第41卷第9期機(jī)械工程學(xué)報(bào)Vol, 41 No 92005 $F 9 CHINESE JOURNAL OF MECHANICAL ENGINEERING Sep. 2005小型高速柴油機(jī)燃燒精細(xì)油水煤漿的試驗(yàn)研究柴保明(河北工程學(xué)院機(jī)電系邯鄲056038)王祖訥付曉恒(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程系北京100083摘要:在臺(tái)架上對(duì)S-195柴油機(jī)燃燒精細(xì)油水煤漿進(jìn)行了試驗(yàn)研究。結(jié)果表明,精細(xì)油水煤漿的燃燒效率與柴油接近,S-195柴油機(jī)燃燒精細(xì)油水煤漿最大功率可達(dá)到原機(jī)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?jǐn)?shù)遠(yuǎn)低于燃燒柴油。精細(xì)煤漿是一種具有廣泛應(yīng)用前景的柴油替代燃料。關(guān)鍵詞:精細(xì)油水煤漿潔凈煤柴油機(jī)代用燃料中圖分類(lèi)號(hào):TK4640前言1精細(xì)油水煤漿的制備我國(guó)的煤炭資源豐富,是世界上以煤為主要能精細(xì)油水煤漿用超純煤、油、水和少量添加劑源的國(guó)家之一,但石油資源相對(duì)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(guó)石油資源煤,經(jīng)過(guò)粗碎、超細(xì)磨、絮團(tuán)、多次精選、壓濾而進(jìn)口依存程度已達(dá)30%,在未來(lái)20年內(nèi)可能達(dá)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(yán)重影19%小于1027μm(表1),低熱值為1528MJkg響我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的建設(shè)進(jìn)程。表1為用馬爾文激光粒度分析儀測(cè)取的制漿用超純煤漿是20世紀(jì)80年代發(fā)展起來(lái)的低污染、高煤粒度分布數(shù)據(jù)。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(shù)據(jù)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(jì)0480.711041.522.233.2780年代到90年代美國(guó)通用汽車(chē)公司、通用電氣公布033417.70114516412530司、 Cooper能源系統(tǒng)公司、底特律柴油機(jī)公司及西南研究所在柴油機(jī)上對(duì)煤基代用燃料的燃燒進(jìn)行了一4.797.0110271505220432.29大量的試驗(yàn)研究,主要集中在燃燒過(guò)程組織較容易的低速、大功率柴油機(jī)。我國(guó)通過(guò)“六五”、“七五粒徑分布394658279279.719921100和“八五”攻關(guān),常規(guī)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(xiàn)了工業(yè)應(yīng)用,取得了較大的經(jīng)濟(jì)效益2,但在柴油機(jī)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(xì)油水煤漿是近年來(lái)在“六五”、“七五”和“八0號(hào)柴油和添加劑(分散劑、乳化劑),用高速攪拌器五”玫關(guān)基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)的一種替代柴油的精細(xì)煤漿燃充分?jǐn)嚢?即得到試驗(yàn)用精細(xì)油水煤漿。為了對(duì)比料,具有像柴油一樣的流動(dòng)性、穩(wěn)定性和可霧化性試驗(yàn),制取了兩種成分的精細(xì)油水煤漿M28、M30其制漿煤的粒度更細(xì)(平均顆粒直徑小于10μm)表2為試驗(yàn)用兩種精細(xì)油水煤漿成分配比。測(cè)取的灰分特別低(小于1%)。精細(xì)油水煤漿流變特性如圖1所示,由圖1可以看出M28、M30為塑性流體,且粘度值很低,在100s的剪切率下M28、M30粘度僅分別為22mPa·s和60mPa·s。河北工程學(xué)院博士基金資助項(xiàng)目(20030706)。20041026收到初稿2005年9月柴保明等:小型高速柴油機(jī)燃燒精細(xì)油水煤漿的試驗(yàn)研究191表2精細(xì)油水煤漿質(zhì)量成分配比表3發(fā)動(dòng)機(jī)主要技術(shù)參數(shù)煤漿水油熱值添加劑漿油w%w%wo%Q(J·kg)w%價(jià)格比缸徑Dmm95M2819528.150930718.1130.70缸數(shù)M3030737.71.3行程dmm注:①在相同熱值條件下,按煤的價(jià)格400元噸,油的價(jià)格3600元吸氣方式自然吸氣噸計(jì)算冷卻方式強(qiáng)制水冷轉(zhuǎn)速m(rmin)標(biāo)定功率PkW152供油提前角/c噴油壓力pMPa柱塞直徑dmm噴嘴形式軸針式壓縮比噴油泵柱塞式剪切率k/s132盡圖2發(fā)動(dòng)機(jī)性能試驗(yàn)臺(tái)架1.精細(xì)煤漿2.柴油3.溫度傳感器二次儀表4.KM00廢氣分析儀剪切率k/s15.轉(zhuǎn)速顯示儀6.廢氣分析儀探頭7.煙道8.熱點(diǎn)偶9.轉(zhuǎn)速傳感器(b)M3010.電渦流測(cè)功器11.連軸器12.