（动力机械及工程专业论文）生物柴油喷雾特性与nox排放控制的研究.pdf

学位论文版权使用授权书 江苏大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期 刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件和电 子文档，可以采用影印、缩印或其他复制于段保存论文。本人电子文 档的内容和纸质论文的内容相一致，允许论文被查阅和借阅，同时授 权中国科学技术信息研究所将本论义编入中困学位论文全文数据库 并向社会提供查询，授权中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社将本论 文编入中国优秀博硕士学位论文伞文数据库并向社会提供查询。 论文的公布( 包括刊臀) 授权江苏大学研究， ：处办理。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用本授权书。 不保密囵。 指导教师签私：拗 2 0l1 年2j j161 1 下 面 叶t二 ： ， 名 2 签 年 名 作 叭 艾 2 论位学 分类号卫丝2 兰1 2 u d c 鱼2 11 垒 密级 编号 ! q 2 里坌旦堕q ! ! 鱼 博士学位论文 生物柴油喷雾特性与n 0 x 排放控制的研究木 叶丽华 申请学位级别墟士专业名称 动友扭越及工程 论文提交日期2 q ! q 生! q 且论文答辩日期2 q ! ! 笙2 且 学位授予单位和日期江蕴太堂2 q ! 兰生鱼且 答辩委员会主席 评阅人 2 0 1 0 年1 0 月 宰国家自然科学基金项目( 5 0 2 7 6 0 2 6 ，5 0 7 7 6 0 4 2 ) 江苏省自然科学基金项目( b k 2 0 0 6 0 7 9 ) 江苏大学高级人才基金项目( 0 7 j d g 0 7 5 ) c l a s s i f i e di n d e x ：t k 4 2 1 2 u d c ：6 2 1 4 p h d d i s s e r t a t i o n r e s e a r c ho nt h es p r a yc h a r a c t e r i s t i c s a n dn o xe m i s s i o nc o n t r o lo fb i o d i e s e l b y y el i h u a m a j o r ：p o w e rm a c h i n e r ya n de n g i n e e r i n g s u p e r v i s o r s ：p r o f y u a ny i n n a n j i a n g s uu n i v e r s i t y o c t o b e r , 2 0 1 0 摘要 摘要 生物柴油是一种优良可再生的柴油代用燃料，是国内外热点研究 的代用燃料之一。因为生物柴油原料来源的多样性，所以其理化特性 与石化柴油存在显著的不同，其中物性差异是引起燃料在雾化蒸发特 性和自燃特性上差异的原因。此外，虽然生物柴油发动机常规排放有 所改善( n o x 除外) ，但是目前法规未进行限制的非常规排放物特性 也不相同，这也是目前需解决的问题。本文针对生物柴油的喷雾燃烧 特性、排放特性进行了研究，主要工作内容及结论如下： 1 首先运用相位多普勒粒子分析仪( p h a s ed o p p l e rp a r t i c l e a n a l y z e r ，p d p a ) 测量系统对生物柴油、o # 柴油及其不同比例调合油的 喷雾场进行测量，研究了生物柴油及其调合油的雾化特性，得到了生 物柴油和o # 柴油及其不同比例调合油喷雾场油滴的速度矢量分布和油 滴粒径分布。结果表明：在油束的核心区过后，喷孔直径对雾化影响 比较大；小孔径的生物柴油雾化效果好；生物柴油雾化效果比o # 柴油 差，表现为索特平均直径较大；油泵转速高，生物柴油液滴的脉动速 度和索特平均直径就小。 2 基于高压共轨系统和定容弹比较了棕榈油生物柴油、麻疯树生 物柴油和0 # 柴油的喷雾特性。利用高速摄影机在定容弹内研究了喷雾 贯穿距离，喷雾锥角，喷雾体积等宏观的喷雾特性。燃油喷射压力分 别是6 0 m p a 、9 0 m p a 、1 2 0 m p a 、1 5 0 m p a ，周围环境气体( 氮气) 的密度 分别是1 2 6 0k g m 3 、2 4k g m 3 、3 5 6k g m 3 。结果显示：在相同的条 件下，柴油的喷雾体积等喷雾几何参数比棕榈油生物柴油和麻风树生 物柴油的要大。为了达到相同的喷射雾化程度，在相同喷射压力和喷 射环境密度的条件下，柴油的喷射时间是最少的。 