PDF《实现油耗、NOX 及碳烟同时下降的有效方式》

编辑尧 版式/王海霞 校对/王剑 圆园园7年9月5日星期三 栽藻造押渊园员园冤愿圆远员4612 耘原皂葬蚤造押maxiaolan2005岳126.

com B4 技术乳化油与氢气共同作用: 实现油耗、 NOX 及碳烟同时下降的有效方式 阴本报记者 刘峥毅 王海霞 北京机动车的保有量已经突破

300 万辆.8 月17 日到

20 日,为了确保

2008 年北京奥运会空气质 量测试的顺利开展,北京实行机动车单双号出行的 车辆限行措施,

4 天中每天约有

130 万辆机动车停 驶. 但据报道, 北京在实施限行措施的

4 天里, 虽然空 气质量都达到了良, 但污染指数也都上了 90;

8 月21 日车辆刚刚恢复正常行驶,空气污染指数又飙升到 属轻微污染的 116,与实施限行措施的前一天

16 日 的情况完全一样. 有人认为, 如果北京长期采用此类限行, 将可能 刺激消费者的用车需求―― ―一家拥有两辆车分别配 上单双号, 方便出行. 自今年

7 月1日起,全国范围内机动车已经开 始实施国Ⅲ排放标准.但从目前的情况看, 对于改善 空气质量,如果仅仅单方面对车辆强制推行国Ⅲ排放, 而难以提供满足国Ⅲ标准的高品质燃油, 这种油 车不匹配的矛盾从长远看不仅损及消费者权益, 更 难以达到真正减少废气排放的初衷. 对此,清华大学工程力学系燃烧研究室的傅维 镳教授认为, 要对乳化油燃烧给予更多关注, 因为在 柴油中掺水 20%~30%进行燃烧,可以使油耗、 NOX 及碳烟三者同时下降. 乳化油是指将燃油 (汽油、 柴油或重油) 70%~90% 掺水近 30%~10%, 再加添加剂 0.5%~1%, 而后通过专 用设备进行乳化所得. 由于 NOX 与碳烟的排放相互矛盾,即任何使 NOX 降低的措施, 都会使碳烟增加, 反之亦然.这已 成为内燃机真正实现降低排放的瓶颈.目前只有油 掺水燃烧能使两者同时下降. 傅维镳教授从

1995 年开始, 就从煤的燃烧研究 转到油掺水燃烧研究,对柴油机的清洁燃烧进行了 长达

12 年的研究. 他说, 在掺水量较大的情况下,柴油机燃烧室 温度降低, 从而使 NOX 与碳烟都下降;

同时通过催 化重整或燃料热解产生氢气的条件,可使油耗大幅 度下降. 对油掺水燃烧节能减排的工作原理,傅教授解 释说, 水的蒸发导致内燃机气缸温度下降,使NOX 排放量明显降低, 这是改善内燃机排放的重要途径. 而且由于水比油蒸发的速度快,它能起到把大油滴 变成小油滴的作用, 从而强化了燃烧 (这并非一般人 认为的 '

微爆'

现像) , 这是其节能的主要原因. 但加水 量最多不能超过 20%~30%, 过量反而达不到节能效 果. 过去, 美国、 日本以及欧洲等发达国家, 对乳化 油燃烧的研究结果表明, 其节油率仅仅在 4%左右, 这 明显是 节油不节钱 , 很难引起人们应用的兴趣, 这 也是油掺水研究发展缓慢的原因. 傅维镳教授告诉记者, 清华大学工程力学系 燃烧研究室经过

10 年的努力,现已能使柴油乳化 油通过添加乙醇(甲醇或二甲醚) ,使其净节油率 (扣掉甲、乙醇或二甲醚的能量消耗)达到 10%左右;

若不考虑乙醇 (甲醇或二甲醚) 的能耗, 单从柴 油的节油效果讲,其节油率可高达 15%~20%, 其 意义重大, 这将大大地延缓石油的耗烬.同时碳烟 基本消失, NOX 约下降 20%~30%, 使油耗、 碳烟与 NOX 三者同时下降. 他认为,目前国内普遍在汽油车中推广汽油加 乙醇的燃烧, 其实许多内燃机专家认为这种燃烧方法 并不可取.因为乙醇是一种含氧燃料, 它对消除碳烟 特别有效, 但NOX 稍增加.汽油机本来就不产生碳 烟, 只是 NOX 较高, 但乙醇对 NOX 不仅不降低, 反 而增加.乙醇对 CO 及HC 排放有好处, 但这对汽油 机不是最主要的, 而且并不节油. 相反, 柴油机的碳烟 排放较高, NOX 也高, 因此如果加入乙醇到柴油机中 更有利.如果将乙醇、 柴油和水混合成三元乳化液加 入柴油机中应用, 其节能率只有 3%~4%.如果将乙 醇通过排气道中高温排气加热 (若温度不够, 可加备 用电加热器进行加热以提高温度 ) ,这样将乙醇燃料 热分解后 (放出大量 H2 和少量 CO 或CH4 ) , 通过进 气道进入气缸就能使其净节油率达到约 10%左右, 突 破了乳化油在柴油机中燃烧的节油率 (约4%左右) 的 限制. 除了添加乙醇燃料外, 在进气道通入甲醇、 二甲 醚燃料也能达到同样效果. 这种方法简便、 可靠, 柴油机基本上不做改动. 建议可在柴油发电机组、 船舶或火车上的柴油机中首 先应用, 因为在这些领域, 启动后有较稳定的工作条 件, 如运营时间较长等, 有较大的空间可被利用. 等取 得了经验后再在汽车上推广. 这项节油的技术原理是 燃料 (甲醇、 乙醇、 二甲 醚) 热解制氢气 , 是氢气和乳化油燃烧共同作用才产 生良好的节油效果.以添加二甲醚燃料为例, 燃用含 水量 (质量) 15%的乳化油, 利用排气尾热再加上电阻 炉加热达到 700℃高温时, 在内燃机进气道通入二甲 醚后,纯柴油的油耗不断下降,其节油率最大可达 19%;

