小型高速柴油機燃燒精細油水煤漿的試驗研揪

第41卷第9期機械工程學(xué)報Vol 41 No 92005年9月CHⅠ NESE JOURNAL OF MECHANICAL ENGINEERING Sep.2005小型高速柴油機燃燒精細油水煤漿的試驗研究柴保明(河北工程學(xué)院機電系邯鄲056038)王祖訥付曉恒(中國礦業(yè)大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程系北京100083)摘要:在臺架上對S-195柴油機燃燒精細油水煤漿進(jìn)行了試驗研究。結果表明,精細油水煤漿的燃燒效率與柴油接近,S-195柴油機燃燒精細油水煤漿最大功率可達到原機的93%。排放尾氣中的CO、排放微粒的含量有所增加。氮氧化物質(zhì)量分數遠低于燃燒柴油。精細煤漿是一種具有廣泛應用前景的柴油替代燃料關(guān)鍵詞:精細油水煤漿潔凈煤柴油機代用燃料中圖分類(lèi)號:TK4640前言精細油水煤漿的制備我國的煤炭資源豐富,是世界上以煤為主要能精細油水煤漿用超純煤、油、水和少量添加劑源的國家之一,但石油資源相對短缺,石油供求之制備,超純煤的制備是技術(shù)關(guān)鍵。原料煤采用大同間的矛盾日益尖銳,資料顯示2000年我國石油資源煤,經(jīng)過(guò)粗碎、超細磨、絮團、多次精選、壓濾而進(jìn)口依存程度已達30%,在未來(lái)20年內可能達到成。最后制取的超純煤灰分為0.95%,超純煤粒度40%以上,如不采取切實(shí)可行的措施,將嚴重影9%小于1027m(表1),低熱值為1528MJkg。響我國國民經(jīng)濟的建設進(jìn)程。表1為用馬爾文激光粒度分析儀測取的制漿用超純煤漿是20世紀80年代發(fā)展起來(lái)的低污染、高煤粒度分布數據效率的煤基流體燃料,具有和柴油、重油等液體燃表1制漿用超純煤粒度分布數據料相似的流動(dòng)性、可霧化性。煤漿技術(shù)的研究,是粒度值近年來(lái)開(kāi)展以煤代油技術(shù)研究的熱點(diǎn)之一。20世紀0.480.71041.5222380年代到90年代美國通用汽車(chē)公司、通用電氣公粒徑分布033417.701145164125.30司、 Cooper能源系統公司、底特律柴油機公司及西南研究所在柴油機上對煤基代用燃料的燃燒進(jìn)行了粒度值4.7970110.2715052.0432.29大量的試驗研究,主要集中在燃燒過(guò)程組織較容易粒徑分布的低速、大功率柴油機。我國通過(guò)“六五”、“七五”394658.82792793.719921100和“八五”攻關(guān),常規水煤漿已成功替代重油在油注,表中粒度分布為粒徑小于粒度值的顆粒的百分含量鍋爐上燃燒,實(shí)現了工業(yè)應用,取得了較大的經(jīng)濟效益2,但在柴油機上替代柴油的研究尚未進(jìn)行。超純煤制備完備后,在超純煤中按比例加入水精細油水煤漿是近年來(lái)在“六五”、“七五”和“八0號柴油和添加劑分散劑、乳化劑,用高速攪拌器五”攻關(guān)基礎上開(kāi)發(fā)的一種替代柴油的精細煤漿燃充分攪拌,即得到試驗用精細油水煤漿。為了對比料,具有像柴油一樣的流動(dòng)性、穩定性和可霧化性。試驗,制取了兩種成分的精細油水煤漿M8、M30其制漿煤的粒度更細(平均顆粒直徑小于10μm),表2為試驗用兩種精細油水煤漿成分配比。測取的灰分特別低(小于1%)精細中國煤化工示,由圖1可以看出M2CNMH值很低,在100s的剪切率下M28、M30粘度僅分別為22mPa·s和60mPa·s?！ず颖惫こ虒W(xué)院博士基金資助項目(20030706)。20041026收到初稿20050512收到修改稿2005年9月柴保明等:小型高速柴油機燃燒精細油水煤漿的試驗研究191表2精細油水煤漿質(zhì)量成分配比表3發(fā)動(dòng)機主要技術(shù)參數煤漿本油熱值添加劑漿油w%w%w%Q(U·kg)wx%價(jià)格比°缸徑Dmm50930718.11缸數行程dmm330149330737.7注:①在相同熱值條件下,技煤的價(jià)格400元噸,油的價(jià)格3600元吸氣方式自然吸氣噸計算冷卻方式強制水冷燃燒室形式轉速m(rmin)2000標定功率P/kW152供油提前角e/C柱塞直徑dmm噴嘴形式軸針式壓縮比柱塞式427536剪切率k/s(a)M2817132圖2發(fā)動(dòng)機性能試驗臺架1.精細煤漿2.柴油3.溫度傳感器二次儀表4.KM900廢氣分析儀剪切率k/s15.轉速顯示儀6.廢氣分析儀探頭7.煙道8.熱點(diǎn)偶9.轉速傳感器b)M3010.電渦流測功器11.連軸器12.發(fā)動(dòng)機13.噴油泵14.