江苏大学博士学位论文：生物柴油喷雾特性与n o x 排放控制的研究 3 运用喷雾燃烧多功能动态可视化试验装置，对生物柴油和0 # 柴油的喷雾燃烧机理进行了对比试验。研究结果表明：生物柴油的喷油 时刻较早，着火时刻提前，在早期预混燃烧阶段的燃烧速度大于o # 柴 油，而在扩散燃烧阶段的燃烧速度比o # 柴油低。通过分析不同比例的 混合燃料和喷油压力对生物柴油喷雾燃烧过程的影响，结果表明：混 合燃料喷油始点、着火时刻均有所提前，b 5 混合燃料的最高燃烧压力 比o # 柴油高且出现稍早；随着喷油压力的提高，燃烧持续期相应缩短。 较高十六烷值的大豆油甲酯( s o y b e a nm e t h y le s t e r ，s m e ) 的滞 燃期比o # 柴油约短1 0 左右，而与0 # 柴油十六烷值相当的地沟油甲酯 ( w a s t e d0 i lm e t h y le s t e r ，w o m e ) 的滞燃期则比0 # 柴油长5 。生 物柴油混合燃料的滞燃期随着混合比的增加呈现先减小后增大的趋 势，这是较高十六烷值引起的化学滞燃期的降低和较差的雾化蒸发特 性引起的物理滞燃期的增加共同作用的结果。同时表明在着火白燃特 性上，化学特性( 高十六烷值) 对着火提前的影响高于物理特性( 高 黏度) 对雾化不利的影响。 4 为了降低生物柴n 0 x 排放，开展了燃料改质( 微乳化法) 的研 究。燃料改质( 微乳化法) 是进行燃料重新设计的方法之一，它不但 可以降低生物柴油n 0 x 排放，而且是实现节能减排的重要途径。同时 研究了微乳化生物柴油对发动机性能和排放的影响。结果表明：在保 持y z 4 1 0 2 z l q 柴油机转速和功率不变的前提下，微乳化生物柴油的燃 油消耗率及热效率根据工况不同而发生变化；微乳化生物柴油能显著 地降低n 0 x 和烟度排放但h c 和c o 排放量升高。 关键词：生物柴油，喷雾，燃烧，高速摄影，氮氧化物，排放 i i a b s t r a c t b i o d i e s e li sa s u p e r i o r a n da l t e r n a t i v ef u e lf o rf o s s i ld i e s e l d e v e l o p m e n t a n dr e s e a r c h o fb i o d i e s e lh a v eb e e np a i dm o r ea t t e n t i o nt oi n t h el a s td e c a d ea l lo v e rt h ew o r l d s i n c et h e r ea r em a n yf e e d s t o c k so f b i o d i e s e l s ，p r o p e r t i e s o fb i o d i e s e l sa n dd i e s e ll e a d st od i f f e r e n t c h a r a c t e r i s t i c so fa t o m i z a t i o n ，e v a p o r a t i o na n di g n i t i o n a l t h o u g hu s i n g b i o d i e s e lw i l li m p r o v et h ee m i s s i o n so fd i e s e le n g i n ee x c e p tn o x e m i s s i o n ， c h a r a c t e r i s t i c so f u n r e g u l a t e de m i s s i o n sw h e nb i o d i e s e lu s e dm a yb e d i f f e r e n tf r o mt h o s eo fd i e s e l t h e r e f o r e ，n e c e s s a r yr e s e a r c hs h o u l db e c a r d e do u tt ou n d e r s t a n dt h e s ec h a r a c t e r i s t i c s t h i sp a p e r ，i n v e s t i g a t e st h e c h a r a c t e r i s t i c so fs p r a y ，c o m b u s t i o na n de m i s s i o n sa r ea l s or e s e a r c h e do f b i o d i e s e la n dd i e s e l e n g i n e t h e m a i nw