發(fā)動(dòng)機(jī)13.噴油泵14.三通圖1精細(xì)油水煤漿的流變性3發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力特性試驗(yàn)2試驗(yàn)測(cè)量系統(tǒng)3.1最大循環(huán)供燃料量發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力特性試驗(yàn)由于精細(xì)油水煤漿中純凈煤的熱值低于柴油,柴油機(jī)選用國(guó)產(chǎn)S-195渦流室式柴油機(jī),其參而煤的燃燒速度比柴油低,燃燒強(qiáng)度略低于柴油。數(shù)如表3所示。為了考察柴油機(jī)燃燒精細(xì)油水煤漿的動(dòng)力性,在噴原柴油機(jī)的燃料供給系統(tǒng)是為柴油的供給與霧油泵供油量調(diào)到最大時(shí),分別在不同轉(zhuǎn)速測(cè)取了柴化而設(shè)計(jì)的,采用的是柱塞泵一高壓油管一噴嘴系油機(jī)可以達(dá)到的最大功率,表4為測(cè)試結(jié)果。從表統(tǒng)。柴油機(jī)燃燒精細(xì)煤漿時(shí),精細(xì)煤漿中包含煤的4中可以看出燃燒M8,在轉(zhuǎn)速達(dá)到200r/min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(dá)到的最大功率為90kW,燃燒柴油在20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(dá)到最大為96kW。燃燒精細(xì)油水煤漿的件和針閥偶件的磨損,使柴油機(jī)的燃料供給系統(tǒng)不最大功率約為燃燒柴油的93%能正常工作。為此采用高壓油封潤(rùn)滑原理對(duì)柴油機(jī)32精細(xì)煤漿發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)荷特性試驗(yàn)的燃油供給系統(tǒng)進(jìn)行了改造。為了考察柴油機(jī)燃燒精細(xì)油水煤漿經(jīng)濟(jì)性,測(cè)取了1600rmin時(shí)S-195柴油機(jī)燃燒柴油及M28、試驗(yàn)測(cè)量系統(tǒng)如圖2所示,測(cè)功器的型號(hào)為CW-20電渦流測(cè)功器,廢氣分析儀型號(hào)為KM900。M30的燃料消耗量,并由此計(jì)算出了不同工況條件192機(jī)械工程學(xué)報(bào)第41卷第9期表4各轉(zhuǎn)速下s195柴油機(jī)最大循環(huán)供燃料量達(dá)到的功率細(xì)油水煤漿M30時(shí)氮氧化物的排放明顯低于燃燒柴油時(shí)氮氧化物的排放,最高排放濃度是燃燒柴油速m/(r·min)時(shí)的18%分析其原因是由于精細(xì)油水煤漿燃燒時(shí),功率PkW7.2燃燒精細(xì)煤漿單位時(shí)間的放熱率比柴油低,精細(xì)油轉(zhuǎn)速n(r·min)18001900水煤漿水分在上止點(diǎn)時(shí)吸取部分熱量,使燃燒達(dá)到油的最高溫度值低。由于氮氧化物的生成量主要受最功率Pkw高燃燒溫度的影響,使精細(xì)油水煤漿燃燒時(shí),氮氧化物排放濃度較低。表51600r/min時(shí)S-1%5柴油機(jī)燃燒柴油、M28、M30對(duì)比試驗(yàn)數(shù)據(jù)表61600r·min1S-195柴油機(jī)燃燒柴油、M28、M30氮氧化物排放濃度對(duì)比試驗(yàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)矩MN·m)比燃料耗量g( gkw.h)590.85425轉(zhuǎn)矩M(N·m)計(jì)算熱效率力%28.65柴油NO2的排放濃度C106241比燃料耗量g(gW1655.65364NO的排放濃度c/0計(jì)算熱效率n%17.821626.6NO2的排放濃度CM30比燃料耗量g(gkwh)78655709462720.8525.5NO2的排放濃度Cl53比燃料耗量gg·kw計(jì)算熱效率n32.13L.7NO2的排放濃度C10°比燃料耗量g( gkW.h433.8M28計(jì)算熱效率7yM28No的排放濃度C106NO2的排放濃度c10比燃料耗量g(gWh2)42455179計(jì)算熱效率n%27.622.6NO的排放濃度C10NO2的排放濃度C10從表5可以看出,由于燃燒精細(xì)油水煤漿中水分的存在,在燃燒中產(chǎn)生微爆效應(yīng),使煤漿進(jìn)一步42co排放特性試驗(yàn)霧化,使熱效率提高,在低負(fù)荷時(shí)(柴油機(jī)輸出扭從表7可以看出,在轉(zhuǎn)速不變的條件下,隨著矩小于20N·m)燃燒精細(xì)油水煤漿熱效率略高于發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷的提高,由于每循環(huán)供油量的增加,而柴油。但隨著負(fù)荷的不斷提高,精細(xì)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(xì)油水煤漿的熱值低于柴油,需降低,CO的排放濃度升高。在轉(zhuǎn)速(1600r/min)噴入氣缸煤漿的量遠(yuǎn)高于柴油(約髙于50%),使得氣缸中煤漿燃?xì)獾目杖急刃∮诓裼?使燃燒惡化,不變的條件下,燃燒精細(xì)油水煤漿M28時(shí),CO的排放濃度達(dá)到最高為576×106。燃燒精細(xì)油水煤漿降低了熱效率。因此要開(kāi)發(fā)精細(xì)油水煤漿發(fā)動(dòng)機(jī)需要根據(jù)煤漿的燃燒特點(diǎn),改造柴油機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng),M30時(shí),CO的排放濃度最高為663×106。