第41卷第9期機械工程學(xué)報Vol, 41 No 92005 $F 9 CHINESE JOURNAL OF MECHANICAL ENGINEERING Sep. 2005小型高速柴油機燃燒精細油水煤漿的試驗研究柴保明(河北工程學(xué)院機電系邯鄲056038)王祖訥付曉恒(中國礦業(yè)大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程系北京100083摘要:在臺架上對S-195柴油機燃燒精細油水煤漿進行了試驗研究。結(jié)果表明,精細油水煤漿的燃燒效率與柴油接近,S-195柴油機燃燒精細油水煤漿最大功率可達到原機的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)量分數(shù)遠低于燃燒柴油。精細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:精細油水煤漿潔凈煤柴油機代用燃料中圖分類號:TK4640前言1精細油水煤漿的制備我國的煤炭資源豐富,是世界上以煤為主要能精細油水煤漿用超純煤、油、水和少量添加劑源的國家之一,但石油資源相對短缺,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年我國石油資源煤,經(jīng)過粗碎、超細磨、絮團、多次精選、壓濾而進口依存程度已達30%,在未來20年內(nèi)可能達到成。最后制取的超純煤灰分為0.95%,超純煤粒度40%以上,如不采取切實可行的措施,將嚴重影19%小于1027μm(表1),低熱值為1528MJkg響我國國民經(jīng)濟的建設(shè)進程。表1為用馬爾文激光粒度分析儀測取的制漿用超純煤漿是20世紀80年代發(fā)展起來的低污染、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)料相似的流動性、可霧化性。煤漿技術(shù)的研究,是粒度值近年來開展以煤代油技術(shù)研究的熱點之一。20世紀0480.711041.522.233.2780年代到90年代美國通用汽車公司、通用電氣公布033417.70114516412530司、 Cooper能源系統(tǒng)公司、底特律柴油機公司及西南研究所在柴油機上對煤基代用燃料的燃燒進行了一4.797.0110271505220432.29大量的試驗研究,主要集中在燃燒過程組織較容易的低速、大功率柴油機。我國通過“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,實現(xiàn)了工業(yè)應(yīng)用,取得了較大的經(jīng)濟效益2,但在柴油機上替代柴油的研究尚未進行。超純煤制備完備后,在超純煤中按比例加入水、精細油水煤漿是近年來在“六五”、“七五”和“八0號柴油和添加劑(分散劑、乳化劑),用高速攪拌器五”玫關(guān)基礎(chǔ)上開發(fā)的一種替代柴油的精細煤漿燃充分攪拌,即得到試驗用精細油水煤漿。為了對比料,具有像柴油一樣的流動性、穩(wěn)定性和可霧化性試驗,制取了兩種成分的精細油水煤漿M28、M30其制漿煤的粒度更細(平均顆粒直徑小于10μm)表2為試驗用兩種精細油水煤漿成分配比。測取的灰分特別低(小于1%)。精細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)院博士基金資助項目(20030706)。20041026收到初稿2005年9月柴保明等:小型高速柴油機燃燒精細油水煤漿的試驗研究191表2精細油水煤漿質(zhì)量成分配比表3發(fā)動機主要技術(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,按煤的價格400元噸,油的價格3600元吸氣方式自然吸氣噸計算冷卻方式強制水冷轉(zhuǎn)速m(rmin)標定功率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)動機性能試驗臺架1.精細煤漿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.熱點偶9.轉(zhuǎn)速傳感器(b)M3010.電渦流測功器11.連軸器12.發(fā)動機13.噴油泵14.三通圖1精細油水煤漿的流變性3發(fā)動機的動力特性試驗2試驗測量系統(tǒng)3.1最大循環(huán)供燃料量發(fā)動機的動力特性試驗由于精細油水煤漿中純凈煤的熱值低于柴油,柴油機選用國產(chǎn)S-195渦流室式柴油機,其參而煤的燃燒速度比柴油低,燃燒強度略低于柴油。數(shù)如表3所示。為了考察柴油機燃燒精細油水煤漿的動力性,在噴原柴油機的燃料供給系統(tǒng)是為柴油的供給與霧油泵供油量調(diào)到最大時,分別在不同轉(zhuǎn)速測取了柴化而設(shè)計的,采用的是柱塞泵一高壓油管一噴嘴系油機可以達到的最大功率,表4為測試結(jié)果。從表統(tǒng)。柴油機燃燒精細煤漿時,精細煤漿中包含煤的4中可以看出燃燒M8,在轉(zhuǎn)速達到200r/min時,顆粒,這些煤顆粒在泵送、噴射過程中,很容易進可以達到的最大功率為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時達到最大為96kW。燃燒精細油水煤漿的件和針閥偶件的磨損,使柴油機的燃料供給系統(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滑原理對柴油機32精細煤漿發(fā)動機的負荷特性試驗的燃油供給系統(tǒng)進行了改造。