三通圖1精細油水煤漿的流變性3發(fā)動(dòng)機的動(dòng)力特性試驗2試驗測量系統31最大循環(huán)供燃料量發(fā)動(dòng)機的動(dòng)力特性試驗由于精細油水煤漿中純凈煤的熱值低于柴油,柴油機選用國產(chǎn)S-195渦流室式柴油機,其參而煤的燃燒速度比柴油低,燃燒強度略低于柴油。數如表3所示。為了考察柴油機燃燒精細油水煤漿的動(dòng)力性,在噴原柴油機的燃料供給系統是為柴油的供給與霧油泵供油量調到最大時(shí),分別在不同轉速測取了柴化而設計的,采用的是柱塞泵一高壓油管一噴嘴系油機可以達到的最大功率,表4為測試結果。從表統。柴油機燃燒精細煤漿時(shí),精細煤漿中包含煤的4中可以看出燃燒M28,在轉速達到200rmin時(shí),顆粒,這些煤顆粒在泵送、噴射過(guò)程中,很容易進(jìn)可以達到的最大功率為90kW,燃燒柴油在200入柱塞偶件和針閥偶件的配合間隙中,造成柱塞偶rmin時(shí)達到最大為96kw。燃燒精細油水煤漿的件和針閥偶件的磨損,使柴油機的燃料供給系統不最大pB此M中國煤化工能正常工作。為此采用高壓油封潤滑原理對柴油機試驗的燃油供給系統進(jìn)行了改造CNMHG水煤漿經(jīng)濟性,測試驗測量系統如圖2所示,測功器的型號為取了1600r/min時(shí)s-195柴油機燃燒柴油及M28M30的燃料消耗量,并由此計算出了不同工況條件CW20電渦流測功器,廢氣分析儀型號為KM900下柴油機達到的熱效率,結果如表5。192械工程學(xué)第41卷第9期表4各轉速下S-195柴油機最大循環(huán)供燃料量達到的功率細油水煤漿M30時(shí)氮氧化物的排放明顯低于燃燒轉速m(,my14015016010油時(shí)氮氧化物的排放,最高排放濃度是燃燒柴油功率PkW燃燒精細煤漿單位時(shí)間的放熱率比柴油低,精細油轉速n(r·min)119002000水煤漿水分在上止點(diǎn)時(shí)吸取部分熱量,使燃燒達到的最高溫度值低。由于氮氧化物的生成量主要受最功率PkW柴油高燃燒溫度的影響,使精細油水煤漿燃燒時(shí),氮氧化物排放濃度較低。表51600r/min時(shí)S-195柴油機燃燒柴油、M28、M30對比試驗數據表61600r·mins-195柴油機燃燒柴油、M28、M30氮氧化物排放濃度對比試驗數據柴油比燃料耗量g(gWh)59085425410轉矩M(N·m)計算熱效率28.65柴油NO2的排放濃度C/0M3比燃料耗魔wcWh)646564計算熱效率m%17828NO的排放濃度c06NO2的排放濃度C10°比燃料耗量g(gkWh)786.5M30計算熱效率n14.920.8525.NO的排放濃度C/10NO2的排放濃度c10653轉矩M(N·m)45比燃料耗量gg·kw油計算熱效率n32.1柴油NO的排放濃度C10384NO2的排放濃度C106比燃料耗量g(gW1h2)3793433.8計算熱效率nNO的排放濃度C106NO2的排放濃度C/106比燃料耗量g(gkw2h')42455179計算熱效率%22.6NO的排放濃度C1055M30NO2的排放濃度C106從表5可以看出,由于燃燒精細油水煤漿中水分的存在,在燃燒中產(chǎn)生微爆效應,使煤漿進(jìn)一步42co排放特性試驗霧化,使熱效率提高,在低負荷時(shí)(柴油機輸出扭從表7可以看出,在轉速不變的條件下,隨著(zhù)矩小于20N·m)燃燒精細油水煤漿熱效率略高于發(fā)動(dòng)機負荷的提高,由于每循環(huán)供油量的增加,而柴油。但隨著(zhù)負荷的不斷提高,精細油水煤漿的噴每循環(huán)進(jìn)入氣缸中的空氣量基本不變,所以空燃比入量加大,由于精細油水煤漿的熱值低于柴油,需降低,CO的排放濃度升高。在轉速(1600rmin)噴入氣缸煤漿的量遠高于柴油(約髙于50%),使得氣缸中煤漿燃氣的空燃比小于柴油,使燃燒惡化,不變的條件下,燃燒精細油水煤漿M28時(shí),CO的排放濃度達到最高為576×106。燃燒精細油水煤漿降低了熱效率。因此要開(kāi)發(fā)精細油水煤漿發(fā)動(dòng)機M30時(shí),CO的排放濃度最高為663×106。對比可需要根據煤漿的燃燒特點(diǎn),改造柴油機進(jìn)氣系統加大進(jìn)氣量,提高進(jìn)氣渦流,加大煤漿燃油氣的空以看出,由于燃燒精細油水煤漿時(shí),可燃氣體的空燃比,以提高燃燒效率燃比較低,燃燒精細油水煤漿和燃燒柴油CO的排放濃度相比略高。4排放特性試驗表71600r/minS-195柴油機燃燒柴油M28、M30Co排放濃度對比試驗數據為了考察柴油機燃燒精細油水煤漿的排放特轉矩MN·m)性,在相同工況下分別測取了柴油機燃燒不同燃料,249347482尾氣中有害成分的濃度,表6~8為測量結果。