第30卷第9期工程熱物理學報2009年9月JOURNAL OF ENGINEERING THERMOPHYSICS乙醇煤油混合燃料熱解特性實驗研究龔景松楊慶濤侯凌云鐘北京(清華大學航天航空學院,北京100084)摘要本文實驗研究了乙醇、煤油及其混合物的熱解特性.利用氣相色譜測量了其中氫氣、甲烷、乙烯和一氧化碳的濃度.實驗結果表明,燃料的熱解率隨溫度的增加而增加.熱解形成的氣體中,乙醇熱解得到的氫氣濃度高于煤油,而甲烷和乙烯的濃度低于煤油.摻混乙醇后的煤油混合燃料熱解時形成的氫氣濃度隨乙醇含量的增加而增加,對于在超燃沖壓發(fā)動機中采用在煤油中添加一定量的含氧燃料(如乙醇、甲醇等)來解決著火和穩(wěn)定燃燒問題具有很好的潛在優(yōu)勢關鍵詞熱解;氫氣;煤油;乙醇中圖分類號:O6432+1文獻標識碼:A文章編號:0253231X(2009)09-161703EXPERIMENTAL STUDY ON PYROLYSIS CHARACTERISTICS OFETHANOL-KEROSENE MIXTUREGONG Jing-Song YANG Qing-Tao HOU Ling-Yun ZHONG Bei-Jing(School of Aerospace, Tsinghua University, Beijing 100084, China)Abstract Pyrolysis characteristics of ethanol, kerosene and their mixture are studied experimentallyin this paper. The concentrations of H2, CH4, C2H4 and Co in the pyrolysis products are measuredusing one gas chromatography. The results indicate that the pyrolysis ratio of the fuels increases withincreasing temperature. In the pyrolysis products, the concentration of H2 from ethanol is higherthan that from kerosene, yet the concentrations of CHa and C2 Ha from ethanol are lower than thosefrom kerosene. Additionally, the concentration of H2 from ethanol-kerosene increases with increasingethanol mass fraction. Finally, it is concluded that it will be a potential solution for the ignition andstable combustion challenge in scramjets to add a certain amount of oxygenated fuel in keroseneKey words pyrolysis; hydrogen; kerosene; ethanol0引言基于超音速燃燒技術的超燃沖壓發(fā)動機是當前乙醇、甲醇等)加熱到一定溫度時,燃料本身會發(fā)國內外研究的重點領域。各國相繼開展了大量的研生熱分解,得到含有氫氣的可燃小分子氣體(氫氣、究工作,取得了大量的成果,特別是美國,2004年氧化碳、甲烷等),將此氣體通入內燃機進氣道中11月X-43A以接近10Ma數的飛行給超燃沖壓可以有效改善燃燒,得到約10%的節(jié)油率,具有明發(fā)動機研究注入了新的活力.我國在此領域的研究顯的節(jié)能效果.因此,可設想利用發(fā)動機的冷卻壁也進行了幾十年凹.目前,在高超沖壓發(fā)動機的研面加熱含氧燃料與煤油的混合燃料使其發(fā)生熱分解,制中主要面臨的問題是:穩(wěn)定燃燒和冷卻兩大問題得到小分子氣體,同時增加壁面熱量的吸收,這樣.