基于Converge的F-T煤制油燃燒與排放特性數(shù)值模擬研究

強(qiáng)艷飛，吳雙群，張磊磊

(內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010000)

隨著我國(guó)汽車(chē)市場(chǎng)消費(fèi)潛力的挖掘，汽車(chē)保有量持續(xù)增長(zhǎng)。汽車(chē)數(shù)量的增長(zhǎng)帶來(lái)一系列環(huán)境以及能源問(wèn)題。在眾多新型清潔能源中，煤制油因具有提高內(nèi)燃機(jī)性能、降低排放污染的特點(diǎn)，成為了一種非常有潛力的替代能源。按照我國(guó)能源結(jié)構(gòu)的分布，在我國(guó)化石能源總儲(chǔ)存量中，占比達(dá)到94.6%的煤炭資源依然是我國(guó)一次能源消耗的主要燃料，并且短時(shí)間內(nèi)無(wú)法改變[1]。根據(jù)“十四五規(guī)劃”，生產(chǎn)低硫、低烯烴、低芳烴的超清潔油品以及高密度、高熱值、超低凝點(diǎn)的特種油品已經(jīng)成為提升石油自主多元供應(yīng)能力、保障國(guó)家能源安全的產(chǎn)能和技術(shù)儲(chǔ)備的主要方式[2]。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的發(fā)展，截止到2020年，我國(guó)的煤制油合計(jì)產(chǎn)能已超過(guò)923萬(wàn)t，在技術(shù)上完全實(shí)現(xiàn)了自主創(chuàng)新。國(guó)內(nèi)外對(duì)煤制柴油特性研究開(kāi)始于二十世紀(jì)二三十年代，我國(guó)于二十世紀(jì)九十年代中期開(kāi)始進(jìn)入跨越式發(fā)展階段，由實(shí)驗(yàn)室走向工業(yè)化生產(chǎn)。黃勇成等[3]在1臺(tái)單缸四沖程直噴式柴油機(jī)臺(tái)架上探究F-T煤制油對(duì)燃燒和排放的影響，發(fā)現(xiàn)燃用煤制油滯燃期較短，最高燃燒壓力和最大壓力升高率降低，排放物減少。王鐵等[4]在1臺(tái)渦輪增壓柴油機(jī)上燃燒F-T煤制油，并與0號(hào)柴油進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)柴油機(jī)燃燒F-T煤制油時(shí)燃燒更柔和，放熱速度更慢，壓力上升速度更慢，振動(dòng)噪聲更小。Nabi等[5]的試驗(yàn)結(jié)果表明：在不影響發(fā)動(dòng)機(jī)性能的情況下，燃用F-T煤制油的CO,HC,NOx,PM排放量和煙度均低于燃用柴油。炭煙排放減少主要是由于F-T煤制油在生產(chǎn)過(guò)程中將硫成分分離出來(lái)，而芳香族化合物的含量又極低，所以炭煙產(chǎn)生影響較少。Samavati 等[6]使用便攜式排放測(cè)量?jī)x(PEMS)對(duì)輕型車(chē)輛在不同車(chē)速下的CO,CO2,NOx,THC排放和燃油消耗進(jìn)行了研究，分別燃用F-T煤制油、普通柴油以及普通柴油與F-T煤制油混合燃料進(jìn)行測(cè)試，試驗(yàn)結(jié)果表明：相較于燃用普通柴油，燃用F-T煤制油CO，NOx，CO2的減排比例為23%，30%和20%，燃用混合燃料的減排比例為5%,24%和20%，但燃用F-T煤制油和混合燃料的THC排放略高；燃用F-T煤制油和混合燃料的體積油耗相較于燃用普通柴油分別降低12%和17%。吉林大學(xué)孫萬(wàn)臣等[7]通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)：與燃用國(guó)V柴油相比，燃用F-T煤制油有效功率降低，燃燒時(shí)最高溫度、最大壓力均降低；十三工況排放試驗(yàn)中,CO,HC和NOx的加權(quán)比排放量分別降低了51.42%，45.62%和14.35%；不同負(fù)荷工況下微?？倲?shù)量濃度、超細(xì)微粒和核態(tài)微粒的比例均有所下降。有鑒于此，本研究基于某款高壓共軌柴油機(jī)，結(jié)合三維CFD仿真模擬軟件Converge，在同一發(fā)動(dòng)機(jī)相同的噴油規(guī)律下，通過(guò)設(shè)置不同模型參數(shù)，對(duì)煤制油和柴油的動(dòng)力特性、燃燒特性與排放特性等進(jìn)行對(duì)比分析，從而探究煤制油應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性、燃燒性以及排放性。

