煅烧河蚌壳作催化剂制取生物柴油及其燃烧动力学特性研究

【摘要】本论文是在国家“863”项目“生物质清洁高效预处理关键技术研究”（2012AA051502）；河南省科技创新杰出人才计划（2014KJCXJCRC015）“生物质成型燃料清洁高效燃烧技术研究”和郑州市科技创新团队（131PCXTD588）“生物质能转化与利用技术研究”等项目的共同资助下完成。本文从催化剂的制备开始，研究了废弃河蚌壳经前期处理后在高温下煅烧制取固体碱催化剂。经对蚌壳的分解规律进行试验分析，发现在均匀升温过程中，河蚌壳中的有机物成分在287℃～383℃温度范围内已经分解完全，389℃～458℃范围时没有失重发生，有一轻微的放热过程，此时蚌壳由文石相转变为方解石相。温度上升到600℃时，蚌壳开始分解，直到850℃试样不再失重，DTA曲线变得平缓，CaCO3几乎完全分解。在分解的第二阶段，失重率近似为蚌壳中碳酸钙含量约为94.68%。煅烧温度为1000℃时，煅烧产物表面积达到最大。采用正交分析得出煅烧温度为1000℃、初始粒径120μm和保温时间1.5h是获得较大比表面积的最佳工艺条件。当煅烧温度为1100℃时，产物出现轻微熔融烧结现象，从而使比表面积稍有减小。参与反应的醇油摩尔比为12:1、催化剂占反应用油脂的质量百分比为4%、最佳的温度为65℃左右、反应保持时间2.5h和搅拌速度为400rpm时，生物柴油的产率达到最大98.6%。对各因素进行正交分析得出，催化剂用量、醇油摩尔比、反应温度、反应时间，搅拌速度对生物柴油产率的影响作用依次降低。虽然1100℃温度下煅烧的蚌壳发生微烧结现象，比表面积有所降低，但对C1000和C1100二者进行重复催化试验后表明，前者催化活性降低明显，并且二者在重复9次催化反应后，生物柴油产率仍在90%以上。这说明，催化剂的微烧结对防止CO2和H2O的毒化起到了很好的防护作用。经过对制备的生物柴油进行气象色谱测定，反应产物生物柴油纯度达到98.914%，得出生物柴油的平均分子量为C19H36O2。通过对生物柴油-柴油雾化特性的分析，以不同体积百分比含量的生物柴油与柴油混合，其雾化性能发生明显的改变。混合燃料空间雾化形态随着生物柴油含量的增加，雾状发散性逐渐减弱，雾锥角也逐渐减小，喷雾射程逐渐增加。喷油压力和环境压力的改变对混合燃油的雾化影响显著，随着喷油压力的增大，混合燃油锥角减小，喷雾射程增大，雾滴粒径变小；随着环境压力的增大，喷雾锥角增大，射程变短，雾滴粒径变小；随着喷油器喷孔孔径的增大，喷雾锥角减小，射程增长，微观雾滴粒径增大。混合燃料燃烧动力学特性主要从以下几方面进行研究：（1）柴油机的有效耗油率随着混合燃料中生物柴油含量的增加而增大，有效热效率则稍有降低。NOX排放则随着生物柴油的增多而增加，但生物柴油%<40%的混合燃料NOX排放增加并不显著，差别不大；PM、HC和CO的排放随着生物柴油含量的增多明显减少。（2）随着喷油定时的推迟，混合燃料的有效热效率逐渐降低，耗油率增大，NOX排放逐渐减少，PM和HC排放逐渐升高，CO的排放三种燃料不尽相同，BD20燃料CO排放先减少后增多，BD40和BD60燃油的CO排放则是随着喷油的推迟而减少。（3）排气再循环能够降低混合气中的氧浓度，可以降低燃烧温度，能够有效破坏NOX的生成条件，但EGR%大于30%后，燃烧逐渐恶化，有效热效率降低，耗油率升高。在EGR%<30%的循环条件下，随着排气循环率的增大，NOX和PM逐渐减少，CO和HC的排放先减小后增多，总体排放量均在标准范围内。（4）进气压力越大，气缸混合气的比热容增大，温度降低；进气压力越高越容易形成混合气，雾化效果越好，燃料燃烧越充分，放热率增大，并且能够产生局部高温区。两方面原因致使缸内平均温度变化不大，进气压力对NOX的排放影响不大。对于同一混合燃料，EGR循环率相同的情况下，随着进气压力的增加，HC的排放先增多后减少，CO的排放在废气循环率较小的时候变化不大，当EGR%>25%后，随进气压力的升高，CO的排放量明显增加。（5）喷油压力升高，NOX和PM的排放呈下降趋势，HC排放在低EGR循环率时随喷油压力的升高而减少，在高EGR循环率时，HC排放随喷油压力升高而增加，对于BD20和BD40燃料，CO的排放则是随着喷油压力的升高而减少。而BD60的CO排放随喷油压力升高而增多，主要因为此时的混合燃料雾化效果较差使燃烧变差所致。（6)通过对三种工况下燃用5种不同生物柴油含量混合燃油的平均有效压力、最高爆发压力、指示功、NOX排放、CO排放和耗油率等5项特性指标参数进行了模糊评估。采用变异系数法求出各参数权重值，并对各工况下的实验参数进行归一化处理。模糊评估结果为BD30为最佳，其在动力性、典型有害气体的排放和经济性方面表现最好。
【作者】张义俊；
【导师】刘圣勇；
【作者基本信息】河南农业大学，农业生物环境与能源工程，2014，博士
【关键词】河蚌壳；生物柴油；喷雾特性；燃烧动力学；

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