却液及各缸进气歧管和经过涡轮增压器后的排气。此外，压力传感器安装在涡轮增压器后，以监测在柴油机运行期间不同负荷下的压力。最后，Testo 350 气体分析仪用于测量柴油机的废气排放。仪器的测量范围、精度和不确定度如表6 所示。

图2 试验装置示意图

表6 仪器的测量范围和精度

在1 500 r/min 的额定转速下进行实验，4 种不同的负荷分别为25%、50%、75%和100%，分别代表制动平均有效压力为0.316 MPa，0.631 MPa，0.947 MPa和1.263 MPa。5 种混合比例的塑料热解油和柴油，即体积百分比分别为25%，50%，75%，90%和100%，用PPO 25、PPO 50、PPO 75、PPO 90 和PPO 100 表示。在每个负荷下进行测试。在测试中，柴油机首先用柴油起动，当所有的条件如冷却液温度和柴油温度稳定后，30 min 后切换到塑料热解油。当柴油机被设定在所需的输出功率和燃料的混合条件下，5 min 后收集所有的数据。进行100 个连续的循环，记下气缸内的压力数据，5 min 为一个周期记下流量计读数、温度、歧管压力和排放量，并计算出平均值。在每个测试结束时，柴油机切换回柴油并运行30 min，以冲洗燃油管路和喷射系统。

2 结果与讨论

在这一节中，柴油机分别以PPO 25，PPO 50，PPO 75，PPO 90 和PPO 100 共混物的运行进行试验，得出试验结果，并和柴油燃料运行时的试验结果进行比较，研究的重点是燃烧特性、柴油机性能和废气排放。

2.1 燃烧特性

100%负荷和75%负荷下气缸压力的变化如图3所示。可以看出，图3a 中所有的共混物包括PPO 100与柴油机100%负荷相比有相似的压力分布。在使用PPO 100 时可以看出到边际延迟和峰值压力稍高，然而差异几乎是微不足道的。图3b 可以看出特别是对于PPO 90 和PPO 100 在75%负荷下较长的延迟，特别是在高PPO 百分比混合下导致不稳定的燃烧。柴油机性能在低于75%柴油机负载下，着火延迟时间更长。在PPO 100 在50%负荷下和PPO 90 在25%负荷下，柴油机无法运行，这可能是由较低的十六烷值和PPO 更高比的芳香烃的原因所造成的[8]。

图4 所示为测试的共混物在不同负荷下的气缸峰值压力。结果表明，不管柴油机的工作条件如何，低混合比（PPO 25）对气缸峰值压力的影响可以忽略，但一般较高的混合比，在较低的柴油机负荷下，气缸的峰值压力升高。这主要是由于与柴油相比，PPO 燃料十六烷值低和粘度低所造成的。PPO 的低粘度会提高喷雾雾化和蒸发，这将增加预混合燃烧部分[9]。较低的十六烷值导致燃烧延迟，扩大了预混合燃烧部分。因此，在柴油机低负荷时，使用PPO 共混物，较低值的峰值压力出现在上止点之后，主要是由于燃烧延迟的延长。但在柴油机负荷较高的情况下，预混合燃烧的部分较大，会导致更猛烈的燃烧和更高的气缸峰值压力。这可以通过放热率分析和在后面讨论的柴油机排放量来解释。

图4 气缸压力随负荷的变化

柴油和PPO 共混在100%负荷和75%负荷时的放热率（HRR）如图5 所示。可以清楚地看出，较高的PPO 共混比导致着火延迟较长和燃烧期间更短。着火延迟时间较长，有助于燃料的原子化，使空气燃料混合时间较长。如图5a 所示，PPO 25 和PPO 50 的放热率HRR 与柴油基本相同，可能是因为大部分柴油的激发并控制着燃烧过程。当PPO 的比例增加到75%以上时，着火延迟时间明显延长，可以观察到明显的预混合燃烧阶段。在75%负荷以下，中高混合比时，对着火延迟时间的影响更为显著。较长的延迟期是PPO 共混放热率HRR 值提高的主要原因。PPO具有高芳香烃含量，由于环结构而具有较高的绝热火焰温度，而较高的绝热火焰温度则导致较高的放热率HRR。PPO 的低粘度提高了雾化，从而导致增加的放热率HRR 值。另一个导致PPO 共混物的放热率HRR 较高的可能原因是PPO 中氧气含量（质量百分比为3.3%）。氧气降低了气缸的当量比，改善了燃烧过程。根据结果，PPO 100 将不适合长期使用，主要因为更高的放热率和更易挥发的燃烧，这可能会对柴油机有破坏性影响，从而影响柴油机的使用寿命。

