生物质热解油酯化提质及其在发动机上的燃烧与排放特性

发布时间：2020-11-02 06:58

　　 生物质热解油作为一种可再生的清洁能源,已逐步受到人们的关注。但由于生物质热裂解油含水量高、酸性强,不宜直接作为发动机燃料使用,因此必须对生物质热裂解油预处理、精制来改善燃油品质。本文以木屑生物质热解油为原料,采用二氯甲烷对其进行预处理,然后通过催化酯化工艺对粗制生物质热解油精制处理获得提质生物油,并通过合适的测量或计算方法对提质前后生物质热解油的理化特性进行分析。基于热重分析仪对提质前后生物质热解油进行燃烧动力学分析,考察样品的挥发氧化、燃烧性能,并以186FA柴油机为试验样机,考察柴油机燃用提质生物质热解油的有效热效率、气缸压力、燃烧放热率和排放性能。主要研究内容如下:(1)采用控制变量法探究生物质热裂解油催化酯化反应中的最佳的温度、催化剂量和油醇比等反应条件。以100ml生物质热解油为样品,反应时间为30min,得出酯化温度为50°C、催化剂的量为8g,油醇比2:1时,催化酯化效果最佳。同时,采用气质联用仪对提质前后生物质热解油的组分进行分析,可知经催化酯化后酸类、酚类和大分子醚类分别下降了85.8%、18.1%和36.6%,同时酯类、酮类分别上升了82.4%和31.0%。(2)采用合适的测量方法或经验公式,测量或计算得到提质前后生物质热解油和混合燃料(B5、B10和B15)等燃料的十六烷值、低热值和粘度等理化特性参数数值。与生物质热解原油相比,提质生物质热解油的低热值提高了14.5%,粘度和十六烷值均有所改善。(3)基于热重试验考察提质前后生物质热解油在氧气氛围下的挥发氧化及燃烧特性,计算与分析了酯化前后生物质热解油的燃烧动力学。结果表明,由于生物质热解原油含水量略高,使得生物质热解原油的起始失重温度提前了6.1°C。尽管如此,提质生物质热解油的终了失重温度比生物质热解原油提前5.3°C。在生物质热解油的失水干燥阶段,生物质热解原油的活化能小于提质生物质热解油,而在慢速分解、快速燃烧和碳化阶段,提质生物质热解油的活化能小于生物质热解原油,综合整个氧化燃烧过程,提质生物油尽管在初始挥发阶段略缓,但在实质性氧化阶段比生物质热解油更易着火燃烧。(4)在发动机转速n=3600 r·min~(-1)同一负荷工况下,随着生物质热解油的添加,燃用Diesel、B5、B10和B15的有效热效率逐渐降低。在100%负荷工况下,与Diesel相比,燃用B5、B10和B15的有效热效率下降了0.9%、1.8%和2.9%,而在25%负荷工况下则分别下降了2.9%、7.6%和9.7%。在100%负荷工况下,由于生物质热解油的含氧较高及燃油中大分子组分不完全燃烧,使得缸内温度下降,与Diesel相比,燃用混合燃料B5、B10和B15的缸内最高爆发压力分别降低了1.8%、4.1%和5.3%,且依次滞后约2°CA、3°CA和5°CA;由于滞燃期内形成了更多混合气,与Diesel相比,燃用混合燃料B5、B10和B15瞬时放热率峰值分别升高了9.1%、16.8%和21.2%。(5)在柴油机上对比研究Diesel、B5、B10及B15的排放性能。研究表明,在发动机转速n=3600 r·min~(-1)下,与Diesel相比,随着生物质热解油比例的增加,燃用混合燃料B5、B10、B15的HC、CO和碳烟排放依次恶化。然而生物质热解油高含氧量及含有不易燃烧的重质大分子组分,燃料燃烧速度及缸内温度降低,因此燃用B5、B10、B15的NO_x的排放浓度逐步下降。
【学位单位】：江苏大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TK6
【部分图文】：

图 2.1 粗制生物质热解油和油相Fig.2.1 Crude biomass pyrolysis oil and oil phase的催化酯化离子交换树脂作为酯化催化剂，其在出厂时多为其进行活性转型处理。首先进行水洗，将树脂装进行冲洗直至无色，结束水洗。其次进行酸处量为强酸阳离子树脂体积的 2.5 倍，酸洗完成后至出水的 PH 值为 5 左右为止。再次进行碱处理过树脂，用水冲洗，直至出水的 PH 值为 9 为止理，方法与上述相同，用水冲洗，直至出水的用。工艺进行生物质热解油精制处理，主要装置见图

度计 （2）搅拌器 （3）回流冷凝管 （4）三口烧瓶 （图 2.2 生物质热解油催化酯化试验装置.2.2 Devices for the catalytic esterification of biomass pyrolys油催化酯化的主要方程式如下所示：+CH3COOH=CH3CH2OOCCH3+H2O 物质热解油经不同反应条件精制处理后产物的 PH度是乙酸酯化反应的关键因素。本文选取 3 个不进行生物质热解油催化酯化精制工艺的优化确定50°C 和 60°C，油醇体积比设置为 1:1、2:1 和 3:1，。当油醇比、催化剂一定时，过高的反应温度一方使粗油粘度上升，从而影响其流动性，而反应温。由表 2.2 可知，当反应温度为 40°C、50°C 和 分别为 5.3、5.6 和 5.4，选取反应温度 50°C 最佳。

图 2.3 气相色谱/质谱联用仪 Integrated instruments of gas chromatography/mass spec90GC/5973NMSD 气相色谱质谱联用仪对生物。以二氯甲烷为溶剂，萃取和稀释生物质热解油，GC 色谱柱条件为：采用 HP-5 毛细管色谱柱温度为 250°C，溶剂延迟时间为 6.8min。质谱分别设置为 230 和 250°C，电离方式选定为 EI 30-500m/z，扫描时间设定为 1s。升温程序设定，然后以 20°C /min 的升温速率升至 100°C，再以最后以 10°C /min 的升温速率升至 230°C 并保
【参考文献】

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本文编号：2866722