1 研究對(duì)象

本研究運(yùn)用Converge仿真軟件，基于直列、四沖程、水冷、直噴、增壓中冷高壓共軌柴油機(jī)，對(duì)燃用煤間接液化柴油(F-T)進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，研究其動(dòng)力性能、燃燒和排放特性。發(fā)動(dòng)機(jī)主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

目前我國(guó)煤制油轉(zhuǎn)化途徑主要有以下兩種：第一種是煤直接液化技術(shù)(Diesel of Direct Coal Liquefaction)，第二種為煤間接液化技術(shù)(Fischer-Tropsch Diesel)。而F-T煤制油具有較高的十六烷值，燃燒比較柔和。所含重餾成分較少，蒸發(fā)速度較快，可以以任意比例與柴油融合。同時(shí)，F(xiàn)-T煤制油具有氮、硫、芳香烴含量較低，熱值較高，凝點(diǎn)、密度低的優(yōu)點(diǎn)，因此F-T煤制油具有更高的揮發(fā)性和更高的燃料反應(yīng)性及燃燒穩(wěn)定性[8-9]。其主要的理化性質(zhì)見(jiàn)表2。

表2 F-T煤制油的主要理化性質(zhì)

續(xù)表

2 模型設(shè)置及驗(yàn)證

2.1 模型構(gòu)建

利用表1的發(fā)動(dòng)機(jī)性能參數(shù)，構(gòu)建CAD燃燒模型(見(jiàn)圖1)。根據(jù)噴油孔的對(duì)稱(chēng)性選擇1/6模型，在保證計(jì)算精度的前提下節(jié)省計(jì)算時(shí)間。在此三維模型的表面生成1.4 mm的基礎(chǔ)正交化網(wǎng)格，在噴油嘴下方實(shí)現(xiàn)對(duì)速度、溫度的自適應(yīng)網(wǎng)格加密。對(duì)噴油嘴、活塞施加不同等級(jí)的網(wǎng)格加密，以適應(yīng)不同的梯度變化，提高模擬計(jì)算的精確性。

圖1 柴油機(jī)燃燒室模型

2.2 模型選擇及初始條件設(shè)置

Converge軟件具有豐富的噴霧模型、破碎模型、Kelvin-Helmholtz模型、Rayleigh-Taylor模型、LISA模型、TAB模型、霧滴碰撞和聚合模型、O’ Rourke模型等，包括了油滴在噴射過(guò)程中的飛濺、破碎、蒸發(fā)、沸騰等過(guò)程。詳細(xì)的化學(xué)燃燒模型無(wú)需指定經(jīng)驗(yàn)的火焰速度關(guān)系，采用簡(jiǎn)化的化學(xué)反應(yīng)機(jī)理和多區(qū)并行運(yùn)算，在保證仿真精度的前提下，使詳細(xì)的化學(xué)反應(yīng)計(jì)算速度顯著提升。本研究仿真模擬計(jì)算選擇的模型見(jiàn)表3。

表3 物理模型

主要試驗(yàn)設(shè)備有柴油發(fā)動(dòng)機(jī)、AVL電力測(cè)功機(jī)、轉(zhuǎn)角分辨率為0.1°的AVL燃燒分析儀以及分辨率為1×10-6的排放分析儀。試驗(yàn)環(huán)境的大氣壓力為101.9 kPa，溫度為18 ℃，濕度為18%，燃油溫度為300 K，選擇節(jié)氣門(mén)開(kāi)度為100%的全負(fù)荷工況。在仿真模型中，對(duì)活塞、缸內(nèi)、缸壁等部件賦予瞬態(tài)壓力值和溫度值，其數(shù)值與試驗(yàn)條件保持一致。邊界條件見(jiàn)表4。