特別對于碳氫燃料,如何縮短其著火延遲,確保有望達到既增加熱沉又促進燃燒與火焰穩(wěn)定的雙重在有限長度的超音速燃燒室內實現碳氫燃料的點火目的與穩(wěn)定燃燒就成為碳氫燃料超燃沖壓發(fā)動機研制過本文的目的是研究乙醇和煤油混合物的熱分解程中必須解決的首要問題。為此,提出了許多解決特性,得到典型熱解產物的比例和隨溫度的變化方案.如采用雙燃料方法,用攜帶的氫燃料引導碳規(guī)律氫燃料超音速燃燒,但由于氫的攜帶受到制約,方案并不是最好的。1實驗系統(tǒng)在文獻3]的研究中發(fā)現,將含氧燃料(二甲醚、中國煤化工個系統(tǒng)主要由電阻加收稿日期:2008-11-25;修訂日期:200907-15CNMHG基金項目:清華大學基礎研究基金資助作者簡介:龔景松(1975),男,天津人,講師,博士,研究領域為燃燒科學與技術1618工程熱物理學報熱爐、流量計、高壓氮氣瓶、燃料儲存罐、過濾罐及測氣體和標準氣體的譜峰積分面積得到被測氣體的連接管路組成。液體燃料裝在存儲罐內,通過高壓含量。實驗中測量了氫氣、乙烯、甲烷、一氧化碳和氮氣瓶為其加壓.液體經過流量計后首先在預熱爐二氧化碳氣體的濃度(電阻爐)中被加熱氣化,之后和一定量的氮氣混合一同進入電加熱爐,電加熱爐被預加熱到一定的溫度,在這里燃料和氮氣的混合氣被加熱并且發(fā)生分解。熱分解后的混合氣經過過濾罐冷卻以后被收集到氣體采集袋中,并用氣相色譜儀分析其中的主要氣體的含量.采用不銹鋼細管為加熱管道,利用熱電偶對測點的溫度進行監(jiān)控。其中T1監(jiān)控預熱爐的溫度,T2焊接在細管上,測量管壁溫度作為燃料圖2乙醇熱分解的典型色譜分析圖譜(壁面溫度813°C)熱解的參考溫度,T3用來監(jiān)測加熱爐的溫度,避免Fig. 2 Typical chromatogram of ethanol pyrolysis溫度過高而導致爐體損壞(wall temperature 813.C)LAAAAAAAAAAAA圖3煤油熱分解的典型色譜分析圖譜(壁面溫度820°C)Fig 3 Typical chromatogram of kerosene pyrolysis(wall temperature 820 C)從圖譜來看,乙醇和煤油發(fā)生熱分解后的氣體LCD/FD的組成和含量不同,乙醇熱解中氫氣和一氧化碳濃度要高,而煤油熱解的乙烯和甲烷的含量較高,主1.氮氣瓶2.液體罐3.漏斗4、5.流量計6.預熱爐要是由于兩種燃料的化學組成不同所致7.加熱爐8.過濾罐9.氣相色譜儀10.計算機1. N2 tank 2. fuel tank 3. funnel 4, 5. flowmeter圖4給出了熱解氣體中氫氣的體積濃度隨溫度6. preheating furnace 7. heating furnace 8. filter的變化.從圖中可以看出,乙醇熱解產生的氫氣含量9. gas chromatography 10. computer明顯高于煤油熱解的氫氣濃度,在實驗研究的溫度圖1實驗系統(tǒng)原理范圍內,可以達到25%,明顯高于其它氣體的含量Fig 1 Schematic diagram of experimental system而添加乙醇的混合煤油熱解時氫氣的含量也有一定實驗中氮氣作為伴氣,既可以稀釋高溫的可燃程度的增加.從燃料特性可知,氫氣具有著火延遲時氣體,防止發(fā)生危險,又作為參照來增強實驗結果間最短(微秒級)、火焰?zhèn)鞑ニ俣瓤臁⒅鸾缦迣拸V的可比性在此實驗臺上開展了煤油、乙醇及其混合物的熱分解特性實驗,實驗條件如下:煤油、乙醇及其混合物的流量均為20mL/min,氮氣的流量為20L/h在混合物中,乙醇的體積比例分別為20%和40%,記為E20和E40.2實驗結果及分析中國煤化工101o圖2和圖3為典型的乙醇、煤油熱分解的氣相色譜分析曲線.用氣相色譜儀測量氣體含量時,認CNMHG4m群氣體中氣度圓溫度的變化規(guī)律為譜峰的積分面積與氣體含量成正比,通過對比被Fig. 