對(duì)比可加大進(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(xì)油水煤漿時(shí),可燃?xì)怏w的空燃比較低,燃燒精細(xì)油水煤漿和燃燒柴油CO的排燃比,以提高燃燒效率放濃度相比略高。4排放特性試驗(yàn)表71600r/minS-1%5柴油機(jī)燃燒柴油M28、M30CO排放濃度對(duì)比試驗(yàn)數(shù)據(jù)為了考察柴油機(jī)燃燒精細(xì)油水煤漿的排放特轉(zhuǎn)矩MN·m)10性,在相同工況下分別測(cè)取了柴油機(jī)燃燒不同燃料,尾氣中有害成分的濃度,表6~8為測(cè)量結(jié)果41NO2排放特性試驗(yàn)從表6可以看出,發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒精細(xì)油水煤漿時(shí)43微粒排放特性試驗(yàn)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1600r/min轉(zhuǎn)速下,測(cè)得放燃燒M28排氣中NO2最高排放濃度為85×106,的燃燒不同燃料的波許煙度,在相同工況下最高相2005年9月柴保明等:小型高速柴油機(jī)燃燒精細(xì)油水煤漿的試驗(yàn)研究193增加,但增加量不大。微觀觀察碳煙的成分,燃燒4何學(xué)良.內(nèi)燃機(jī)燃料學(xué),北京:機(jī)械工業(yè)出版社,199精細(xì)油水煤漿尾氣中主要增加了無(wú)機(jī)物顆粒的排放5吳國(guó)光,油基水煤漿流變性的研究中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),量,如要進(jìn)行有機(jī)物和無(wú)機(jī)物定量分析,尚需進(jìn)2001,23(6):608~610步研究。表81600 r/min S-195柴油機(jī)燃燒柴油RESEACH ON HIGH SPEED DIESELM28、M30微粒排放(BSU對(duì)比試驗(yàn)數(shù)據(jù)ENGINE FUELED WITH ULTRA-CLEAN轉(zhuǎn)矩M(N·m)10MICRONIZED COAL OIL WATERSLURRYDepartment of mechanical and electrical5結(jié)論Engineering, Hebei Institute of Engineering,從在發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架上,對(duì)S-195柴油機(jī)燃燒Wang Zune Fu Xiaoheng精細(xì)油水煤漿M28、M30針對(duì)各個(gè)典型工況進(jìn)行的(Department of Chemical and Environment系統(tǒng)試驗(yàn),得出了如下結(jié)論:在小型高速柴油機(jī)上,Engineering, China University of Ming and燃燒精細(xì)油水煤漿是可行的且具有較好的動(dòng)力性,Technology, Bejing 100083)最大功率達(dá)到燃燒柴油最大功率的93%:尾氣中最 Abstract. Experiment results of a high speed diesel engine濃氮氧化物質(zhì)量分?jǐn)?shù)僅為柴油的2%,大大降低了 ueled 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(dāng)。研究表明精細(xì)煤漿是ultra-clean micronized coal oil water slurry is close to that of oil種具有廣泛應(yīng)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(xiàn)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(xì)煤漿制備與應(yīng)用技術(shù)研究煤炭學(xué) of oil,, whereas the content of No2 in the waste gas of報(bào),2004,21(4):226~229UCMcowS is much lower. As alternate fuel for the diesel2國(guó)家九五科技攻關(guān)項(xiàng)目研究報(bào)告(5-2150104.煤炭深 engine the UCMCOWS may have a bright prospect.度物理加工技術(shù)的研究中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京校區(qū)),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 forIterate fuelsmall capacity combustor In: the proceeding of the27th作者簡(jiǎn)介:柴保明,男,1964年出生,博士,副教授。主要從事內(nèi)燃機(jī)international technical conference on coal utilization fuel代用燃料,內(nèi)燃機(jī)燃燒過(guò)程與控制方面的研tems,2003,5E-mail:chaibm8203@126.com