中國煤化工34641NO2排放特性試驗從表6可以看出,發(fā)動(dòng)機燃燒精細油水煤漿時(shí)43CNMHG氮氧化物的排放明顯低于燃燒柴油時(shí)氮氧化物的排從表8可以看出,在1600rmin轉速下,測得放燃燒M28排氣中NO2最高排放濃度為85×10的燃燒不同燃料的波許煙度,在相同工況下最高相是相同工況條件下燃燒柴油的21%。發(fā)動(dòng)機燃燒精差0.2。表明燃燒精細油水煤漿,雖然微粒排放略有年9月柴保明等:小型高速柴油機燃燒精細油水煤漿的試驗研究193增加,但增加量不大。微觀(guān)觀(guān)察碳煙的成分,燃燒4何學(xué)良.內燃機燃料學(xué)北京:機械工業(yè)出版社,199精細油水煤漿尾氣中主要增加了無(wú)機物顆粒的排放5吳國光油基水煤漿流變性的研究中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報,量,如要進(jìn)行有機物和無(wú)機物定量分析,尚需進(jìn)2001,23(6):608~610步研究。表81600r/minS-1%5柴油機燃燒柴油RESEACH ON HIGH SPEED DIESEL微粒排放(BSU對比試驗數據ENGINE FUELED WITH ULTRA-CLEAN轉矩M(N·m)10MICRONIZED COAL OIL WATERSLURRYM28Department of Mechanical and Electrical5結論Engineering, Hebei Institute of Engineering,從在發(fā)動(dòng)機試驗臺架上,對S-195柴油機燃燒Wang Zune Fu Xiaoheng精細油水煤漿M28、M30針對各個(gè)典型工況進(jìn)行的( Department of chemical and Environment系統試驗,得出了如下結論:在小型高速柴油機上,Engineering, China University of Ming and燃燒精細油水煤漿是可行的且具有較好的動(dòng)力性,Technology, Beijing 100083)最大功率達到燃燒柴油最大功率的93%:尾氣中最 Abstract:. Experiment results of a high speed diesel engi濃氮氧化物質(zhì)量分數僅為柴油的21%,大大降低了 fueled with coal oil water shurry (UCMCOwS) are introduced,氮氧化物的排放量;CO排放量略高于柴油:微粒 which shows that the efficiency of the diesel engine combusting排放與燃燒柴油基本相當。研究表明精細煤漿是一 ultra-clean micronized coal oil water slurry is close to that of oil種具有廣泛應用前景的柴油替代燃料。And the maximum output power of S-195 diesel engine fueled參考文獻with UCMCOWS can achieve 93% compared with that fueledwith oil. The emission of Co and PM is some higher than that1付曉恒,柴保明.精細煤漿制備與應用技術(shù)研究煤炭學(xué)ofol, whereas the content of No, in the waste gas of報,2004,21(4):226~229UCMcowS is much lower. As altemate fuel for the diesel2國家九五科技攻關(guān)項目研究報告(95-215-01-04)煤炭深engine the UCMCOWS may have a bright prospect.度物理加工技術(shù)的研究中國礦業(yè)大學(xué)(北京校區),1999 Key words: Ultra-clean micronized coal oil water slurry3 Wang Z N, Chai B M. Reseach on atomization andClean coal Diesel engineconbustion of ultra-clean micronized coal-water slurry forsmall capacity combustor In:: the proceeding of the2th作者簡(jiǎn)介:柴保明,男,1964年出生,博土,副教授。主要從事內燃機nternational technical conference on coal utilization&fuel代用燃料,內燃機燃燒過(guò)程與控制方面的研究systems, 2003, 5E-mail:chaibm8203@126.com中國煤化工CNMHG