地沟油生物柴油与正丁醇/乙醇混合燃料燃烧火焰特性

王文超，李法社，申逸骋，刘作文

地沟油生物柴油与正丁醇/乙醇混合燃料燃烧火焰特性

王文超1, 2，李法社1, 2，申逸骋1, 2，刘作文1, 2

(1. 昆明理工大学冶金与能源工程学院，昆明 650093；2. 冶金节能减排教育部工程研究中心，昆明 650093)

为研究不同配比下生物柴油混合燃料燃烧特性，设计了一套生物质液体燃料雾化蒸发燃烧系统，该系统可产生生物柴油及其混合燃料层流预混火焰，结合OH-PLIF平面激光诱导荧光技术测定并分析燃烧火焰的高度和锋面面积以及层流预混火焰的传播速度和OH-PLIF总信号强度等燃烧特性．结果表明随着正丁醇或乙醇添加比例的增大，两种混合燃料燃烧火焰高度、火焰锋面面积呈下降趋势；火焰传播速度呈上升趋势．在混合燃料中，正丁醇的体积分数越大，燃烧火焰OH-PLIF总信号强度越大，而乙醇的体积分数越大，混合燃料燃烧火焰OH-PLIF总信号强度越小．

生物柴油；正丁醇/乙醇；混合燃料燃烧特性；OH-PLIF总信号强度

生物柴油是一种由植物油或动物油衍生的，可生物降解，无毒，无硫的燃料，一般是经过酯交换反应产生的，其催化剂一般为碱、酸、酶[1-2]．生物柴油和石化柴油的组分、性质相似，可以按任意比例互溶，两者区别主要在于生物柴油组分中氧含量较高，且不含有芳香烃和环烷烃成分[3-4]，并且由于化石燃料的日益枯竭，生物柴油是可满足世界能源需求的替代燃料[5-8]．同时生物柴油可减少污染物和颗粒物的排放，包括SO2、CO和碳氢化合物等．研究表明[9-10]，以生物柴油作为燃料环境优势巨大，燃烧后其排放物的中CO、HC化物含量极低，但会造成NO的排放量稍有增加．高温是燃烧过程中产生NO重要条件之一，而醇类有较高的汽化潜热，通过向生物柴油中添加一定量的醇类，可以使燃烧过程的燃烧温度降低，破坏了NO的生成条件，使燃烧排放物中的NO含量大幅度降低，达到降低总体排放量的目的．此外，醇类燃料为含氧高的液体燃料，其含氧量一般要高于生物柴油，燃烧过程中会产生自供氧反应，与生物柴油混配后，可以使两者的燃烧更加完全，燃烧效率提高．因此，生物柴油与醇类混配后的混合燃料的燃烧效率更高、燃烧更加完全，同时能够降低能耗，减少CO、HC、NO、SO等化合物的排放[11-15]．

本项研究基于本生灯原理以及实验室条件，设计搭建了一套生物质液体燃料雾化蒸发燃烧系统，该系统正常运行并可以产生生物柴油层流预混火焰．基于激光的诊断技术具有曝光时间短和信噪比高的缺点，难以精确确定反应区的边缘．平面激光诱导荧光技术(planar laser-induced fluorescence，PLIF)是现在应用于燃烧场、电离场研究的重要手段，利用平面激光诱导荧光，通过调节激发波长可以精确选择特定基团，通过高灵敏度ICCD成像可以获得基团空间浓度分布信息．可以为这些问题提供一个很好的解决方案．本文采用OH-PLIF技术研究地沟油生物柴油/正丁醇混合燃料、地沟油生物柴油/乙醇混合燃料的燃烧火焰特性，探究了混合燃料的火焰高度、火焰锋面面积等火焰特性以及层流火焰传播速度．

1 试验装置与材料

1.1 试验材料

以正丁醇、乙醇以及地沟油生物柴油为试验材料，向地沟油生物柴油中分别添加一定量的正丁醇和乙醇，配制出体积分数分别为0、10%、20%、30%、50%的地沟油生物柴油/正丁醇混合燃料和0、5%、10%、20%、30%的地沟油生物柴油/乙醇混合燃料，利用OH-PLIF技术研究地沟油生物柴油混合燃料燃烧火焰特性．正丁醇、乙醇均购买于天津化学试剂二厂，地沟油生物柴油购买于云南神宇公司，地沟油生物柴油及其混合燃料基本理化性质如表1所示．