為了考察柴油機燃燒精細油水煤漿經(jīng)濟性,測取了1600rmin時S-195柴油機燃燒柴油及M28、試驗測量系統(tǒng)如圖2所示,測功器的型號為CW-20電渦流測功器,廢氣分析儀型號為KM900。M30的燃料消耗量,并由此計算出了不同工況條件192機械工程學(xué)報第41卷第9期表4各轉(zhuǎn)速下s195柴油機最大循環(huán)供燃料量達到的功率細油水煤漿M30時氮氧化物的排放明顯低于燃燒柴油時氮氧化物的排放,最高排放濃度是燃燒柴油速m/(r·min)時的18%分析其原因是由于精細油水煤漿燃燒時,功率PkW7.2燃燒精細煤漿單位時間的放熱率比柴油低,精細油轉(zhuǎn)速n(r·min)18001900水煤漿水分在上止點時吸取部分熱量,使燃燒達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,使精細油水煤漿燃燒時,氮氧化物排放濃度較低。表51600r/min時S-1%5柴油機燃燒柴油、M28、M30對比試驗數(shù)據(jù)表61600r·min1S-195柴油機燃燒柴油、M28、M30氮氧化物排放濃度對比試驗數(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計算熱效率n32.13L.7NO2的排放濃度C10°比燃料耗量g( gkW.h433.8M28計算熱效率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),使煤漿進一步42co排放特性試驗霧化,使熱效率提高,在低負荷時(柴油機輸出扭從表7可以看出,在轉(zhuǎn)速不變的條件下,隨著矩小于20N·m)燃燒精細油水煤漿熱效率略高于發(fā)動機負荷的提高,由于每循環(huán)供油量的增加,而柴油。但隨著負荷的不斷提高,精細油水煤漿的噴每循環(huán)進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高于柴油(約髙于50%),使得氣缸中煤漿燃氣的空燃比小于柴油,使燃燒惡化,不變的條件下,燃燒精細油水煤漿M28時,CO的排放濃度達到最高為576×106。燃燒精細油水煤漿降低了熱效率。因此要開發(fā)精細油水煤漿發(fā)動機需要根據(jù)煤漿的燃燒特點,改造柴油機進氣系統(tǒng),M30時,CO的排放濃度最高為663×106。對比可加大進氣量,提高進氣渦流,加大煤漿燃油氣的空以看出,由于燃燒精細油水煤漿時,可燃氣體的空燃比較低,燃燒精細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排放特性試驗表71600r/minS-1%5柴油機燃燒柴油M28、M30CO排放濃度對比試驗數(shù)據(jù)為了考察柴油機燃燒精細油水煤漿的排放特轉(zhuǎn)矩MN·m)10性,在相同工況下分別測取了柴油機燃燒不同燃料,尾氣中有害成分的濃度,表6~8為測量結(jié)果41NO2排放特性試驗從表6可以看出,發(fā)動機燃燒精細油水煤漿時43微粒排放特性試驗氮氧化物的排放明顯低于燃燒柴油時氮氧化物的排從表8可以看出,在1600r/min轉(zhuǎn)速下,測得放燃燒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:小型高速柴油機燃燒精細油水煤漿的試驗研究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)燃機燃料學(xué),北京:機械工業(yè)出版社,199精細油水煤漿尾氣中主要增加了無機物顆粒的排放5吳國光,油基水煤漿流變性的研究中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報,量,如要進行有機物和無機物定量分析,尚需進2001,23(6):608~610步研究。表81600 r/min S-195柴油機燃燒柴油RESEACH ON HIGH SPEED DIESELM28、M30微粒排放(BSU對比試驗數(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)動機試驗臺架上,對S-195柴油機燃燒Wang Zune Fu Xiaoheng精細油水煤漿M28、M30針對各個典型工況進行的(Department of Chemical and Environment系統(tǒng)試驗,得出了如下結(jié)論:在小型高速柴油機上,Engineering, China University of Ming and燃燒精細油水煤漿是可行的且具有較好的動力性,Technology, Bejing 100083)最大功率達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)量分數(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,2004,21(4):226~229UCMcowS is much lower. As alternate fuel for the diesel2國家九五科技攻關(guān)項目研究報告(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作者簡介:柴保明,男,1964年出生,博士,副教授。主要從事內(nèi)燃機international technical conference on coal utilization fuel代用燃料,內(nèi)燃機燃燒過程與控制方面的研tems,2003,5E-mail:chaibm8203@126.com