4 Variation of H2 concentration with temperature9期龔景松等:乙醇煤油混合燃料熱解特性實驗研究1619燃燒活化能低、點火能低、擴散系數大等優(yōu)異性能。醇后CO濃度隨乙醇含量的增加而逐漸增加因此可以推斷,增加乙醇后的混合燃料利用冷卻壁圖6和圖7分別給出了甲烷和乙烯的體積濃度面使其發(fā)生熱解,可以改善發(fā)動機的著火和燃燒特隨溫度的變化.對于乙醇和煤油,熱解中都會形成甲烷和乙烯,其濃度隨溫度的增加而增加,也就是說,隨溫度的增加,燃料的熱解率在增加,這也是加入氮圍,氣的目的.甲烷和乙烯的量都是煤油的大于乙醇熱解的量,在較高溫度下,體積濃度基本達到了20%,這樣的小分子氣體加入到燃燒室中也能夠改善燃燒過程由于測量儀器的限制,本實驗中只檢測了五種物質的濃度,熱解過程是一個復雜的化學過程,必然會形成很多的氣體組分以及會析碳出現,對比文獻{4中的數據,可以發(fā)現在熱解中氫氣、甲烷和乙圖5一氧化碳濃度隨溫度的變化規(guī)律烯是最主要的產物,從我們的實驗也可以發(fā)現,這Fig. 5 Variation of CO concentration with temperature幾種組分濃度的和已經達到約50%以上,加上所用的載氣(氮氣)的量,應該是氣體的主要組成.當然圍更細致的工作還需要進一步的研究3結論通過實驗研究,可以得到如下的結論:(1)在同樣的溫度下,乙醇熱分解中形成的氫氣含量比煤油要高的多,CO的含量也要高很多;而甲烷和乙烯的濃度比煤油熱解低一倍左右2)添加乙醇的混合燃料熱分解中,在溫度較圖6甲烷濃度隨溫度的變化規(guī)律低時,氫氣的含量和煤油熱解區(qū)別不大,當溫度提Fig6 Variation of CE4 concentration with temperature高后,氫氣的含量隨乙醇含量的增加明顯提高.說明添加乙醇后的混合燃料在燃燒方面具有很好的潛力,配合發(fā)動機中主動冷卻的使用,可以提高發(fā)動機的燃燒性能圍參考文獻門]樂嘉陵,胡欲立,劉陵.雙模態(tài)超燃沖壓發(fā)動機研究進展.流體力學實驗與測量,2000,14(3):1-12LE Jia-Ling, HU Yu-Li, LIU Ling. Investigation of Possi-900950100010501100150bilities in Developing Dual Mode Scramjets. ExperimentsT/Knd Measurements in Fluid Mechanics, 2000, 14 (3):1-12圖7乙烯濃度隨溫度的變化規(guī)律2劉小勇超燃沖壓發(fā)動機技術,飛航導彈,2003,(2):3842Fig. 7 Variation of C2H4 concentration with temperatureLIU Xiao-Yong. Scramjets Technology. Winged MissilesJournal,2003,(2):384圖5給出了CO體積濃度隨溫度的變化。由于3 ZHANG Bo, FU Wei-Biao, GONG Jing-Song. Study ofFuel Consumption when Introducing DME or Ethanol into乙醇中含有氧,熱解中形成了大量的CO,色譜測量Diesel Engine. Fuel, 2006, 85: 778-782中同時測量了CO2的濃度,但是很小,基本可以忽[4]K D Dahm, P S Virk, R Bounaceur, et al. Experimental略,這從圖2和3中可以看出.而煤油中沒有氧(或and Modelling Investigation of the Thermal Decomposi-decane. Journal of Analytical and Applied有少量的溶解氧),熱解中基本不形成CO.添加乙中國煤化工CNMHG