小型高速柴油机燃烧精细油水煤浆的试验研揪

第41卷第9期机械工程学报Vol, 41 No 92005 $F 9 CHINESE JOURNAL OF MECHANICAL ENGINEERING Sep. 2005小型高速柴油机燃烧精细油水煤浆的试验研究柴保明(河北工程学院机电系邯郸056038)王祖讷付晓恒(中国矿业大学化学与环境工程系北京100083摘要:在台架上对S-195柴油机燃烧精细油水煤浆进行了试验研究。结果表明,精细油水煤浆的燃烧效率与柴油接近,S-195柴油机燃烧精细油水煤浆最大功率可达到原机的93%。排放尾气中的CO、排放微粒的含量有所增加。氮氧化物质量分数远低于燃烧柴油。精细煤浆是一种具有广泛应用前景的柴油替代燃料。关键词:精细油水煤浆洁净煤柴油机代用燃料中图分类号:TK4640前言1精细油水煤浆的制备我国的煤炭资源丰富,是世界上以煤为主要能精细油水煤浆用超纯煤、油、水和少量添加剂源的国家之一,但石油资源相对短缺,石油供求之制备,超纯煤的制备是技术关键。原料煤采用大同间的矛盾日益尖锐,资料显示2000年我国石油资源煤,经过粗碎、超细磨、絮团、多次精选、压滤而进口依存程度已达30%,在未来20年内可能达到成。最后制取的超纯煤灰分为0.95%,超纯煤粒度40%以上,如不采取切实可行的措施,将严重影19%小于1027μm(表1),低热值为1528MJkg响我国国民经济的建设进程。表1为用马尔文激光粒度分析仪测取的制浆用超纯煤浆是20世纪80年代发展起来的低污染、高煤粒度分布数据。效率的煤基流体燃料,具有和柴油、重油等液体燃表1制浆用超纯煤粒度分布数据料相似的流动性、可雾化性。煤浆技术的研究,是粒度值近年来开展以煤代油技术研究的热点之一。20世纪0480.711041.522.233.2780年代到90年代美国通用汽车公司、通用电气公布033417.70114516412530司、 Cooper能源系统公司、底特律柴油机公司及西南研究所在柴油机上对煤基代用燃料的燃烧进行了一4.797.0110271505220432.29大量的试验研究,主要集中在燃烧过程组织较容易的低速、大功率柴油机。我国通过“六五”、“七五粒径分布394658279279.719921100和“八五”攻关,常规水煤浆已成功替代重油在油注:表中粒度分布为粒径小于粒度值的颗粒的百分含量锅炉上燃烧,实现了工业应用,取得了较大的经济效益2,但在柴油机上替代柴油的研究尚未进行。超纯煤制备完备后,在超纯煤中按比例加入水、精细油水煤浆是近年来在“六五”、“七五”和“八0号柴油和添加剂(分散剂、乳化剂),用高速搅拌器五”玫关基础上开发的一种替代柴油的精细煤浆燃充分搅拌,即得到试验用精细油水煤浆。为了对比料,具有像柴油一样的流动性、稳定性和可雾化性试验,制取了两种成分的精细油水煤浆M28、M30其制浆煤的粒度更细(平均颗粒直径小于10μm)表2为试验用两种精细油水煤浆成分配比。测取的灰分特别低(小于1%)。精细油水煤浆流变特性如图1所示,由图1可以看出M28、M30为塑性流体,且粘度值很低,在100s的剪切率下M28、M30粘度仅分别为22mPa·s和60mPa·s。河北工程学院博士基金资助项目(20030706)。20041026收到初稿2005年9月柴保明等:小型高速柴油机燃烧精细油水煤浆的试验研究191表2精细油水煤浆质量成分配比表3发动机主要技术参数煤浆水油热值添加剂浆油w%w%wo%Q(J·kg)w%价格比缸径Dmm95M2819528.150930718.1130.70缸数M3030737.71.3行程dmm注:①在相同热值条件下,按煤的价格400元吨,油的价格3600元吸气方式自然吸气吨计算冷却方式强制水冷转速m(rmin)标定功率PkW152供油提前角/c喷油压力pMPa柱塞直径dmm喷嘴形式轴针式压缩比喷油泵柱塞式剪切率k/s132尽图2发动机性能试验台架1.精细煤浆2.柴油3.温度传感器二次仪表4.KM00废气分析仪剪切率k/s15.转速显示仪6.废气分析仪探头7.烟道8.热点偶9.转速传感器(b)M3010.电涡流测功器11.