o r k sa n dc o n c l u s i o n sa r e s u m m a r i z e da sf o l l o w s ： 1 f i r s t l y , s p r a yf i e l do fb i o d i e s e la n dm i x e df u e lw i t h0 并d i e s e li na m o d e lg a sc y l i n d e rw e r em e a s u r e db yp h a s ed o p p l e rp a r t i c l ea n a l y z e r ( p d p a ) l o t so fu s e f u ld a t aw e r ea c h i e v e ds u c ha sd i s t r i b u t i o n so ft h e v e l o c i t yv e c t o r sa n dt h ed r o p l e td i a m e t e r so ff u e ld r o pa n d c o n c e n t r a t i o ni n t h es p r a yf i e l do fb i o d i e s e l t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ed i a m e t e ro fn o z z l e h o l eg i v e sag r e a ti m p a c to na t o m i z a t i o na f t e rt h ec o r ea r e ao ft h es p r a y t h es m a l l e ro ft h eo r i f i c ed i a m e t e lt h eb e t t e rs p r a ye f f e c t c o m p a r e dw i t h f o s s i ld i e s e lf u e l ，b i o d i e s e lp e r f o r m e daw o r s es p r a ye f f e c t s a u t e rm e a n d i a m e t e ro fb i o d i e s e li sb i g g e rt h a nt h a to ff o s s i ld i e s e lf u e lu n d e rt h es a m e o p e r a t i n gc o n d i t i o n t h eh i g h e re n g i n es p e e di s ，t h es m a l l e rd r o p l e t d i a m e t e ra n df l u c t u a t i o nv e l o c i t yo fd r o p l e ta r e 2 t h i s s t u d y w a sp r e s e n t e dac o m p a r a t i v es p r a yc h a r a c t e r i s t i c s d i f f e r e n c eb e t w e e nd i f f e r e n tb i o d i e s e la n do “d i e s e lb yu s i n gac o m m e r c i a l h i g hp r e s s u r e c o m m o nr a i l i n j e c t i o ns y s t e m t h es p r a ym a c r o s c o p i c i i i 江苏大学博士学位论文：生物柴油喷雾特性与n o x 排放控制的研究 c h a r a c t e r i s t i c ss u c ha ss p r a yp e n e t r a t i o n ，s p r a ya n g l e ，a n ds p r a yv o l u m e w e r es t u d i e di nac o n s t a n tv o l u m ev e s s e lw i t hah i g h s p e e dc a m e r a f u e l s p r a yi n j e c t i o np r e s s u r ew a sv a r i e df r o m6 0 m p a t o1 5 0 m p a ，a n da m b i e n t g a s ( n 2 ) d e n s i t yr a n g ef r o m1 2 6 0k g m 