图5 放热率的变化曲线

2.2 柴油机性能

图6 描述了在不同负荷下，燃料混合物的燃油消耗（BSFC）和制动热效率（BTE）。在所有工况下，甚至是最低的共混比，共混物的油耗大大增加。这主要是由于PPO 燃料较低的热值所引起的。然而，显示的较低的制动热效率（BTE）表明：不管共混比多少，当使用PPO 时，柴油机的工作效率都较低。PPO 共混体系下制动热效率（BTE）较低，由于大量的芳香烃PPO的存在，芳香键需要更多的能量来打破[10]。另一个可能的原因是PPO 较高的燃烧温度导致较高的热量传递损失[11]。不过，从图6 的燃料消耗和热效率随着增加的共混比不会进一步大幅恶化，在中等负荷时，效率仅比柴油略低。这些结果表明：存在一些潜在的工作条件，可以有效地利用这种燃料作为备选方案。

图6 BSFC 和BTE 随负荷的变化曲线

图7 描述了柴油和PPO 混合物的排气温度随负荷的变化。可以看出，柴油机在所有负荷下排气温度较低，PPO 共混比例增加，排气温度稍微增加。在柴油机运转的情况下，排气温度变化从在25%负荷时的267℃增加到在100%负荷时的478℃，而PPO 100 从25%负荷时的290℃增加到100%负荷时的488℃，这主要是因为着火延迟期延长所造成的。然而，排气温度的影响被认为是微不足道的。

图7 排气温度随负荷的变化曲线

2.3 废气排放

柴油和PPO 共混物的NOx随负荷的变化如图8 所示。依据NOx生成机理，可分为热力型、燃料型和快速型3 类，其中快速型NOx生成量很少，可以忽略不计[12]。在柴油机中，产生大部分NOx的机理是由于高温和富氧供应的热力型[13]。根据图8 所示的试验结果，NOx的排放量随着PPO 的百分比增加而增加。这是由于着火延迟期较长，使导致较高比例的预混燃烧，从而放热率更高，气缸温度也更高。另一个可能影响NOx排放的原因是燃料中N 含量较高，燃料型促进了NOx生成。

图8 NOx排放随负荷的变化

未燃HC 排放随负荷的变化如图9 所示。可以看出，柴油机运行的未燃HC 排放明显低于PPO 共混，并且随着共混比增加，未燃HC 排放增加。对同一共混比，未燃HC 排放随着负荷增加，未燃HC 排放减少，这是符合柴油燃烧机理的。PPO 共混产生较高的未燃HC 排放的原因仍然不清楚，但认为与较高的芳香烃含量可能是有关的[14]。另一个可能的原因是，PPO 共混物的喷雾可能有更好的机会冲击燃烧室壁面，因为它的密度较高，粘度和十六烷值较低，这会导致着火延迟较长。

图9 未燃HC 排放随负荷的变化

图10 显示柴油和PPO 混合物的CO 排放随负荷的变化。CO 排放主要由不完全燃烧形成，并受当量比和温度的影响[15]。从试验结果可以看出，CO 排放量不论燃料如何，随着柴油机负荷的增加而降低。在一般情况下，较高的PPO 共混比导致较高的CO排放量，特别是在低负荷时高混合比等于或超过75%。这一结果表明：在这些工作条件下，燃烧情况严重恶化，可能是由于PPO 的十六烷值较低，也可以从较低的缸内峰值压力得到的。值得注意的是，在这些条件下的不完全氧化并没有对柴油机热效率产生显著的影响。然而，当使用低到中等的混合比燃料，或当柴油机在高负荷下工作时，CO 排放量的增加是微乎其微的。

CO2的排放是完全燃烧的结果，其中包含的燃料中的C 原子被完全氧化。它通常不受排放法规调节，并不被认为是一种有害气体，但是因为它是温室气体，有一个强烈的要求，以减少CO2排放量。柴油和PPO 混合物的CO2排放的变化随负荷变化的如图11 所示。可以观察到CO2排放量增加和PPO 共混比之间几乎呈线性关系。这是由于PPO 的碳氢比（C：H=10.34）比柴油（C：H=6.47）高的缘故，这意味着从燃烧中释放相同的能量，要更多的碳被氧化，形成更多的CO2。这一结果表明：使用PPO 作为燃料的一个负面环境影响，但是这种燃料是从废弃物原料中产生的，否则的话废弃物是要被填埋的。在这种情况下，会释放更多的CO2。出于这个原因，利用废塑料仍然被认为是一个很有前途的和可持续的替代途径。