表1 地沟油生物柴油及其混合燃料基本理化性质

Tab.1 Basic physical and chemical properties of waste oil biodiesel and its fuel blends

1.2 试验仪器及方法

如图1所示，基于本生灯原理设计搭建生物质液体燃料雾化蒸发燃烧系统，可正常稳定运行且产生稳定的层流预混燃烧火焰，该系统主要由5部分组成，包括供气系统、载气系统、燃料系统、雾化蒸发系统和燃烧器．供气系统由空气气路和氧气气路组成，具体包括空气压缩机、流量计、氧气瓶、混气瓶、气体加热器等；载气系统包括空气瓶、流量计、气体加热器；燃料系统包括燃料注射泵以及液体加热器；雾化蒸发系统包括液体喷吹针头、气体喷吹针头1、气体喷吹针头2、雾化蒸发腔体、陶瓷加热器和测温热电偶．

空气经过气体加热器时被加热至200℃，后经气体喷吹针头2(气体喷吹针头2出口管径较大，为2mm)输送到雾化燃烧腔内．雾化燃烧腔外围设有辅助加热设备陶瓷加热器，对腔体内部的温度进行精确调控，使内部及气体温度保持在200℃；与此同时，燃料系统的液体加热器将生物柴油燃料预热至60℃，预热后的生物柴油燃料同样经喷吹针头喷吹到雾化蒸发腔体中，与载气系统中加热至温度200℃、调压至0.7MPa的空气，在雾化蒸发腔体中碰撞混合，空气将生物柴油喷吹雾化成小液滴，并在雾化腔体内的高温环境下迅速蒸发成气体随气流进入燃烧器中；供气系统中的空气/氧气混合气体加热至60℃后通入到雾化燃烧器的外侧圆形套筒中，助燃空气提供保护作用，促进混合油在燃烧器中燃烧，其中，气体喷吹针头1与液体喷吹针头夹角为90°，出口管径均为0.34mm．为验证试验系统可靠性，通过马尔文激光粒度仪测量燃烧器的上方出口处是否有未蒸发大颗粒液滴存在，结果发现在雾化气体量较大时，雾化效果较好，液滴粒径小容易蒸发，未发现有液滴存在；而在雾化气体量较低时，发现有极少量液滴存在．系统实物如图2所示．

图1 生物质液体燃料雾化蒸发燃烧系统示意

Fig 1 The composition of atomization and evaporation combustion system of biomass liquid fuel

图2 生物质液体燃料雾化蒸发燃烧系统实物

同时，利用OH-PLIF系统对生物柴油层流预混火焰进行检测并分析．OH-PLIF系统[15-16]如图3所示，包括Nd：YAG激光器(型号：LAB-170-10H)；Sirah染料激光器(型号：CBST-G-30-EG)；Sirah倍频晶体；控制器(energy monitor controller)；配备有UV透镜和OH滤光片和控制器的片状光学部件的LaVision相机(CCD类型：Imager LX2M 1600×12007.4μm；增强器类型：25mm V7670U-70-P43)以及计算机和编程定时单元(PTU)．OH-PLIF系统的工作环境温度为22℃，室内湿度为60%．

图3 OH-PLIF系统示意

实验过程中，YAG激光器产生355nm的激光，为使层流预混火焰中的OH基由基态跃迁到激发态，因此YAG激光器产生的激光需先通过燃料激光器和倍频晶体装置进行处理变换，355nm的波长降至为283.4～283.7nm，该范围波长可促使燃烧火焰中的OH基完成基态到激发态的跃迁，此过程中OH基产生波长为308nm左右的荧光信号，通过ICCD相机捕捉信号后传输至计算机系统，经计算机系统处理后得到生物柴油混合燃料层流预混火焰OH-PLIF瞬态图．通过火焰OH-PLIF图像可表征火焰结构．

2 试验结果与讨论

2.1 试验不确定度分析及误差分析

2.2 混合燃料燃烧火焰

利用OH-PLIF系统所获得的不同体积分数的地沟油生物柴油/正丁醇混合燃料层流预混火焰以及地沟油生物柴油/乙醇混合燃料层流预混火焰OH-PLIF信号强度平均图如图4所示．

