生物柴油Nox生成機(jī)理的理論分析和試驗(yàn)研究.pdf

1、生物柴油是一種重要的可再生能源。發(fā)動(dòng)機(jī)燃用生物柴油及其與柴油的調(diào)合燃料，CO、HC、PM的排放量較燃用柴油均有不同程度的降低，但NOx的排放量有所升高。論文從燃料特性、燃燒過程、化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)等方面，采用高速攝影和數(shù)值模擬的方法，對(duì)生物柴油NOx的生成規(guī)律和影響因素、NOx生成的化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)過程、影響NOx生成的關(guān)鍵自由基和基元反應(yīng)進(jìn)行了系統(tǒng)的理論分析和試驗(yàn)研究，揭示了生物柴油NOx的生成機(jī)理。在此基礎(chǔ)上，提出了降低NOx排放的控制方

2、法和措施。
　　 采用基于BP算法的多層前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與正交試驗(yàn)相結(jié)合的方法，優(yōu)化了生物柴油的制備工藝，采用不同原料配制了生物柴油。運(yùn)用色譜/質(zhì)譜聯(lián)用儀、粘度計(jì)等油品檢測(cè)儀器和設(shè)備，測(cè)量了生物柴油的主要組分和油品參數(shù)。采用高速攝影，拍攝了生物柴油在常溫常壓下和發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)的噴霧歷程。運(yùn)用CFD軟件模擬了缸內(nèi)溫度場(chǎng)、氧濃度場(chǎng)、隨油品參數(shù)的變化規(guī)律。采用閉式均相反應(yīng)器模型，考察了燃料分子結(jié)構(gòu)對(duì)NOx生成的影響。根據(jù)試驗(yàn)和模擬的結(jié)果，結(jié)合

3、NOx生成的基本理論，闡明了十六烷值、密度、粘度、彈性模量、含氧量、碘值、不飽和雙鍵及其位置、氧化安定性等因素對(duì)NOx生成的影響規(guī)律。研究表明，生物柴油中含有大量的不飽和脂肪酸甲酯，主要是油酸甲酯、亞油酸甲酯和棕櫚酸甲酯。生物柴油較高的碘值、組分中含有不飽和雙鍵、較大的密度和彈性模量、較高的含氧量均會(huì)導(dǎo)致NOx升高，較高的十六烷值、較大的粘度和較差的氧化穩(wěn)定性在一定程度上能抑制NOx的生成。
　　 在常溫常壓下進(jìn)行了不同配比的生

4、物柴油-柴油調(diào)合燃料的燃燒試驗(yàn)，在蓋頓(A. G． Gaydon)和伍法德(H． G． Wolfhard)提出的火焰溫度、絕熱火焰溫度等火焰特征參數(shù)的基礎(chǔ)上，提出了相對(duì)火焰溫度、平均火焰溫度、分層火焰溫度、高溫點(diǎn)數(shù)量、溫度最大差值等評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)火焰的溫度特征參數(shù)進(jìn)行細(xì)化和定量，從火焰學(xué)的角度研究了常溫常壓下火焰溫度特征參數(shù)隨燃料調(diào)合比例的變化規(guī)律。研究結(jié)果表明：隨著生物柴油調(diào)合比例的增大，外焰溫度、高溫點(diǎn)數(shù)量、高溫區(qū)域所占比例、溫度最大

5、差值、相對(duì)平均火焰溫度均增大，為NOx的生成提供了高溫環(huán)境。
　　 根據(jù)柴油機(jī)缸內(nèi)熱NOx生成的理論，提出了生物柴油缸內(nèi)燃燒火焰的評(píng)價(jià)指標(biāo)和計(jì)算方法，這些指標(biāo)有：NOx生成區(qū)域的火焰面積SNO、火焰面積變化速率υNO、火焰面積平均變化速率υ(MN)o、溫度區(qū)域持續(xù)期ΦNO、火焰面積出現(xiàn)效率ηNO。采用高速攝影的方法，拍攝了柴油機(jī)燃用不同配比生物柴油-柴油調(diào)合燃料的缸內(nèi)燃燒過程，系統(tǒng)的分析了缸內(nèi)火焰特征參數(shù)隨生物柴油調(diào)合比例的變化

6、規(guī)律。研究結(jié)果表明，隨著生物柴油調(diào)合比例的增大，SNO區(qū)域的出現(xiàn)時(shí)刻和消失時(shí)刻提前，SNO的峰值、υ NO、υo、ηNO不斷增大，ΦNo逐漸縮短，說明隨著生物柴油調(diào)合比例的增大，缸內(nèi)出現(xiàn)了有利于NOx生成的環(huán)境。
　　 改進(jìn)了美國(guó)Cornell大學(xué)Fisher教授提出的生物柴油氧化的化學(xué)反應(yīng)機(jī)理，構(gòu)建了適合計(jì)算生物柴油NOx生成的機(jī)理。根據(jù)脂肪酸甲酯分子結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，提出了研究甲酸甲酯中氧原子的遷移演變歷程的假設(shè)。借助閉式均相反應(yīng)

7、器模型，跟蹤燃燒過程中燃料中的氧、空氣中的氧、氮的遷移演變路徑，模擬了燃燒過程中含氮自由基、含氧自由基的生成過程，計(jì)算了多步分類NOx生成機(jī)理中各基元反應(yīng)的敏感性、中間產(chǎn)物以及NOx生成的前驅(qū)體物質(zhì)的生成速率，闡明了生物柴油中的氧原子對(duì)燃燒過程的作用機(jī)理，揭示了NOx的生成歷程。研究結(jié)果表明，OH、H、HO2和CH3是NOx生成過程中的重要中間產(chǎn)物，生物柴油中的“RC(C=O)OCH3”促進(jìn)了這些物質(zhì)的生成。
　　 建立了410

8、2Q柴油機(jī)燃燒室的計(jì)算網(wǎng)格模型，根據(jù)生物柴油的理化特性和油品參數(shù)，修正了WAVE油滴破碎模型、Shell著火模型、擴(kuò)展的Zeldovich NO生成模型等模型，運(yùn)用修正的模型研究了噴油器和發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)、EGR率對(duì)燃燒溫度和NOx濃度的影響規(guī)律，研究結(jié)果表明，NOx排放和缸內(nèi)燃燒溫度峰值隨噴霧錐角、噴油提前角的增大而增大，隨噴孔直徑、EGR率的增大而減小。
　　 根據(jù)NOx的生成規(guī)律和影響因素，從燃料改質(zhì)角度提出了兩種NOx排放