表4 邊界及初始條件

2.3 模型驗(yàn)證

將正十四烷烴機(jī)理與異辛烷機(jī)理通過(guò)Converge仿真軟件的機(jī)理耦合模塊進(jìn)行相互耦合，最終生成81組組分、361個(gè)反應(yīng)的F-T煤制油燃燒機(jī)理。為了驗(yàn)證仿真模型以及機(jī)理的可行性，以耦合的F-T煤制油機(jī)理作為化學(xué)動(dòng)力學(xué)燃燒模型機(jī)理文件，對(duì)F-T煤制油的工作過(guò)程進(jìn)行仿真模擬。將不同轉(zhuǎn)速下全負(fù)荷工況有效功率的模擬計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)臺(tái)架結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。當(dāng)模擬值與試驗(yàn)值之間的誤差值不超過(guò)5%，則認(rèn)為所構(gòu)建的模型對(duì)于燃料的工作性能具有較好的預(yù)測(cè)性。試驗(yàn)與模擬功率對(duì)比見(jiàn)圖2。通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)兩者之間誤差均在3%以?xún)?nèi)，認(rèn)為構(gòu)建的燃料骨架機(jī)理對(duì)于F-T煤制油物化性能有較好的預(yù)測(cè)性，此模型可用于本研究柴油機(jī)的模擬仿真分析。

圖2 有效功率對(duì)比

3 結(jié)果分析

密度和熱值主要由鏈烷烴決定，F(xiàn)-T煤制油主要由密度較小、熱值高的鏈烷烴組成，與普通柴油相比，密度與熱值的乘積與-10號(hào)柴油相差不大，所以使用兩種柴油時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)無(wú)需作改動(dòng)。在噴油提前角為-9°，噴油持續(xù)期為12°的條件下，對(duì)柴油、F-T煤制油缸內(nèi)燃燒過(guò)程進(jìn)行模擬分析。

3.1 動(dòng)力性

由圖3可見(jiàn)，相比于普通柴油，燃燒F-T煤制油時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)有效扭矩降低。這是因?yàn)镕-T煤制油的密度低于柴油的密度，單位體積下F-T煤制油的質(zhì)量小于柴油的質(zhì)量，盡管柴油的低熱值略低于F-T煤制油，但柴油體積熱值更大，所以燃燒產(chǎn)生的熱量也更多。可通過(guò)調(diào)整噴油泵，增加循環(huán)供油量而在一定程度上增加發(fā)動(dòng)機(jī)功率[10]。在1 400 r/min時(shí)，F(xiàn)-T煤制油有效扭矩為144 N·m，功率為21.1 kW,而同轉(zhuǎn)速下柴油扭矩為146.7 N·m，功率為21.5 kW，其功率下降1.8%。在2 200 r/min轉(zhuǎn)速下，F(xiàn)-T煤制油相比于柴油有效功率降低6.4%，當(dāng)轉(zhuǎn)速升高至3 000 r/min時(shí)，F(xiàn)-T煤制油有效功率降低7.3%。因?yàn)镕-T煤制油有較高的十六烷值，餾程溫度低，難以燃燒的重餾分子較少，所以燃燒擴(kuò)散快、燃燒性能好。在進(jìn)氣量較少的燃燒初始時(shí)刻，F(xiàn)-T煤制油完全燃燒優(yōu)勢(shì)較為明顯，與普通柴油燃燒差異性較小。隨著轉(zhuǎn)速的升高，進(jìn)氣量增多，普通柴油也可達(dá)到完全燃燒，由于單位體積下普通柴油的熱值高于F-T煤制油(見(jiàn)表2)，所以產(chǎn)生的能量以及有效功率、扭矩均高于F-T煤制油[11]。因此，在柴油機(jī)低轉(zhuǎn)速的工作情況下，F(xiàn)-T煤制油有效功率、扭矩降幅較小，隨著轉(zhuǎn)速的升高，普通柴油也可完全燃燒，F(xiàn)-T煤制油有效功率和扭矩降幅增大。

