乙醇煤油混合燃料热解特性实验研究

第30卷第9期工程热物理学报2009年9月JOURNAL OF ENGINEERING THERMOPHYSICS乙醇煤油混合燃料热解特性实验研究龚景松杨庆涛侯凌云钟北京(清华大学航天航空学院,北京100084)摘要本文实验研究了乙醇、煤油及其混合物的热解特性.利用气相色谱测量了其中氢气、甲烷、乙烯和一氧化碳的浓度.实验结果表明,燃料的热解率随温度的增加而增加.热解形成的气体中,乙醇热解得到的氢气浓度高于煤油,而甲烷和乙烯的浓度低于煤油.掺混乙醇后的煤油混合燃料热解时形成的氢气浓度随乙醇含量的增加而增加,对于在超燃冲压发动机中采用在煤油中添加一定量的含氧燃料(如乙醇、甲醇等)来解决着火和稳定燃烧问题具有很好的潜在优势关键词热解;氢气;煤油;乙醇中图分类号:O6432+1文献标识码:A文章编号: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引言基于超音速燃烧技术的超燃冲压发动机是当前乙醇、甲醇等)加热到一定温度时,燃料本身会发国内外研究的重点领域。各国相继开展了大量的研生热分解,得到含有氢气的可燃小分子气体(氢气、究工作,取得了大量的成果,特别是美国,2004年氧化碳、甲烷等),将此气体通入内燃机进气道中11月X-43A以接近10Ma数的飞行给超燃冲压可以有效改善燃烧,得到约10%的节油率,具有明发动机研究注入了新的活力.我国在此领域的研究显的节能效果.因此,可设想利用发动机的冷却壁也进行了几十年凹.目前,在高超冲压发动机的研面加热含氧燃料与煤油的混合燃料使其发生热分解,制中主要面临的问题是:稳定燃烧和冷却两大问题得到小分子气体,同时增加壁面热量的吸收,这样.特别对于碳氢燃料,如何缩短其着火延迟,确保有望达到既增加热沉又促进燃烧与火焰稳定的双重在有限长度的超音速燃烧室内实现碳氢燃料的点火目的与稳定燃烧就成为碳氢燃料超燃冲压发动机研制过本文的目的是研究乙醇和煤油混合物的热分解程中必须解决的首要问题。为此,提出了许多解决特性,得到典型热解产物的比例和随温度的变化方案.如采用双燃料方法,用携带的氢燃料引导碳规律氢燃料超音速燃烧,但由于氢的携带受到制约,方案并不是最好的。1实验系统在文献3]的研究中发现,将含氧燃料(二甲醚、中国煤化工个系统主要由电阻加收稿日期:2008-11-25;修订日期:200907-15CNMHG基金项目:清华大学基础研究基金资助作者简介:龚景松(1975),男,天津人,讲师,博士,研究领域为燃烧科学与技术1618工程热物理学报热炉、流量计、高压氮气瓶、燃料储存罐、过滤罐及测气体和标准气体的谱峰积分面积得到被测气体的连接管路组成。液体燃料装在存储罐内,通过高压含量。实验中测量了氢气、乙烯、甲烷、一氧化碳和氮气瓶为其加压.液体经过流量计后首先在预热炉二氧化碳气体的浓度(电阻炉)中被加热气化,之后和一定量的氮气混合一同进入电加热炉,电加热炉被预加热到一定的温度,在这里燃料和氮气的混合气被加热并且发生分解。热分解后的混合气经过过滤罐冷却以后被收集到气体采集袋中,并用气相色谱仪分析其中的主要气体的含量.采用不锈钢细管为加热管道,利用热电偶对测点的温度进行监控。其中T1监控预热炉的温度,T2焊接在细管上,测量管壁温度作为燃料图2乙醇热分解的典型色谱分析图谱(壁面温度813°C)热解的参考温度,T3用来监测加热炉的温度,避免Fig. 2 Typical chromatogram of ethanol pyrolysis温度过高而导致炉体损坏(wall temperature 813.C)LAAAAAAAAAAAA图3煤油热分解的典型色谱分析图谱(壁面温度820°C)Fig 3 Typical chromatogram of kerosene pyrolysis(wall temperature 820 C)从图谱来看,乙醇和煤油发生热分解后的气体LCD/FD的组成和含量不同,乙醇热解中氢气和一氧化碳浓度要高,而煤油热解的乙烯和甲烷的含量较高,主1.氮气瓶2.液体罐3.漏斗4、5.流量计6.预热炉要是由于两种燃料的化学组成不同所致7.加热炉8.过滤罐9.气相色谱仪10.计算机1. N2 tank 2. fuel tank 3. funnel 4, 5. flowmeter图4给出了热解气体中氢气的体积浓度随温度6. preheating furnace 7. heating furnace 8. filter的变化.