在扣除被消耗的二 甲醚以及电加热能量后, 净节油率 约10%. 傅维镳教授说, 燃料 受热分解产生氢气,这和 直接向柴油机供氢相比有 很大的优越性.因为直接 向柴油机供氢,氢燃料的 运输、存储和安全都是很 大的问题.燃料热解制氢 这种全新思路对于实际工 程应用非常有利. 此外, 他认为, 凡是能 加热分解出足量氢气的燃料,配合乳化油的燃烧, 都 可以在柴油机燃烧中获得较大幅度的节油. 傅维镳教授经反复实验后认为,在乳化油中加 醇、 醚燃料的燃烧方式中, 其中乳化油最佳含水量为 15%~29%,最佳乙醇(甲醇、二甲醚)的流量为 5ml/min, 这样就能达到最佳的节油效果 . 除了燃料热解制氢能向柴油机供氢外,傅维镳 教授说, 还有一种方式是 '

催化重整制氢'

, 即一般条 件下, 燃料 (纯柴油) 与水是不发生化学反应的, 但在 催化剂 (一般为镍基, 如金属镍) 的作用下, 在其表的 油及水蒸气在 400℃~500℃时能产生反应,把油和 水中的 H2 释放出来, 产生 H2 和CO.这也是获得氢 气的一种方式. 这项技术的研发成熟目前还仅局限于单缸柴油 机上, 傅维镳教授所在的研发小组目前正在作多缸机 实验, 预计今年年底能完成多缸机研究. 傅教授认为, 大型柴油机要做到大幅节油、 减少碳烟和 NOX 的排 放量, 改变以往柴油机傻大黑粗的形象, 现在只能依 靠水.我认为未来水是一种最好的替代物, 我们应格 外重视对水的研究. 即使技术成熟, 未来的市场推广也极为困难.这 项技术可以直接提供给终端用户使用, 如铁路、 船舶 码头等等, 但首先在理念上, 人们就有一个认识和接 受的过程;

同时在节能、 减排、 降低污染、 保护环境等 方面, 也需要政府出台鼓励使用的支持政策, 技术的 应用和推广才有可能. 此前,傅维镳教授还曾专门为了技术的应用去 了中国南车集团机车车辆厂, 这是一家大型的内燃机 车生产企业, 是中国铁路主要的轨道交通运输装备制 造和服务商. 但此行并没有取得良好的效果. 傅维镳 教授不无遗憾地说, 如果采用这项技术对机车进行 尾气改造, 每车大概只需投入几万元, 但年节省能源 支出能达到上百万元, 经济效益非常可观. 傅维镳教授最后表示, CO2 排放是最难解决的 问题, 而这是一种很好的降低 CO2 的方法, 根本不 同于水变油, 它掺入水, 节约的是燃料. 工况 100g 燃油的 燃烬时间 (s) 排烟温 度(℃) 排烟烟度 (Rb) 排烟中NOX (ppm) 柴油油耗 (g/kWh) 净油耗 (g/kWh) ①单纯用纯柴油 142.34

503 1.7

561 244.64 244.64 ②燃用 15%含水量 的乳化油 125.79

449 1.1

450 236.18 236.18 ③燃用 15%含水量 的乳化油及4.97ml/min甲醇 144.30

459 1.0

441 203.01 219.99 工况①和③之间比 较 几乎无变化 降低了 44℃ 降低了 41.29% 降低了 21.4% 降低了 17% 降低了 10.1% 附表: 进气道中喷甲醇蒸气的节油率对比 绎县区级

10 万元铺底货 (首期铺货

10 万元,

2 万元投资) 绎地市级

60 万元铺底货 (首期铺货

60 万元,

10 万元投资) 绎省市级

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2 万 商机无限 中国贵州茅台酒厂集团 酒系列产品诚征全 国各地省级、 市级、 县级独家总代理: 喜喜 (上接 B1 版)现在用压缩罐是不得已而为之, 氢是很 轻的气体, 300MPa 的高压氢不仅耗能、投资巨大, 而且有一定的危险,容量上也装不下供汽车足够里 程用的氢气. 三是加氢站基础设施配置是一大难题, 加氢站将来绝对不可能像现在的汽油站这样遍地开 花. 在他看来, 一定要理清我们的研究目的, 更重要 的是提高效率, 采用替代燃料, 改善环境.要实现这 个目的, 燃料电池汽车还差很远, 而燃料电池也不见 得最终能发展起来. 现在各种技术都在发展, 谁跑得 快谁就能赢, 燃料电池只是其中的一条跑道而已, 还 有提高柴油机、 汽油机经济性, 改善其排放, 甲醇、 二 甲醚、 弱轻强混合动力、 纯电动等多条跑道, 中国不 能一味注重单一模式发展. 我并非否定燃料电池, 而是要扎扎实实做基础 研究工作, 要把催化剂替代、 质子膜的制造工艺、 燃 料电池内部物理化学流动的机理、储氢技术等都做 到位, 别忙着吆喝产业化. 倪维斗向记者强调. 他谈到国外研究燃料电池企业的现状.如称得 上燃料电池研究鼻祖的加拿大巴拉德 ( Ballard) 动力 系统公司, 由于种种原因现在正逐渐亏本;

而美国通 用(GE ) 汽车公司就不如日本企业聪明, 或者受了美 国政府的影响,它........