连轴器12.发动机13.喷油泵14.三通图1精细油水煤浆的流变性3发动机的动力特性试验2试验测量系统3.1最大循环供燃料量发动机的动力特性试验由于精细油水煤浆中纯净煤的热值低于柴油,柴油机选用国产S-195涡流室式柴油机,其参而煤的燃烧速度比柴油低,燃烧强度略低于柴油。数如表3所示。为了考察柴油机燃烧精细油水煤浆的动力性,在喷原柴油机的燃料供给系统是为柴油的供给与雾油泵供油量调到最大时,分别在不同转速测取了柴化而设计的,采用的是柱塞泵一高压油管一喷嘴系油机可以达到的最大功率,表4为测试结果。从表统。柴油机燃烧精细煤浆时,精细煤浆中包含煤的4中可以看出燃烧M8,在转速达到200r/min时,颗粒,这些煤颗粒在泵送、喷射过程中,很容易进可以达到的最大功率为90kW,燃烧柴油在20入柱塞偶件和针阀偶件的配合间隙中,造成柱塞偶rmin时达到最大为96kW。燃烧精细油水煤浆的件和针阀偶件的磨损,使柴油机的燃料供给系统不最大功率约为燃烧柴油的93%能正常工作。为此采用高压油封润滑原理对柴油机32精细煤浆发动机的负荷特性试验的燃油供给系统进行了改造。为了考察柴油机燃烧精细油水煤浆经济性,测取了1600rmin时S-195柴油机燃烧柴油及M28、试验测量系统如图2所示,测功器的型号为CW-20电涡流测功器,废气分析仪型号为KM900。M30的燃料消耗量,并由此计算出了不同工况条件192机械工程学报第41卷第9期表4各转速下s195柴油机最大循环供燃料量达到的功率细油水煤浆M30时氮氧化物的排放明显低于燃烧柴油时氮氧化物的排放,最高排放浓度是燃烧柴油速m/(r·min)时的18%分析其原因是由于精细油水煤浆燃烧时,功率PkW7.2燃烧精细煤浆单位时间的放热率比柴油低,精细油转速n(r·min)18001900水煤浆水分在上止点时吸取部分热量,使燃烧达到油的最高温度值低。由于氮氧化物的生成量主要受最功率Pkw高燃烧温度的影响,使精细油水煤浆燃烧时,氮氧化物排放浓度较低。表51600r/min时S-1%5柴油机燃烧柴油、M28、M30对比试验数据表61600r·min1S-195柴油机燃烧柴油、M28、M30氮氧化物排放浓度对比试验数据转矩MN·m)比燃料耗量g( gkw.h)590.85425转矩M(N·m)计算热效率力%28.65柴油NO2的排放浓度C106241比燃料耗量g(gW1655.65364NO的排放浓度c/0计算热效率n%17.821626.6NO2的排放浓度CM30比燃料耗量g(gkwh)78655709462720.8525.5NO2的排放浓度Cl53比燃料耗量gg·kw计算热效率n32.13L.7NO2的排放浓度C10°比燃料耗量g( gkW.h433.8M28计算热效率7yM28No的排放浓度C106NO2的排放浓度c10比燃料耗量g(gWh2)42455179计算热效率n%27.622.6NO的排放浓度C10NO2的排放浓度C10从表5可以看出,由于燃烧精细油水煤浆中水分的存在,在燃烧中产生微爆效应,使煤浆进一步42co排放特性试验雾化,使热效率提高,在低负荷时(柴油机输出扭从表7可以看出,在转速不变的条件下,随着矩小于20N·m)燃烧精细油水煤浆热效率略高于发动机负荷的提高,由于每循环供油量的增加,而柴油。但随着负荷的不断提高,精细油水煤浆的喷每循环进入气缸中的空气量基本不变,所以空燃比入量加大,由于精细油水煤浆的热值低于柴油,需降低,CO的排放浓度升高。在转速(1600r/min)喷入气缸煤浆的量远高于柴油(约髙于50%),使得气缸中煤浆燃气的空燃比小于柴油,使燃烧恶化,不变的条件下,燃烧精细油水煤浆M28时,CO的排放浓度达到最高为576×106。燃烧精细油水煤浆降低了热效率。因此要开发精细油水煤浆发动机需要根据煤浆的燃烧特点,改造柴油机进气系统,M30时,CO的排放浓度最高为663×106。对比可加大进气量,提高进气涡流,加大煤浆燃油气的空以看出,由于燃烧精细油水煤浆时,可燃气体的空燃比较低,燃烧精细油水煤浆和燃烧柴油CO的排燃比,以提高燃烧效率放浓度相比略高。