3t o 3 5 6k g m 3 r e s u l t ss h o wt h a t d i e s e ls p r a yg e o m e t r i cp a r a m e t e r ss u c ha ss p r a yv o l u m ea r el a r g e rt h a nt h a t o fj a t r o p h af u e la n dp a l mf u e la tt h es a m es p r a yi n j e c t i o np r e s s u r ea n d a m b i e n tg a sd e n s i t y t oa c h i e v et h es a m es p r a ya t o m i z a t i o nl e v e l ，t i m e s p e n to fd i e s e ls p r a yi sl e a s ta tt h es a m ec o n d i t i o n 3 t h i ss t u d y ，b yu s i n gt h ed y n a m i cv i s u a lt e s td e v i c eo fm u l t i p u r p o s e s p r a yc o m b u s t i o n ，i sc a r r i e do u tt h r o u g hc o m p a r i s o nt e s t i n g o ns p r a y & c o m b u s t i o nm e c h a n i s mo fb i o d i e s e la n dc o n v e n t i o n a ld i e s e l ，a n da c o m p a r a t i v ea n a l y s i so ft h et w of u e l s r e s u l t ss h o wt h a tf o rt h eb i o d i e s e l ， f u e li n j e c t i o nt i m i n gi se a r l i e r ，c o m b u s t i o np h a s i n ga d v a n c e s ，a n di t s c o m b u s t i o ni sf a s t e ri nt h ei n i t i a lp r e m i x e dc o m b u s t i o ns t a g e ，b u ts l o w e r i nt h es p r e a dc o m b u s t i o ns t a g ec o m p a r e dw i t ht h ed i e s e lf u e l a n a l y z e dt h e e f f e c t so ft h r e ef a c t o r s ，f u e lc h a r a c t e r i s t i c s ，e n g i n es p e e da n di n j e c t i o n p r e s s u r e o nb i o d i e s e l i n j e c t i o na n dc o m b u s t i o np r o c e s s e s ，f o l l o w i n g c o n c l u s i o n sa r er e a c h e d ：f o rt h em i x e df u e l ，i n j e c t i o nt i m i n g a n d c o m b u s t i o np h a s i n ga d v a n c e ，t h em a x c o m b u s t i o np r e s s u r eo fm i x e df u e l b 5i st h e h i g h e s ta n do c c u r s a l i t t l ee a r l i e r w i t hi n j e c t i o np r e s s u r e i n c r e a s i n g ，t h ei g n i t i o nd e l a ya n dt h ec o m b u s t i o nd u r a t i o nb e c o m e s h o r t e r a u t o - i g n i t i o nc h a r a c t e r i s t i c sa n dg a s e o u se m i s s i o n sa r ei n v e s t i g a t e d s o y