许沧粟，刘伟男，李孝禄

热裂解生物质油层流燃烧速度的研究

许沧粟1，刘伟男1，李孝禄2

(1. 浙江大学能源工程学院，杭州 310027；2. 中国计量大学机电工程学院，杭州 310018)

通过稻壳等农作物废料提炼出了一种热裂解生物质燃料，可以用于汽车等领域．燃料主要由乙醇、乙酸乙酯、乙醚、丙酮和2-丁酮等5种组分以100∶35∶14∶9∶7的摩尔比组成．在不同初始温度、压力和当量比条件下，在定容燃烧弹上实验测量了热裂解生物质油的层流燃烧速度．用基于定容燃烧弹的定压法(constant pressure method，CPM)和定容法(constant volume method，CVM)分别测量了层流燃烧速度，分析了温度、压力、当量比对层流燃烧速度的影响．结果表明，层流燃烧速度随温度提高而增大，初始压力增加层流燃烧速度降低，并会使峰值位置右移．通过对比CVM和CPM结果，合理解释了火焰胞化对CPM结果的影响，并通过CVM外推得到0.1～0.8MPa的压力范围、358～490K温度条件下的层流燃烧速度．

生物质热裂解油；定容燃烧室；层流燃烧速度；定压法；定容法

能源枯竭和环境恶化是当今世界的两大挑战，世界能源市场份额占比最大的仍然是石油、天然气和煤炭，化石燃料每年的消耗非常大，其中化石燃料的燃烧占世界系统能源供应的81.3%[1]，由化石燃料引起的环境问题也受到各国政府重视．同样在全球范围内一直持续增长的还有汽车的生产量、保有量，传统汽车的能源供给来源仍然依靠化石燃料．中国是化石燃料的进口大国，长期依赖石油进口，国家经济命脉的发展和石油息息相关．除此以外，化石燃料的燃烧会产生大量的有毒有害气体，严重污染环境，威胁人类的生存家园．

为了解决能源枯竭和环境恶化的问题，寻找下一代新型替代燃料，完成政府提出的碳达峰碳中和的目标，中国政府近年对新型替代燃料的研发投入非常 大[2-3]．生物质能就是一种非常有潜力的化石替代燃料[4-6]．生物质燃料作为一种可再生能源，被认为是一种潜力巨大的新能源，在缓解能源短缺、保障能源安全、保护生态环境等方面具有独特优势．随着制备和生产过程效率的不断提高，生物质替代燃料的发展前景逐渐被认可．生物质的热化学转化利用方法中有一种是无氧的工况条件下，进行热裂解化学反应，根据化学反应的时间过程可分为快速热裂解和慢速热裂解．快速热裂解的产油率很高，因此这种方法被广泛的应用研究，通过这种方法产出的热裂解油的品质和传统汽油相当[7-8]．生物质油占世界能源消耗总量的大约10.4％[9]，且具有减少燃烧排放物和燃烧室中沉积物形成的优点[10-11]．

研究表明，将491Q内燃机改装在金杯汽车上，热裂解生物质油展现出了良好的动力性能和经济性能[12-13].本文使用的生物质燃料是通过纤维素废料(如秸秆、稻壳等)进行热裂解提炼而成，并已经在整车上应用，其包含多种化学成分，主要由乙醇、乙酸乙酯、乙醚、丙酮、2-丁酮以100∶35∶14∶9∶7的摩尔比组成[14-15].层流燃烧速度是燃料的重要燃烧特性指标，对燃料的层流燃烧速度进行研究，对于燃料的应用具有重要意义．本文主要通过定容法和定压法得到燃料的层流燃烧速度，并对燃料在不同工况时分析了其燃烧特性．

1 实验装置与数据处理方法

1.1 定容燃烧弹

以定容燃烧室为核心，实验系统主要由高速纹影成像系统、点火控制系统、数据信息采集系统、进气排气系统、同步控制系统和加热系统共6个部分组成，实验装置如图1所示．

定容燃烧室的容积为1.94L．在定容燃烧室中设置中心电极进行点火，两个直径0.4mm的铂丝电极进行电火花点火，点火能量大约为15mJ．实验过程中使用温度传感器和压力传感器分别测量温度和压力．定容燃烧室外均匀布置加热棒，加热棒由稳压直流电源控制．定容燃烧室的两侧装有石英玻璃窗，为纹影系统提供光路．用于记录纹影图像的高速摄像机为 Phantom v2512，记录频率为6000fps，分辨率为 512×512 像素．采用数字延迟脉冲发生器(DG645，Stanford Research Systems，USA)同步数据记录、图像捕获和控制点火时间．初始温度和压力由K型热电偶和数字压力表调节．