4排放特性试验表71600r/minS-1%5柴油机燃烧柴油M28、M30CO排放浓度对比试验数据为了考察柴油机燃烧精细油水煤浆的排放特转矩MN·m)10性,在相同工况下分别测取了柴油机燃烧不同燃料,尾气中有害成分的浓度,表6~8为测量结果41NO2排放特性试验从表6可以看出,发动机燃烧精细油水煤浆时43微粒排放特性试验氮氧化物的排放明显低于燃烧柴油时氮氧化物的排从表8可以看出,在1600r/min转速下,测得放燃烧M28排气中NO2最高排放浓度为85×106,的燃烧不同燃料的波许烟度,在相同工况下最高相2005年9月柴保明等:小型高速柴油机燃烧精细油水煤浆的试验研究193增加,但增加量不大。微观观察碳烟的成分,燃烧4何学良.内燃机燃料学,北京:机械工业出版社,199精细油水煤浆尾气中主要增加了无机物颗粒的排放5吴国光,油基水煤浆流变性的研究中国矿业大学学报,量,如要进行有机物和无机物定量分析,尚需进2001,23(6):608~610步研究。表81600 r/min S-195柴油机燃烧柴油RESEACH ON HIGH SPEED DIESELM28、M30微粒排放(BSU对比试验数据ENGINE FUELED WITH ULTRA-CLEAN转矩M(N·m)10MICRONIZED COAL OIL WATERSLURRYDepartment of mechanical and electrical5结论Engineering, Hebei Institute of Engineering,从在发动机试验台架上,对S-195柴油机燃烧Wang Zune Fu Xiaoheng精细油水煤浆M28、M30针对各个典型工况进行的(Department of Chemical and Environment系统试验,得出了如下结论:在小型高速柴油机上,Engineering, China University of Ming and燃烧精细油水煤浆是可行的且具有较好的动力性,Technology, Bejing 100083)最大功率达到燃烧柴油最大功率的93%:尾气中最 Abstract. Experiment results of a high speed diesel engine浓氮氧化物质量分数仅为柴油的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排放与燃烧柴油基本相当。研究表明精细煤浆是ultra-clean micronized coal oil water slurry is close to that of oil种具有广泛应用前景的柴油替代燃料。And the maximum output power of S-195 diesel engine fueled参考文献with UCMCOWS can achieve 93% compared with that fueledwith oil. The emission of Co and PM is some higher than that1付晓恒,柴保明精细煤浆制备与应用技术研究煤炭学 of oil,, whereas the content of No2 in the waste gas of报,2004,21(4):226~229UCMcowS is much lower. As alternate fuel for the diesel2国家九五科技攻关项目研究报告(5-2150104.煤炭深 engine the UCMCOWS may have a bright prospect.度物理加工技术的研究中国矿业大学(北京校区),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作者简介:柴保明,男,1964年出生,博士,副教授。主要从事内燃机international technical conference on coal utilization fuel代用燃料,内燃机燃烧过程与控制方面的研tems,2003,5E-mail:chaibm8203@126.com