b e a nm e t h y le s t e r ( s m e ) ，w i t hh i g h e rc e t a n en u m b e r ( c n ) t h a nd i e s e l ， h a sa1 0 d e c r e a s eo fi g n i t i o n d e l a y ( i d ) a n dw a s t e do i lm e t h y le s t e r ( w o m e ) ，w i t hs i m i l a rc nt od i e s e l ，h a sa5 i n c r e a s eo fi dc o m p a r e d w i t hd i e s e l i na d d i t i o n ，i do fb i o d i e s e lb l e n d sd e c r e a s e sa tf i r s ta n dt h e n i n c r e a s e sw i t ht h ei n c r e a s eo fb l e n dc o n c e n t r a t i o n ，w h i c hm a yb ed u et ot h e c o n j u n c te f f e c t so fl o w e rc h e m i c a li df r o mh i g h e rc e t a n en u m b e ra n d i v h i g h e rp h y s i c a l i df r o mp o o ra t o m i z a t i o na n de v a p o r a t i o n t h i sa l s o i n d i c a t e st h a tt h ee f f e c to fc h e m i c a lp r o p e r t i e so ni g n i t i o ni sh i g h e rt h a nt h e e f f e c to f p h y s i c a lp r o p e r t i e so nt h ep o o ra t o m i z a t i o n 4 f u e lm o d i f i c a t i o n ( m i c r o e m u l s i o n ) i so n eo ft h em e t h o d so ff u e l r e d e s i g nf o rr e d u c i n gn o xe m i s s i o n ，a n da l s oo n ei m p o r t a n tw a yt os a v e e n e r g ya n dr e d u c eg r e e n h o u s eg a se m i s s i o n t h ee x p e r i m e n ts t u d y o f e n g i n ep e r f o r m a n c ea n de m i s s i o n sf u e l e dw i t ht h es t a n d a r dd i e s e l ，w o m e b i o d i e s e l ，m i c r o e m u l s i f i e dd i e s e l ，m i c r o e m u l s i f i e db i o d i e s e lo nt h e y z 4 1 0 2 z l qe n g i n ew e r ec o m p l e t e d t h er e s u l t ss h o wt h a t ，t h es p e c i f i c f u e lc o n s u m p t i o no fd i f f e r e n tf u e l sc h a n g ew i t ht h ed i f f e r e n tm o d e sb a s e d o nt h es a m ed i e s e le n g i n es p e e da n dp o w e r t h ee m i s s i o no fn o xa n d s m o k ee m i s s i o nd e c r e a s e o b v i o u s l y , b u th ca n dc oi n c r e a s eu s i n g m i c r o e m u l s i f i e db i o d i e s e l k e y w o r d s ：b i o d i e s e l ，s p r a y ，c o m b u s t i o n ，h i g h s p e e dp h o t o g r a p h y ， n o x ，e m i s s i o n s v 江苏大学博士学位论文：生物柴油喷雾特性与n o x 排放控制的研究 目 录 第一章 1 1 1 2 1 3 1 4 1 5 目录 l 者 论1 生物柴油的研究现状及发展趋势1 1 1 1 弓i 言1 1 1 2 生物柴油的国内外发展现状与趋势4 1 1 3 生物柴油的制备和性质6 生物柴油喷雾特性研究8 1 2 1 生物柴油的特性研究8 1 2 2 生物柴油的喷雾试验研究1 0 1 2 3 生物柴油的喷雾模拟1 3 柴油机排放控制技术的研究进展。