图1 实验装置

初始温度358K、388K、418K，压力工况条件为0.1～0.4MPa，燃料的当量比0.7～1.4，每个实验工况进行3次重复实验以减小实验产生的人为误差．

1.2 燃料注射量

根据理想气体状态方程、生物质油与氧气完全燃烧化学方程式得到在各种初始条件下混合燃料的总注射体积公式：

式中：为当量比；i为相对分子质量；i为密度；i为体积分数；、、分别为分子式中碳原子、氢原子、氧原子个数，定容燃烧弹体积为0，初始温度为0，初始压力为0，为8.314J/(mol·K)．本研究使用的燃料根据稻壳精制热裂解油的主要成分，乙醇、乙酸乙酯、乙醚、丙酮、2-丁酮5种组分用光谱纯的单质按照100∶35∶14∶9∶7的摩尔比配制组成．表1列出了实验燃料的基本参数．

表1 实验燃料的基本参数

Tab.1 Basic parameters of experimental fuel

1.3 定容法计算层流燃烧速度

在单次实验中，通过定容法能外推得到更高压力和温度下的层流燃烧速度[16-17]．因此，通过定容法可以把接近常温常压的工况实验结果外推到发动机工况条件(5～7MPa和700～800K)．这样既保证了实验的安全性，又可以获得实际内燃机工作状态的数据，具有重要意义．除此之外，使用定容法能够准确计算胞化火焰速度[18]．

使用CVM计算层流燃烧速度有一些假设：①未燃烧的气体是均匀的等熵压缩气体；②整个燃烧室内压力均匀；③未燃气体和已燃气体均为理想气体；④外部热量输入，热量损失，辐射和浮力影响忽略不计.

基于以上假设，可以通过公式(2)和式(3)计算未燃烧气体的温度和密度：

式中：是燃烧过程中定容燃烧室中的压力；i、i和i分别是初始条件下的温度、压力和密度．是燃烧过程中的温度；u是比热比．燃烧质量分数定义为燃烧气体与气体总量的比率，可通过公式(4)计算：

式中：i、u和b分别是初始、未燃烧和已燃烧气体的质量；f和w是火焰前沿和定容燃烧室的半径．

定容法计算层流燃烧速度u的计算公式为

其中f是火焰锋面面积．

代入方程(2)～(4)可得

现在流行的已燃质量分数的计算方法是Lewis等[19]提出的：

其中e是燃烧过程压力的最大值，即爆炸压力．

使用幂函数拟合并外推到实验工况下得到实验工况下的层流燃烧速度结果：

温度升高比可以通过压力升高比和比热比计算，可以得到：

通过十二项式对层流燃烧速度计算，得到层流燃烧速度随压力、温度、当量比的关系，在一定的误差范围内外推计算出内燃机工况条件下的速度结果：

图2是CVM计算层流燃烧速度的外推和拟合曲线．拟合区间的上下限根据已燃质量分数确定，通常选取＝0.05和＝0.2对应的相对压力为拟合区间上下限．当＜0.05时，存在干扰信号，无法准确计算拟合曲线；当＞0.2时，通过燃烧室壁面损失的热量会影响燃烧过程，因此选取＝0.05和＝0.2计算拟合区间的上下限．当与i的比值为1时，拟合方程对应的值为初始条件下对应的层流燃烧速度．

图2 CVM幂函数拟合曲线

1.4 定压法计算层流燃烧速度

定压法是另一种发展相对成熟的层流燃烧速度计算方法．定容法通过压力数据外推计算层流燃烧速度，定压法通过火焰传播图像推导层流燃烧速度．使用定压法时选取火焰的准稳态阶段，在此阶段火焰既不会受到点火能量的影响，又不会受到燃烧室壁面的影响．在此火焰传播阶段，燃烧室内的压力没有明显上升．定容弹中的可燃混合气通过中心电极点火成功后，球形火焰向外膨胀，通过Matlab程序识别火焰边缘，计算出火焰半径f，由此计算出火焰传播过程的速度：

火焰拉伸率和火焰的传播速度可以通过Matlab程序进行计算，再通过拟合公式可以外推出无拉伸火焰速度，现在学界比较流行的是以下3种拟合公式：

式中：b0为无拉伸的火焰传播速度；b为马克斯坦长度，用来表征火焰对拉伸响应的敏感程度，反映火焰的稳定性．

依据火焰前锋面的准稳态和质量守恒定律，得到的未燃气无拉伸火焰速度即为层流燃烧速度u．

式中：b和u分别为已燃气体密度和未燃气体密度，由CHEMKIN中的Equilibrium模型计算得到．

2 结果分析

2.1 不同温度下压力的影响

图3显示了不同初始温度下压力对生物质油的层流燃烧速度的影响．在358K、388K和418K条件下均使用CPM计算实验数据．图3(a)中比较了文献里异辛烷在358K、0.1MPa的条件下异辛烷的层流燃烧速度，与热裂解生物质油的计算结果相比，平均相对偏差小于20%，异辛烷是汽油混合燃料的重要表征组分之一[20-21]，因此热裂解生物质油在车用内燃机上有广阔的应用前景．