圖3 燃用不同燃料時(shí)有效扭矩對(duì)比

3.2 燃燒性

圖4示出發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1 400 r/min、節(jié)氣門(mén)全開(kāi)的工況下缸內(nèi)壓力與點(diǎn)火放熱率的對(duì)比。由圖4可知，燃用F-T煤制油缸內(nèi)壓力低于普通柴油,滯燃期較短，擴(kuò)散燃燒階段放熱峰值較高。究其原因，F(xiàn)-T煤制油主要由直鏈烷烴組成，其滯燃期較短、著火性能較好，燃燒提前。同時(shí)較高的十六烷值會(huì)導(dǎo)致混合燃燒比例急劇下降。其次，較高的熱值、較短的噴油持續(xù)期促使速燃期增長(zhǎng)、緩燃期縮短，導(dǎo)致擴(kuò)散燃燒比例下降，缸內(nèi)溫度降低，最終缸壓降低。而對(duì)于放熱率，由于F-T煤制油較高的十六烷值、較短的滯燃期導(dǎo)致其蒸發(fā)、擴(kuò)散以及燃燒速率均較柴油大，因此其放熱時(shí)刻較早，預(yù)混階段噴油量較少促使預(yù)混放熱峰值較低[12-13]。在相同噴油量情況下，擴(kuò)散燃燒階段參與燃燒的燃油較多，又因其較低的餾程溫度，燃油中較少的重餾成分均會(huì)促使蒸發(fā)、擴(kuò)散的程度增大，同時(shí)單位質(zhì)量放出的熱量高于柴油，因此F-T煤制油在擴(kuò)散燃燒階段放熱峰值高于普通柴油。

圖4 燃用不同燃料時(shí)缸壓以及放熱率對(duì)比

由圖5、圖6可知，F(xiàn)-T煤制油的噴霧錐角以及噴霧貫穿距離與柴油差別較小，這是因?yàn)镕-T煤制油雖然餾程溫度以及燃油的黏度均小于柴油，但是其相比于柴油較小的密度會(huì)促使液相貫穿距離變短，不會(huì)對(duì)燃燒性能有較大的影響。但是通過(guò)圖5與圖6對(duì)比可知，F(xiàn)-T煤制油的霧化性能以及油氣混合程度均優(yōu)于柴油，其較低的餾程溫度加快了燃料蒸發(fā)霧化的速度，有利于氣相噴霧向前貫穿。而較低的黏度增大燃油噴霧出口的速度，縮短了燃油噴霧初次、二次的破碎時(shí)間。優(yōu)良的蒸發(fā)性會(huì)使F-T煤制油噴霧過(guò)程在高溫高壓的工作環(huán)境下產(chǎn)生氣體環(huán)流，減少燃油噴霧液滴向前貫穿的阻力，使液滴貫穿速度衰減幅度降低，獲得較高的貫穿率[14]，使噴霧前鋒更加容易向前貫穿，從而獲得優(yōu)良的霧化性能以及燃油混合特性。

圖5 不同燃料燃燒霧化性能對(duì)比

圖6 不同燃料的油氣混合分布對(duì)比

3.3 排放性

柴油機(jī)燃燒方式為擴(kuò)散燃燒，與汽油機(jī)預(yù)混合的火焰?zhèn)鞑ト紵煌?，因此排放有較大的區(qū)別。柴油機(jī)做功時(shí)，空氣被壓縮，在活塞上止點(diǎn)附近噴出高壓柴油進(jìn)行擴(kuò)散燃燒。當(dāng)噴油嘴噴出柴油的瞬間，因燃料油滴附近沒(méi)有空氣無(wú)法進(jìn)行燃燒，局部空燃比為0。隨著燃料液滴的霧化擴(kuò)散，與空氣混合進(jìn)行燃燒，較少的空氣、局部過(guò)量的燃料均會(huì)造成不完全燃燒，產(chǎn)生炭煙(Soot)。隨著燃料的完全燃燒，缸內(nèi)溫度持續(xù)升高，噴霧外側(cè)相對(duì)較少的燃油造成氧氣過(guò)量，產(chǎn)生大量的NOx[15]。F-T煤制油相對(duì)于柴油不同的理化性質(zhì)、燃燒過(guò)程均會(huì)導(dǎo)致在排放性能上產(chǎn)生差異。

3.3.1 炭煙

高溫缺氧的條件下，炭煙裂解為乙烯和聚乙烯，隨之聚合為直徑為20～30 nm的炭煙基元，通過(guò)疊加形成PM。隨著燃燒過(guò)程的進(jìn)行，空燃比增大，氧氣濃度升高，可以將局部因缺氧生成的炭煙氧化。但溫度降低時(shí)，炭煙不再氧化，排放趨于穩(wěn)定。隨著排氣門(mén)的打開(kāi)，溫度短時(shí)間內(nèi)迅速下降，氧化反應(yīng)趨于停止，炭煙排放出燃燒室。