1 6 1 3 1 排放法规1 6 1 3 2n o x 排放控制技术1 8 生物柴油在柴油机上的应用研究1 9 1 4 1 经济性和动力性1 9 1 4 2 生物柴油的燃烧与排放特性2 0 课题的研究意义和内容2 5 第二章生物柴油的理化特性和组分分析 2 7 2 1 理化特性分析2 7 2 2 组分检测与分析2 9 2 2 1 气相色谱j 质谱试验2 9 2 2 2 试验结果分析3 0 2 3 影响n o x 因素分析3 1 2 3 1 双键的数量和位置3 1 2 3 2 十六烷值3 2 2 3 3 含氧量3 2 2 3 4 弹性模量3 3 v 江苏大学博士学位论文：生物柴油喷雾特性与n o x 排放控制的研究 2 4 本章小结3 3 第三章基于相位多普勒粒子分析仪的生物柴油喷雾特性试验研究3 5 3 1 燃油雾化机理和p d p a 喷雾测量的基本结构3 5 3 1 1 燃油雾化机理的研究3 5 3 1 2p d p a 喷雾测量的基本结构。3 7 3 2 生物柴油p d p a 喷雾测量的试验装置及方案3 8 3 2 1 试验装置。3 8 3 2 2 试验方案。4 0 3 3 生物柴油p d p a 喷雾测量的结果4 0 3 3 1 网格的布置4 0 3 3 2b 0 - b 8 0 喷雾测量的结果4 1 3 3 3 生物柴油( b 1 0 0 ) 喷雾测量的结果4 4 3 4 生物柴油p d p a 喷雾测量结果分析5 0 3 4 1 喷孔物理参数对喷雾效果的影响5 0 3 4 2 喷射变量参数对喷雾效果的影响5 2 3 4 3 不同燃油对喷雾效果的影响5 4 3 5 本章小结。5 6 第四章基于高压共轨喷射系统的生物柴油喷雾特性研究5 7 4 1 高压共轨系统喷雾测试平台介绍5 7 4 1 1 高压共轨喷油系统5 8 4 1 2 喷油器。5 8 4 1 3 定容弹。5 9 4 1 4 高速摄像系统。5 9 4 2 基于m a t l a b 多孔喷雾图像处理程序开发6 0 4 2 1 程序开发背景。6 0 4 2 2 多孔喷雾图像处理软件的开发设计。6 0 4 2 3 多孔喷雾图像自动处理软件功能的实现6 1 4 2 4 多孔喷雾图像g u i 可视化处理程序设计。6 1 v n i 目 录 4 3 研究所用生物柴油的物化特性6 2 4 4 研究试验条件6 2 4 5 试验结果6 3 4 5 1 喷射压力对燃料喷雾特性的影响6 4 4 5 2 喷射环境气体密度对喷雾特性的影响7 0 4 5 3 燃料特性对喷雾特性的影响7 6 4 6 本章小结8 0 第五章生物柴油喷雾燃烧试验研究。 8 l 5 1 试验装置8 1 5 2 生物柴油与0 # 柴油喷雾燃烧过程比较8 2 5 2 1 喷油和着火过程分析8 4 5 2 2 燃烧过程分析8 4 5 3 不同参数对生物柴油喷雾燃烧特性的影响8 5 5 3 1 不同比例的生物柴油喷雾燃烧特性8 5 5 3 2 喷油压力对生物柴油喷雾燃烧特性的影响8 6 5 4 本章小结。8 7 第六章燃用微乳化生物柴油以降低n o x 排放 6 1 燃油制备及特性。8 9 6 1 1 试剂和仪器8 9 6 1 2 制备方法8 9 6 1 3 燃料的主要理化特性9 0 6 2 发动机性能试验9 0 6 2 1 试验设备9 0 6 2 2 试验方案9 1 6 2 3 发动机经济性分析。9 1 6 3 发动机排放试验。9 5 6 3 1 n o x 的排 孜9 6 6 3 2h c 的排放9 6 江苏大学博士学位论文：生物柴油喷雾特性与n o x 排放控制的研究 6 3 3c o 的排放9 7 6 3 4 碳烟的排放9 8 6 4 燃烧放热规律的试验分析9 8 第一章绪论 第一章绪论弟一早三百。下匕 1 1 生物柴油的研究现状及发展趋势 1 1 1 引言 人类社会在实现可持续发展的过程中，正面临着能源短缺与环境恶化的巨大 挑战，为此也就对内燃机节能减排性能不断提出新的更高的要求。石油资源的有 限性、温室气体c o 。排放的控制、能源的可持续发展和人类对环境保护的要求，使 得绿色的可持续的能源供给成为当今世界各国所面临的共同难题。 