由图4(a)所得，在实验条件相同时，即同进油量以及进气量时，正丁醇添加比例越高，红色区域在OH-PLIF平均图所占比例越大，代表火焰中的OH基强度越高．这是因为OH基的H元素主要由燃料提供，而在相同的实验条件下，即不同比例分数的混合燃料进样量一致的情况下，由于H元素含量在正丁醇内的占比要高于地沟油生物柴油，因此正丁醇添加比例越大，混合燃料中的H元素越大，导致燃烧过程产生的OH基含量增加，即火焰中的OH基强度增大．同时，在燃烧过程中，当地沟油生物柴油/正丁醇混合燃料中正丁醇的体积分数变大以及实验过程中的当量比越小时，混合燃料的火焰容易波动，易产生吹熄现象．因此，实验过程中进行多次数据测量与处理，根据数据结果的好坏选取实验效果好的火焰OH-PLIF瞬时图像进行平均化处理由图4(b)可得，在实验条件不变的情况下，乙醇的添加比例越高，红色区域在OH-PLIF平均图所占比例反而减少，这说明火焰中的OH基强较小，在实验过程中发现，在地沟油生物柴油中添加乙醇后更容易点燃，并且在当量比较小的实验条件下，地沟油生物柴油/乙醇混合燃料在燃烧时较稳定，火焰波动不大．

2.3 混合燃料燃烧火焰高度

化学发光是影响火焰化学反应的主要因素之一，火焰的化学反应区域可用OH基强度进行表征．因此层流预混火焰的火焰高度可经由OH-PLIF系统进行标定，试验结果如图5所示．

图5 地沟油生物柴油与乙醇/正丁醇燃烧火焰高度

由图5可得，在地沟油生物柴油中正丁醇添加比例越大，混合燃料的火焰高度就越小，即在地沟油生物柴油中添加正丁醇导致火焰高度降低．原因是向地沟油生物柴油中添加正丁醇时，会导致混合燃料的密度、运动黏度以及界面张力等性能指标均比地沟生物柴油要小，导致混合燃料的雾化更加完全，提高了混合气的产生速率，导致在滞燃期阶段形成的预混合气量增加，使混合燃料燃烧更加充分，燃烧速度加快，火焰高度变短．而向地沟油生物柴油添加乙醇时，混合燃料的火焰高度逐渐下降，乙醇同样会降低燃烧的火焰高度，原因同样是乙醇的添加导致了混合燃料的密度、黏度、界面张力等指标降低，改善了混合燃油的雾化效果，提高火焰燃烧的剧烈程度，燃烧火焰高度变短．

2.4 混合燃料燃烧火焰传播速度

图6是利用MATLAB软件处理OH-PLIF图片，获取火焰锋面信息的流程图．对图片进行灰度化处理后的得到的灰度图像格式是目前数字图像几何特性处理常用的技术方法．首先将PLIF系统输出的火焰图像利用PHOTOSHOP软件将多余边界剪裁，然后利用MATLAB软件处理系统对原始图片进行灰度化、二值化处理，对处理后的图像依次进行边缘提取、拟合曲线()、计算曲线旋转后面积等批量处理后得到火焰锋面面积．在本实验中，得到的层流预混火焰呈轴对称分布，因此在分析研究可选取火焰图像的一侧进行分析，对拟合曲线()绕燃烧器轴向方向上进行积分得到火焰锋面面积[19]，即：

根据燃烧器喷嘴与混合燃料燃烧火焰前沿之间的质量守恒原理进行层流预混火焰传播速度测量[20].因此，层流预混火焰传播速度u的计算公式如式(2)所示[21]．

式中：为预混气体的体积流量；为火焰锋面面积．由转子流量计控制雾化空气量，生物柴油混合燃料由蒸发散失的的气体量可忽略不计，预混气体的流量即为雾化空气量；层流火焰传播速度u的计算结果如图7所示．