当燃料为稀混合燃料时，层流燃烧速度随着压力的增加而降低．但在当量比1.2～1.4时随着压力的增加，层流燃烧速度会有反常增高，这是因为火焰前锋面出现胞化加快了火焰燃烧的速度．胞化是火焰不稳定的表现，火焰胞化不稳定性主要包含了3个方面：流体动力学不稳定性、浮力不稳定性、热扩散不稳定性．当温度升高时，火焰不稳定性加剧，胞化现象更加明显．当压力为0.1MPa时，层流燃烧速度峰值出现在当量比1～1.1，当压力增加时，峰值出现的位置向右偏移，出现在1.2左右，这是因为丙酮燃料的影响，丙酮层流燃烧速度的最大值出现在1.2左右[22-23]，此外压力增大火焰不稳定性增加，浓混合气层流燃烧速度增大．

2.2 不同压力下温度的影响

图4显示了不同初始压力下温度对生物质油层流燃烧速度的影响．不同压力下的数据均使用CPM计算．层流燃烧速度随着温度的升高而增加，当初始压力工况为0.1MPa和0.2MPa时，层流燃烧速度的最大值出现在当量比1.1～1.2．初始温度对层流燃烧速度曲线的最大值出现的位置几乎没有影响．初始温度会影响燃烧初期的反应速率，温度增加提高了反应速率，使火焰温度峰值提高，层流燃烧速度增大．从图4(c)中还可以发现，当初始压力为0.4MPa，初始温度为418K时，胞化在当量比1.3～1.4处出现，当温度为358K和388K时，胞化现象并不明显．这直观反映了初始温度越高，火焰不稳定性增加，越容易出现胞化现象．

图4 不同初始压力下初始温度对层流燃烧速度随当量比的影响

2.3 CVM与CPM结果对比

图5将定容法和定压法得到的生物质油层流燃烧速度进行了比较，定容法的结果大于定压法，两种方法获得的结果偏差较小．本文采用公式(u,CVM－u,CPM)/u,CPM×100％来计算相对偏差．图5(a)中两组数据均为未发生火焰胞化的情况，CPM和CVM的计算结果非常接近，最大层流燃烧速度的峰值位置均为当量比在1.0～1.1，不同当量比下的平均相对偏差在15％以内．因为本文使用的是线性已燃质量分数求解方法，这造成了外推得到的层流燃烧速度比定压法的结果大，当量比为1.0时，偏差达到20%．除了初始压力0.1MPa、初始温度418K、当量比1.4的工况条件下定容法的结果小于定压法的，这是由于定压法中用线性外推方式从火焰半径计算得到初始条件下层流燃烧速度存在一定的误差，尤其在当量比为1.4附近，定容法得到的结果有明显偏小，小于定压法的速度，从而导致相对偏差出现了负值．图5(b)是两组已经出现胞化现象的实验结果对比．当初始条件为358K、0.4MPa时，火焰胞化后CVM的计算结果高于CPM，平均偏差小于15%．当压力和温度增加到418K、0.4MPa时，浓混燃料火焰胞化加剧，不稳定性增大，CVM计算结果远高于CPM，最大相对偏差达到33%，但在稀混燃料中火焰稳定性较好，CVM与CPM的计算结果接近，两种计算方法的平均相对偏差小于17%．

图5 相同初始条件下定压法与定容法所得燃烧速度比较

图6是不同初始条件下火焰胞化图像(＝1.4，＝15ms)．从图6中可以看出在压力为0.2MPa时，火焰表面出现了轻微的胞化现象，细胞裂纹较少，部分火焰表面仍比较光滑．当压力为0.4MPa时，3个温度下的火焰胞化现象十分明显，初始压力的增加使胞化现象更容易出现．在二维图像中火焰胞化后表面凸起部分导致的半径增加并不明显，但在实际的火焰传播过程中，火焰表面由于胞化产生凸起，造成了火焰半径增大．CPM方法通过捕捉火焰半径计算层流燃烧速度，在计算时捕捉的二维图像的半径小于实际半径，因此用CPM计算在火焰胞化后的层流燃烧速度会偏低，CVM使用压力数据进行计算，不会受到火焰形态变化的影响．

