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生物柴油非常规污染物形成机理的理论分析与试验研究

许广举  
【摘要】:生物柴油作为柴油机的替代燃料,得到了越来越广泛的应用。柴油机燃烧生物柴油除了产生NOx、CO、HC、PM等常规污染物外,还会产生羰基类、单环芳香烃、多环芳香烃、金属粒子等非常规排放污染物。这些非常规排放污染物进一步发生氧化、聚合等反应会产生其他污染物。论文围绕非常规污染物的测量方法、排放规律、形成过程和控制策略等方面,采用色谱分析、电镜扫描、台架试验、数值模拟等方法,测量了生物柴油各种非常规污染物的排放规律,从化学反应动力学角度,对羰基类、芳香烃类污染物的形成过程进行了数值模拟,提出了降低非常规污染物的方法。 根据羰基类、芳香烃类物质的理化性质特点,提出了采用衍生化法结合高效液相色谱技术,对羰基类物质进行样品采集、前处理和分离的测量方法。针对芳香烃物质,提出了运用活性炭吸附管和气相色谱-质谱技术对芳香烃物质进行定性定量分析的方法。并对采样效率、洗脱效率、检出限、相对标准偏差、回收率等精度指标进行了理论分析,实现了柴油机羰基类、芳香烃类物质的快速、准确测定,为柴油机非常规污染物研究提供了有效的测量方法。 在186 FA单缸柴油机上,采用生物柴油/柴油调合油进行柴油机台架试验,全面考察了不同调合比例、不同工况时羰基类、芳香烃类物质的排放规律,分析了生物柴油燃料组分、理化性质、燃烧过程等因素对羰基物生成的影响,以及芳香烃类物质的形成过程。通过试验研究得到了柴油机的单环芳香烃排放有苯、甲苯、乙苯和二甲苯,苯的排放浓度随着生物柴油调合比例的增加而降低的变化规律,与柴油相比,生物柴油的多环芳香烃排放下降了31%,其中颗粒相四环芳香烃下降了35.4%,气相四环芳香烃下降了55.4%。掺混生物柴油有助于降低柴油机的芳香烃排放。 采集了柴油机不同运行时间的润滑油样本,提出采用扫描电子显微镜、X射线能谱的方法,分析生物柴油/柴油混合燃料燃烧颗粒物的形貌及粒径分布特征,探讨了金属粒子的来源以及对颗粒总质量的影响,总结了柴油机排气微粒和润滑油中金属粒子种类和数量的变化规律。研究表明,随着柴油机运行时间的延长,润滑油中颗粒物的直径增加,粘结性增强,金属元素的种类和数量均增加。生物柴油燃烧颗粒物的粒径呈近似正态分布,随着生物柴油调合比例的提高,颗粒物的团聚程度提高,排列趋于紧密,平均粒径减小。 通过分析烷烃、烯烃、芳烃等小分子燃料的芳香烃形成过程,确定了生物柴油燃烧过程中羰基类、芳香烃类物质的关键生成反应,结合生物柴油和柴油的分子结构特点,建立了生物柴油燃烧化学反应动力学仿真模型并进行了仿真。结果表明,仿真模型能够再现生物柴油的燃烧化学反应过程,可以重现详细燃烧过程和预测燃烧中间产物的的生成浓度。 根据柴油机燃烧过程的特点,运用激波管、层流预混火焰反应器模型,提出了从化学反应动力学角度,采用反应生成率和敏感性分析方法,考察了生物柴油羰基类、芳香烃类物质形成过程的影响因素。提出了空气预处理、燃料预处理方法降低羰基类物质,采用氢气、氧化碳、甲烷进行燃料预处理,促进燃烧中间产物甲醛的再次氧化分解。确定了生物柴油第一个苯环是通过C3H3聚合反应和C4H5与乙炔加成反应形成,第二个苯环通过脱氢、乙炔加成反应形成,同时也确定了柴油第一个苯环通过C3H3聚合反应,第二个苯环通过C4与苯环加成、脱氢加乙炔反应形成,对生物柴油和柴油燃烧过程中芳香烃的形成途径进行了详细地解释。


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