由图7(a)可得，随着地沟油生物柴油中正丁醇添加量越大，混合燃料的火焰锋面面积呈下降趋势，火焰传播速度呈上升趋势，并且当量比越大，层流预混火焰的火焰传播就越大，这是因为地沟油生物柴油组分中的氧含量要少于正丁醇，正丁醇的添加量越大，地沟油生物柴油/正丁醇混合燃料中氧含量增高，提升了燃烧过程中反应分子的有效碰撞速率，致使地沟油生物柴油/正丁醇混合燃料的燃烧速度加快，同时相比之下，正丁醇比地沟油生物柴油的黏度与沸点都要低，正丁醇在混合燃料中所占比例越大，混合气的合成速率就越快，混合燃料的雾化效果与蒸发质量得到显著提升混合燃料燃烧更加充分，燃烧速度加快．因此，正丁醇的体积分数越大，混合燃料层流预混火焰的传播就越大．

图7 两种混合燃料火焰锋面面积及火焰传播速度

由图7(b)可得，向地沟油生物柴油中添加的乙醇中含量越高，混合燃料的层流预混火焰锋面面积将就越小，火焰传播速度就越大．随着当量比的增大，火焰传播速度呈上升趋势，但相比地沟油生物柴油/正丁醇混合燃料火焰传播速度的增加幅度要小．造成上述变化趋势的原因同样是因为乙醇作为含氧燃料，同样高于地沟油生物柴油的含氧量，在地沟油生物柴油添加乙醇提高了混合燃料的含氧量，可有效加快燃烧反应分子间的有效碰撞，使得燃烧更加充分，燃烧速度加快．

2.5 混合燃料C/H/O元素含量对OH-PLIF信号强度的影响

OH-PLIF总信号强度可反映火焰中OH基的浓度大小．如图8所示，地沟油生物柴油中正丁醇的添加量越大，层流预混火焰的OH-PLIF总信号强度越强；在地沟油生物柴油中的乙醇添加量越大，层流预混火焰的OH-PLIF总信号强度却变小．又由图4(a)和图4(b)可知，混合燃料中正丁醇的添加量越大，红色区域在OH-PLIF平均图所占比例越大，而在混合燃油中随着乙醇添加量的增加，红色区域在OH-PLIF平均图所占比例逐渐变小，由此可以证明层流预混，可以得出在混合燃料中，预混火焰中的OH-PLIF总信号强度随着正丁醇含量的增加呈上升趋势，随乙醇含量的增加信号强度呈下降趋势．

为进一步分析火焰OH-PLIF总信号强度与燃料中H元素含量的关系，进一步探讨H元素含量对火焰OH-PLIF总信号强度的影响程度，对燃料中的C元素元素与H元素的定义为C/H比值(质量比)来详细分析，由图9可得，地沟油生物柴油中正丁醇的添加量越多，混合燃料的C/H比值越小，这是因为层流预混火焰OH基中的H主要由混合燃料提供，生物柴油混合燃料中H元素加快层流预混火焰中OH基的生成速率．混合燃料的C/H比值减小，地沟油生物柴油/正丁醇混合燃料OH-PLIF信号强度呈上升趋势，但地沟油生物柴油/乙醇混合燃料OH-PLIF信号强度随着C/H比减小呈下降趋势，说明层流火焰中的OH基生成条件不仅需要H元素，还存在着其他元素影响OH基的生成．

图8 两种混合燃料OH-PLIF总信号强度

图9 不同比例混合燃料C/H比值

图10为地沟油生物柴油与正丁醇/乙醇混合燃料中O元素含量的变化趋势，可见向地沟油生物柴油添加相同含量的正丁醇与乙醇时，地沟油生物柴 油/正丁醇混合燃料中的O元素含量要高于地沟油生物柴油/乙醇混合燃料中．乙醇或正丁醇掺入地沟油生物柴油中后，混合燃料中O、H元素的含量均会提升，而O、H共同作用于层流预混火焰中OH基的生成．燃烧反应分子间的有效碰撞程度随混合燃料中O元素含量的增加而变得剧烈，进而提高了混合燃料火焰的燃烧速度，且通过分析我们可以推断O元素可能会抑制OH基的生成，并且结合H元素协同影响火焰中OH基的浓度．根据相关文献[22]可得，OH基浓度会影响CO/CO2的最终生成含量，其次混合燃料中O元素含量越高，燃料的燃烧越剧烈，燃烧速度越快．因此，本项研究内容及结果对于提高混合燃料的燃烧效率与质量，选择最适燃烧的C/H/O比具有指导意义．