图6 火焰胞化图像

表2展示了实验工况条件下火焰最先出现胞化现象的当量比．混合气更容易出现火焰的胞化不稳定性，同时相比于实验温度，压力对火焰胞化的影响非常显著，相同压力下基本不改变火焰出现胞化现象时的当量比．

表2 不同温度和压力下胞化火焰开始出现对应的当量比

Tab.2 The corresponding equivalence ratio when cellular flame begins to exist at different temperatures and pressures

图7比较了温度418K，压力0.4MPa下不同当量比燃烧过程压力变化曲线．燃烧过程的初始阶段为恒定压力期，CPM法主要利用了恒定压力阶段的数据进行计算．当量比为0.9时，火焰未发生胞化，恒定压力期较长；当量比为1.3时，火焰已经发生明显胞化，压力上升现象会提前出现，恒定压力期的时间会缩小，因此CPM的数据选取范围变小，造成了CPM计算的层流燃烧速度相比于CVM的结果会 偏低．

图7 燃烧过程压力变化

2.4 CVM外推速度范围

图8显示了和的拟合范围．每个当量比都有9个实验点．本文给出在i＝0.1～0.8MPa、i＝358～490K和＝0.7～1.4时的拟合数据．CVM计算层流燃烧速度时，一次实验可计算得到特定压力和温度下的u，通过内插法和外推法填充整个区域，获得范围内的层流燃烧速度．使用CVM可以计算出更广阔范围内的数据，这是CPM计算层流燃烧速度无法得到的．

图8 CVM外推范围

2.5 马克斯坦数

图9是不同工况下的马克斯坦数．图9(a)是压力为0.1MPa下不同温度对马克斯坦数的影响．马克斯坦数表征火焰整体稳定性，结合了火焰拉伸作用和流体动力学不稳定性的影响．从图9(a)中看出温度对马克斯坦数没有明显影响，马克斯坦数随着燃料当量比的增大呈总体减小趋势．图9(b)是不同压力工况对马克斯坦数的影响．在压力为0.1MPa和0.2MPa时，马克斯坦数的差异不大．当压力为0.4MPa时，马克斯坦数明显减小，这是因为压力增加火焰的不稳定性明显增大．

图9 不同工况下的马克斯坦数

3 结 论

(1)在相同的温度下，稀混合燃料的层流燃烧速度随着压力的增加而降低，浓混合燃料会有反常增高的现象．同时初始压力增大使层流燃烧速度峰值位置向高当量比移动．

(2)在相同压力下，层流燃烧速度随着温度的升高而增加，温度的提升也会导致火焰不稳定性增强，胞化现象提前出现．

(3)在火焰未胞化时，CPM与CVM计算结果平均偏差小于15%；火焰胞化后CPM计算结果偏小，两者计算结果的最大相对偏差达到33%．

(4)通过CVM计算实验条件下的数据，将层流燃烧速度外推到更广的压力与温度范围，获得了0.1～0.8MPa的压力范围、358～490K温度条件下生物质燃料层流燃烧速度．

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Laminar Burning Velocity of Pyrolysis Biomass Oil

Xu Cangsu1，Liu Weinan1，Li Xiaolu2

(1. College of Energy Engineering，Zhejiang University，Hangzhou 310027，China；2. College of Mechanical and Electrical Engineering，China Jiliang University，Hangzhou 310018，China)

A refined pyrolysis biomass liquid fuel for vehicles was produced from rice husk，which consists of ethanol，ethyl acetate，diethyl ether，acetone and 2-butanone with a mole ratio of 100∶35∶14∶9∶7. The laminar burning speeds of the mixed fuel were studied at different initial temperatures，pressures and equivalence ratios in a constant volume combustion chamber. The laminar burning speed was calculated by constant pressure method(CPM) and constant volume method(CVM)，respectively. The impact of pressure，temperature and equivalence ratio on the laminar burning speed was discussed. The results show that the laminar burning speed increases with rising temperature. The increase in initial pressure results in the decrease of laminar burning speed and the shift of peak position to the right. The results of CVM and CPM were compared，the effect of flame cellularization on the CPM results was reasonably explained，and the laminar burning speed under the pressure of 0.1—0.8MPa and the temperature of 358—490K was obtained by CVM extrapolation.

biomass pyrolysis oil；constant volume combustion chamber；laminar burning speed；constant pressure method；constant volume method

TK46+4

A

1006-8740(2021)05-0461-08

10.11715/rskxjs.R202006015

2020-08-13.

国家重点研发计划资助项目(2018YFB1501405).

许沧粟（1963—  ），男，博士，副教授，xucangsu@zju.edu.cn.

李孝禄，男，博士，教授，lxl2006@cjlu.edu.cn.

(责任编辑：梁 霞)