能源是经济发展和社会文明的物质基础。能源是经济的命脉。能源关系到国家 经济增长的成本，能源问题关系到国家安全和城市的可持续发展，得到政府密切 关注。对清洁能源开发利用的探索，目前我国还在起步阶段。 某种有潜质的新能源的发现与应用以及技术进步往往会促成社会发展的一次飞 跃。据预测，在2 1 世纪，以化石燃料为主体的世界能源系统将转化成以太阳能和 生物质能等新的世界能源系统。表1 1 和表1 2 分别列出了未来世界能源需求及预 测u 1 。 柴油作为一种重要的石油炼制产品，在各国燃料结构中占有较高的份额，已 成为重要的动力燃料。随着世界经济的发展和世界范围内车辆柴油化趋势的加快， 未来柴油需求量会愈来愈大，石油资源的短缺和人们环保意识的提高，大大促进 了世界各国加快柴油替代燃料的开发步伐，尤其是进入了2 0 世纪9 0 年代，生物柴 油以其优越的环保性能受到各国重视乜1 。 生物柴油是一种可再生，易于生物降解的清洁含氧燃料，既具有与石化柴油 相近的物化特性，又具有燃烧后污染物排放低、温室气体排放低等特点口1 。与石化 柴油相比，生物柴油在从燃料生产到消耗的全过程中，c o ：净释放量少( 考虑植物 生长过程中吸收大气中的c 0 2 ) ，而且具有无毒、可生物降解和可再生等特点，所 以用生物柴油作为燃料对于环境保护非常有利。从能量利用的本质上看，可以认 为是借助植物间接利用了太阳能。从促进农业生产发展、避免废弃食用油重新食 用、保护人民身体健康等方面看，生物柴油的开发利用也具有重要意义。从生物 江苏大学博士学位论文：生物柴油喷雾特性与n o x 排放控制的研究 柴油的价格来看，以转基因大豆油为原料制备的生物柴油，其价格与普通柴油基 本相当。我国沿海滩涂适宜种植锦葵等耐盐碱油料作物，推广生物柴油对解决三 农问题，实现“由开采能源到种植能源的转变，具有积极意义。 表1 1 未来世界地区能源消费状况( 2 0 0 4 2 0 3 0 ) t a b 1 1w o d dm a r k e t e de n e r g yc o n s u m p t i o nb yc o u n t r yg r o u p i n g ( 1 0 6 x 1 0 1 5l d ) 表1 2 全球各种一次能源消费及预测 t a b 1 2w o r l dp r i m a r ye n e r g yc o n s u m p t i o na n dp r e d i c t i o n 生物柴油与石油产品相比，还具有本质上的优势：生物柴油的理化特性与石 化燃料最接近，具有较高的十六烷值并含有氧元素，有利于改善发动机的着火和 燃烧性能，显著降低颗粒物和有害气体排放；具有较低的挥发性有利于减少燃料 的蒸发污染；可以利用已有的庞大的柴油储存和销售网络，便于推广使用。 生物柴油所具有的各种特性使得生产和推广应用生物柴油的必要性与优越性 显而易见。近十年来，生物柴油在世界范围内发展迅速。生物柴油在车用发动机 的应用方面，国外已经开展了系列的研究工作，德国和美国等国家都已经颁布了 生物柴油的标准口3 ，并围绕生物质柴油的燃料经济性、动力性、排放性和可靠性等 2 第一章绪论 开展了应用基础研究h 刊。这些研究为如何推动生物柴油的实用化提供了依据。我 国生物柴油的相关基础研究，特别是围绕车用柴油机的燃烧与排放方面，有关的 工作刚刚开展，初步得到了有关生物质柴油与传统柴油在经济性、动力性和常规 标准气体排放特性值的一些对比口刮，深入的基础和应用研究尚未全面展开。 在我国，随着经济的高速增长，特别是汽车工业的发展，对石油资源的需求 量大幅增加。据国际能源机构预测，2 0 2 0 年中国石油需求将有6 0 依赖进口，而 随着越来越多消费者购买汽车，到2 0 3 0 年，这一比例将达到8 0 。汽车是石油的 消耗大户。2 0 0 7 年我国的石油消耗量为3 8 8 亿吨，汽车消耗约占三分之一。而截 至2 0 0 8 年，中国汽车保有量已达到了6 2 8 9 3 万辆，今后几年将以超过1 0 0 0 万辆 的年产量生产汽车，石油供应的负担越来越沉重。2 0 0 9 年汽车产销分别为1 3 7 9 1 0 万辆和1 3 6 4 4 8 万辆，成为全球汽车产销第一大国，同时国家推出“汽车摩托车 下乡 政策，进一步推进了汽车的销售。 自2 0 1 0 年5 月以来，我国柴油荒愈演愈烈。截至2 0 1 0 年1 0 月末，国内柴油 库存连续5 个月下挫，累计跌幅达到2 5 0 万吨或2 6 。中石化紧急进口柴油，中 石油原油日加工量首次突破4 0 万吨。新闻报道的“柴油市场批零倒挂重现、供应 持续紧张的一幕正在进一步加剧。随着突击式限电情形的增多，局部地区甚至 再度引发“油荒 。为此，中石化、中石油先后采取了诸多应急措施，柴油市场 才可能重归正常。 