图10 不同比例混合燃料中氧元素质量分数

详细的燃料中O、H元素含量对于火焰OH-PLIF总信号强度的协同影响还需进一步研究．

3 结 论

(1)地沟油生物柴油与乙醇/正丁醇混合燃料中，正丁醇与乙醇的体积分数越大，火焰高度、火焰锋面面积就越小，传播速度越快，这主要是由于混合燃料的密度、黏度、界面张力降低以及O元素含量增高有关．

(2)随着正丁醇添加比例的增大，地沟油生物柴油/正丁醇混合燃料的燃烧火焰OH-PLIF总信号强度呈上升趋势，而随着乙醇添加比例的增大，地沟油生物柴油/乙醇混合燃料的燃烧火焰OH-PLIF总信号呈下降趋势．有关于燃料中O元素含量以及H元素含量对于火焰OH-PLIF总信号强度的关系有待于进一步研究．

［1］ Xu G Z，Zhang B L，Liu S Y，et al. Study on immobilized lipase catalyzed transesterification reaction of tung oil[J].2006，5(11)：859-864.

［2］ Đurišić-Mladenović N，Kiss F，Škrbić B，et al. Current state of the biodiesel production and the indigenous feedstock potential in Serbia[J].2018，81：280-291.

［3］ Merchan-Merchan W，Ware H O T. Study of carbon and carbon-metal particulates in a canola methyl ester air-flame[J].2015，162(1)：216-225.

［4］ Xu G J，Wang Z，Li L L，et al. The production and affect factors of biodiesel carbonyl pollutants in the premixed flame conditions[J].2011，32(12)：2137-2141.

［5］ Thang P Q，Maeda Y，Trung N Q，et al. Low molecular weight methyl ester in diesel/waste cooking oil biodiesel blend exhausted gas[J].2014，117(1)：1170-1171.

［6］ Basha S A，Gopal K R. A review of the effects of catalyst and additive on biodiesel production，performance，combustion and emission characteristics [J].，2012，16(1)：711-717.

［7］ Guarieiro L L N，Souza A F D，Torres E A，et al. Emission profile of 18 carbonyl compounds，CO，CO2，and NOemitted by a diesel engine fuelled with diesel and ternary blends containing diesel，ethanol and biodiesel or vegetable oils[J].，2009，43(17)：2754-2761.

［8］ Randazzo M L，Sodré J R. Exhaust emissions from a diesel powered vehicle fuelled by soybean biodiesel blends(B3-B20)with ethanol as an additive(B20E2-B20E5)[J].2011，90(1)：98-103.

［9］ 王海滨. 基于国3柴油机的生物柴油混合燃料的性能与排放研究[D]. 上海：上海交通大学机械与动力工程学院，2007.

Wang Haibin. Research on Performance and Emissions of Biodiesel Blends Based on China 3 Diesel Engine[D]. Shanghai：School of Mechanical and Power Engineer-ing，Shanghai JiaoTong University，2007(in Chinese).

［10］ 郑尊清，钟小凡，刘海峰，等. 生物柴油/DMF 混合燃料对柴油机低温燃烧的影响[J]. 燃烧科学与技术，2017，23(2)：104-110.

Zheng Zunqing，Zhong Xiaofan，Liu Haifeng，et al. Effect of biodiesel/DMF blended fuel on low temperature combustion in a diesel engine[J].，2017，23(2)：104-110(in Chinese).

［11］ 龙纪淼，叶家铭，宋 鑫，等. 生物质燃烧过程中K元素的迁移特性[J]. 燃烧科学与技术，2018，24(5)：471-476.

Long Jimiao，Ye Jiaming，Song Xin，et al. Transformation characteristics of potassium during biomass combustion[J].，2018，24(5)：471-476(in Chinese).

［12］ 尧命发，庞 阔，谷静波，等. 正丁醇/生物柴油高预混压燃燃烧及排放特性的试验[J]. 内燃机学报，2013，31(3)：193-199.

Yao Mingfa，Pang Kuo，Gu Jingbo，et al. Experimental study on high premixed compression ignition and emission characteristics of n-butanol/biodiesel[J].，2013，31(3)：193-199(in Chinese).