从图中可以看出,乙醇热解产生的氢气含量9. gas chromatography 10. computer明显高于煤油热解的氢气浓度,在实验研究的温度图1实验系统原理范围内,可以达到25%,明显高于其它气体的含量Fig 1 Schematic diagram of experimental system而添加乙醇的混合煤油热解时氢气的含量也有一定实验中氮气作为伴气,既可以稀释高温的可燃程度的增加.从燃料特性可知,氢气具有着火延迟时气体,防止发生危险,又作为参照来增强实验结果间最短(微秒级)、火焰传播速度快、着火界限宽广的可比性在此实验台上开展了煤油、乙醇及其混合物的热分解特性实验,实验条件如下:煤油、乙醇及其混合物的流量均为20mL/min,氮气的流量为20L/h在混合物中,乙醇的体积比例分别为20%和40%,记为E20和E40.2实验结果及分析中国煤化工101o图2和图3为典型的乙醇、煤油热分解的气相色谱分析曲线.用气相色谱仪测量气体含量时,认CNMHG4m群气体中气度圆温度的变化规律为谱峰的积分面积与气体含量成正比,通过对比被Fig. 4 Variation of H2 concentration with temperature9期龚景松等:乙醇煤油混合燃料热解特性实验研究1619燃烧活化能低、点火能低、扩散系数大等优异性能。醇后CO浓度随乙醇含量的增加而逐渐增加因此可以推断,增加乙醇后的混合燃料利用冷却壁图6和图7分别给出了甲烷和乙烯的体积浓度面使其发生热解,可以改善发动机的着火和燃烧特随温度的变化.对于乙醇和煤油,热解中都会形成甲烷和乙烯,其浓度随温度的增加而增加,也就是说,随温度的增加,燃料的热解率在增加,这也是加入氮围,气的目的.甲烷和乙烯的量都是煤油的大于乙醇热解的量,在较高温度下,体积浓度基本达到了20%,这样的小分子气体加入到燃烧室中也能够改善燃烧过程由于测量仪器的限制,本实验中只检测了五种物质的浓度,热解过程是一个复杂的化学过程,必然会形成很多的气体组分以及会析碳出现,对比文献{4中的数据,可以发现在热解中氢气、甲烷和乙图5一氧化碳浓度随温度的变化规律烯是最主要的产物,从我们的实验也可以发现,这Fig. 5 Variation of CO concentration with temperature几种组分浓度的和已经达到约50%以上,加上所用的载气(氮气)的量,应该是气体的主要组成.当然围更细致的工作还需要进一步的研究3结论通过实验研究,可以得到如下的结论:(1)在同样的温度下,乙醇热分解中形成的氢气含量比煤油要高的多,CO的含量也要高很多;而甲烷和乙烯的浓度比煤油热解低一倍左右2)添加乙醇的混合燃料热分解中,在温度较图6甲烷浓度随温度的变化规律低时,氢气的含量和煤油热解区别不大,当温度提Fig6 Variation of CE4 concentration with temperature高后,氢气的含量随乙醇含量的增加明显提高.说明添加乙醇后的混合燃料在燃烧方面具有很好的潜力,配合发动机中主动冷却的使用,可以提高发动机的燃烧性能围参考文献门]乐嘉陵,胡欲立,刘陵.双模态超燃冲压发动机研究进展.流体力学实验与测量,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图7乙烯浓度随温度的变化规律2刘小勇超燃冲压发动机技术,飞航导弹,2003,(2):3842Fig. 7 Variation of C2H4 concentration with temperatureLIU Xiao-Yong. Scramjets Technology. Winged MissilesJournal,2003,(2):384图5给出了CO体积浓度随温度的变化。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,热解中形成了大量的CO,色谱测量Diesel Engine. Fuel, 2006, 85: 778-782中同时测量了CO2的浓度,但是很小,基本可以忽[4]K D Dahm, P S Virk, R Bounaceur, et al. Experimental略,这从图2和3中可以看出.而煤油中没有氧(或and Modelling Investigation of the Thermal Decomposi-decane. Journal of Analytical and Applied有少量的溶解氧),热解中基本不形成CO.添加乙中国煤化工CNMHG