另一方面，汽车是环境污染的大户，其主要污染物有：c o 、h c 、n o x 以及微粒 ( p m ) 。据统计，我国的北京市c 0 ，h c ，n o x 、三种污染物中的6 1 ，5 5 ，8 7 阳1 来 自于汽车，上海市中心城区c o ，h c ，n o ) 【、三种污染物来自于汽车的比重为8 6 ，9 6 ， 5 6 n 们。燃用石化柴油的柴油机，其排放物中主要有害成分是n o x 和微粒，这在城 市大气污染物中占有很大比重。随着汽车保有量的增加，燃用石化燃料的汽车排 放污染物也将同趋严重。 为了解决这些问题，人们开发应用了代用燃料。代用燃料应具备以下特点： 资源丰富，价格合适；燃料的热值能满足内燃机的需要；有较好的排放特性；内 燃机的结构改动小，技术上可行；能量密度高，便于储存；对内燃机的可靠性没 有不良影响。较有前途的内燃机代用燃料有天然气、液化石油气、醇类燃料和生 物柴油等。 我国当前的生物燃料产业还主要着眼于第一代生物燃料，主要包括燃料乙醇 3 江苏大学博士学位论文：生物柴油喷雾特性与n o x 排放控制的研究 和生物柴油。另一方面生物柴油产业的发展也方兴未艾。2 0 0 6 年生物柴油总产量 超过了1 0 万吨，在2 0 0 6 - - 2 0 1 0 年间实施技术产业化，2 0 1 5 年后大发展，争取 在2 0 2 0 年生物燃料占交通燃料消费总量的1 5 。目前国内现状是粮食燃料乙醇原 料受限，没有富余植物用于生产燃料乙醇，但是我国潜在具有大规模生产生物柴 油原料的优势：含油树种种植土地资源多、菜籽油增产潜力大、棉籽油产量大、 回收废油资源广。 中国科学院、中国工程院闵恩泽院士多次撰文提议“以植物油为原料发展我 国生物柴油炼油厂”n 。“十五 期间国家已经立项对生物柴油的生产工艺和使 用性能开展研究，生物柴油的相关政策和生产研制的工作也相继开展，并取得了 小批量试制生物柴油的成果。 1 1 2 生物柴油的国内外发展现状与趋势 ( 1 ) 国外研究 目前，国外上有十几个国家地区生产销售生物柴油，生产国有美国、欧盟成 员国、阿根廷、马来西亚、印度和日本等，如表1 3 所示n 别。 近年来，美国和欧洲国家大力研究推广应用生物柴油，已建立了商品化生物 柴油生产基地，并将生物柴油作为代用燃料广泛使用。生物柴油可替代0 # 柴油直 接使用，也可作为柴油清洁燃烧的添加剂。仅德国2 0 0 5 年生物柴油产量就达到2 0 0 万吨以上。生物柴油的生产原料可以是菜籽油、大豆油等植物油，也可以是食品 加工业的废油。目前，德国市场上供应的柴油中已添加3 左右的生物柴油，并将 在5 年内逐步增加到8 左右。 美国是最早研究生物柴油的国家，生产生物柴油的原料主要是大豆油。以大 豆油为原料生产的生物柴油在美国生物柴油市场上的占有率达n 8 8 5 。生物柴油 已经成为美国产量增长最快的替代燃料。政府是生物柴油的最大用户，主要用于 具有集中加油的大巴和卡车运输公司。使用b 2 0 混合油的主要方面包括州政府车 队、城市公车、卡车和矿区等。美国生物柴油的售价约为石化柴油的2 倍，尽管 生物柴油的成本昂贵，但仍在大力推广使用，旨在保护生态环境和本国能源安全。 生物柴油使用最多的是欧洲，份额已占到成品油市场的5 。目前在欧洲用于 生产生物柴油的原料主要为菜籽油，生物柴油标准也主要是参照菜籽油生物柴油 标准品质制定的。2 0 0 4 年，欧盟共生产出1 9 3 万吨生物柴油，2 0 0 5 年增多j 3 1 8 万 4 第一章绪论 吨。推广力度最大的国家是德国，约占欧盟总产量的5 2 ，并且生物柴油已经应用 在奔驰、宝马等轿车上。德国现有9 0 0 多家生物柴油加油站，并规定在主要交通要 道必须销售添加生物柴油的柴油，2 0 0 8 年其零售价为每公升0 8 5 欧元( 折合人 民币7 0 6 元) 。另外，许多国家发布了相关减免税政策或者采用补贴制度，以便 提高生物柴油的竞争力，从而减少石油的进口量。 在亚洲，日本对于废食用油的再生利用一直十分重视。据报道，日本每年的 食用油脂消耗约为2 0 0 万吨，而废弃食用油达4 0 万吨，约占2 0 。日本原有的“废 食用油回收活动 主要是将废食用油回收后用来制造肥皂粉，从1 9 9 3 年起日本开 始了生物柴油的研究试验。目前日本推行使用生物柴油的措施有：启用以生物柴 油为燃料的社区公车；一部分食品配送车使用生物柴油为燃料；利用麦当劳、肯 德基等快餐店的废食用油制造生物柴油等。目前日本对利用废食用油作为原料生 产的生物柴油免税，以鼓励推广使用生物柴油。 表i 3 国外生物柴油的应用状况 t a b 1 3c u r r e n ta p p l i c a t i o no fb i o d i e s e li nt h ea b r o a