［13］ 吴又多，齐高相，陈丽杰，等. 可再生原料发酵生产生物丁醇的研究进展[J]. 现代化工，2014，34(2)：44-48.

Wu Youduo，Qi Gaoxiang，Chen Lijie，et al. Research progress in fermentation of bio-butanol by renewable raw materials[J].，2014，34(2)：44-48(in Chinese).

［14］ 苏会波，李 凡，彭 超，等. 新型生物能源丁醇的研究进展和市场现状[J]. 生物质化学工程，2014，48(1)：37-43.

Su Huibo，Li Fan，Peng Chao，et al. Research progress and market status of novel bioenergy butanol [J].，2014，48(1)：37-43(in Chinese).

［15］ 申逸骋. 生物柴油燃烧火焰特性PLIF分析研究[D]. 昆明：昆明理工大学冶金能源工程学院，2018.

Shen Yicheng. Study on PLIF Analysis of Combustion Flame Characteristics of Biodiesel[D]. Kunming：Faculty of Metallurgical and Energy Engineering，Kunming University of Science and Technology，2018(in Chinese).

［16］ Zhang M，Wang J，Wu J，et al. Flame front structure of turbulent premixed flames of syngas oxyfuel mixtures[J].，2014，39(10)：5176-5185.

［17］ Zhang M，Wang J，Xie Y，et al. Measurement on instantaneous flame front structure of turbulent premixed CH4/H2/air flames[J].，2014，52(1)：288-296.

［18］ He Y，Wang Z，Yang L，et al. Investigation of laminar flame speeds of typical syngas using laser based Bunsen method and kinetic simulation[J].，2012，95(1)：206-213.

［19］ Wu Y，Rossow B，Modica V，et al. Laminar flame speed of lignocellulosic biomass-derived oxygenates and blends of gasoline/oxygenates[J].，2017，202(8)：572-582.

［20］ Wu Y，Modica V，Rossow B，et al. Effects of pressure and preheating temperature on the laminar flame speed of methane/air and acetone/air mixtures[J].2016，185(12)：577-588.

［21］ Natarajan J，Lieuwen T，Seitzman J. Laminar flame speeds of H2/CO mixtures：Effect of CO2，dilution，preheat temperature，and pressure[J].，2007，151(1)：104-119.

［22］ Zou C，Cao S，Song Y，et al. Characteristics and mechanistic analysis of CO formation in MILD regime with simultaneously diluted and preheated oxidant and fuel[J].，2014，130(5)：10-18.

Flame Characteristics of Blended Fuel Between Waste Oil Biodiesel and n-Butanol or Ethanol

Wang Wenchao1, 2，Li Fashe1, 2，Shen Yicheng1, 2，Liu Zuowen1, 2

(1. Faculty of Metallurgical and Energy Engineering，Kunming University of Science and Technology，Kunming 650093，China；2. Engineering Research Center of Metallurgical Energy Conservation & Emission Reduction，Kunming 650093，China)

To study the combustion characteristics of biodiesel blended fuels at different proportions, a biomass liquid fuel[Editor1] was designed in this study to produce a biodiesel premixed laminar flow flame. The planar laser-induced fluorescence imaging of hydroxyl (OH-PLIF) technique was used to measure and analyze combustion characteristics such as flame height, flame front area, laminar flame propagation velocity, and the flame OH-based signal intensity. The results showed that as the proportion of n-butanol or ethanol increased, the flame height and flame front area of two blended fuels decreased, while the flame propagation velocity increased. The addition of n-butanol increased the OH-PLIF total signal intensity of the blended fuel combustion flame; however, the addition of ethanol reduced the OH-PLIF total signal intensity of the blended fuel combustion flame.

biodiesel；n-butanol/ethanol；mixed fuel combustion characteristics；OH-PLIF total signal intensity

TK6

A

1006-8740(2019)05-0460-08

10.11715/rskxjs.R201811002

2018-11-04．

国家自然科学基金资助项目(51766007)；云南省自然科学基金资助项目(2015FB128)；NSFC-云南联合基金资助项目(U1602272)；复杂有色金属资源清洁利用国家重点实验室研究基金资助项目(CNMRCUTS1704).

王文超（1994—），男，硕士研究生，1605827197@qq.com．

李法社，男，博士，副教授，asan97@qq.com.