圖7示出發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1 400 r/min，節(jié)氣門(mén)全開(kāi)的工況下，不同燃料的不同維度排放對(duì)比。由圖可知，F(xiàn)-T煤制油炭煙排放遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于柴油。在17°附近，柴油炭煙峰值排放量為0.42 mg，而F-T煤制油炭煙排放峰值為0.24 mg，降低了42%。隨著曲軸轉(zhuǎn)角的增大，炭煙濃度大幅度降低，生成區(qū)域開(kāi)始向氣缸內(nèi)移動(dòng)。從理化特性以及燃燒特性分析，F(xiàn)-T煤制油中硫和芳香烴含量極低，餾程溫度較低以及難以燃燒的重餾成分相對(duì)較少，加之其較短的滯燃期、較好的著火性以及揮發(fā)性，可以獲得優(yōu)良的與空氣的混合特性，保證在上止點(diǎn)快速燃燒，炭煙排放因而降低[16]。

圖7 燃用不同燃料時(shí)炭煙排放對(duì)比

3.3.2 氮氧化物(NOx)

發(fā)動(dòng)機(jī)排放物中氮氧化物的主要成分是NO，其生成機(jī)理見(jiàn)表5。其生成可分為高溫NO、激發(fā)NO以及燃料NO三部分。預(yù)混合燃燒形成的高溫環(huán)境會(huì)產(chǎn)生小部分的NOx，大部分NOx來(lái)自于擴(kuò)散燃燒過(guò)程[18]。在燃燒后期，持續(xù)的高溫環(huán)境會(huì)將氧氣分解，加快NOx的生成。

表5 NO生成機(jī)理

由圖8可知，在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1 400 r/min，節(jié)氣門(mén)全開(kāi)的工況下，在30°附近，兩種燃料NOx排放量達(dá)到了峰值，柴油NOx排放峰值約為0.67 mg,F-T煤制油NOx排放峰值約為0.46 mg,比柴油減少了31%。隨著曲軸轉(zhuǎn)角的變化，NOx到達(dá)峰值之后基本保持不變，這是因?yàn)樵?30°附近，燃燒溫度最高，生成的NOx最多。隨著燃燒的結(jié)束，溫度以較快的速度下降，反應(yīng)時(shí)間縮短，生成的NOx較少，基本可以忽略不計(jì)。由圖可知，燃燒F-T煤制油的NOx排放量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于柴油。從F-T燃料自身理化特性分析，其自身芳香烴含量極少，因此不會(huì)生成環(huán)狀烴隔絕高溫，燃燒室在較短的時(shí)間內(nèi)有較高的散熱率，促使缸溫偏低，破壞NOx生成的條件，從而降低NOx的生成量[18]。從F-T煤制油燃燒特性分析，其較高的十六烷值、較短的滯燃期促使預(yù)混階段放熱較少，擴(kuò)散燃燒放熱較多，降低了缸內(nèi)壓力升高率，較低的缸溫、缸壓抑制了NOx的生成。

圖8 不同燃料的NOx排放對(duì)比

4 結(jié)論

a) 在柴油機(jī)低轉(zhuǎn)速的工作情況下，燃燒初始時(shí)刻進(jìn)氣量較少，F(xiàn)-T煤制柴油完全燃燒優(yōu)勢(shì)較為明顯，所以F-T煤制油有效功率與柴油相比降低較少；隨著轉(zhuǎn)速的升高，進(jìn)氣量增多，此時(shí)F-T煤制油有效功率與柴油相比降低較多；

b) 在燃燒性方面，F(xiàn)-T煤制油較高的十六烷值、較低的滯燃期促使燃燒提前，因預(yù)混階段參與燃燒的燃油較少，所以放熱峰值偏低；燃油蒸發(fā)、霧化以及擴(kuò)散速度較快，燃燒性能優(yōu)良，擴(kuò)散燃燒放熱峰值較高，所以F-T煤制油燃燒霧化性?xún)?yōu)于柴油；

c) 在排放性方面，F(xiàn)-T煤制油相對(duì)于柴油炭煙、NOx排放均有所下降；在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1 400 r/min，節(jié)氣門(mén)全開(kāi)的工況下,F-T煤制油炭煙排放峰值較柴油下降42%，NOx排放下降31%。