近共沸含水乙醇与生物质航空替代燃料混合及其对燃气PM2.5排放的影响规律

The academia is investing increasingly significant effort in the use of bio-jet fuels worldwide. Due to the relatively high viscosity, bio-jet fuels normally have poor spray atomization performance, and adding quasi-azeotropic hydrous (as opposed to anhydrous) ethanol is proposed as a method to improve the atomization and combustion characteristics. In addition, measurements of particulate matter emissions from gas turbine engines running bio-jet fuels are still limited, and the effect of hydrous ethanol addition on particle emissions is unclear so far. Based on the analysis of biofuel-ethanol-water ternary miscibility diagram, the limit of three phase miscibility is to be determined.According to Hess Law, a new method of measuring the enthalpy of vaporization of blended fuels is proposed. The link between the detailed chemical composition of parent fuels (Butyl butyrate as a representatitve bio-jet fuel and its hydrous elthanol blends) and the PM emissions is to be established.Sensitivity analysis will be conducted on some physio-chemical properties impacting different groups of PM emissions. The objectives are to provide experimental data for PM formation modellers, and to form a theoretical guideline on PM2.5 abatement strategies.

国内外对生物质航空替代燃料的研发力度持续增加。由于生物质燃料粘度大，喷雾特性差，拟采用添加近共沸含水乙醇（而非无水乙醇）改善喷雾与燃烧特性。另外，对生物质航空替代燃料微粒排放的研究还很有限，而含水乙醇的添加也会对微粒排放产生影响，这方面数据尚未见诸报道。本项目提出利用三相图几何解析，揭示油-醇-水三相相溶性规律；依据Hess定律，提出测定混合燃料的蒸发潜热的新方法；研究生物质航空替代燃料(以丁酸丁酯为代表)与近共沸含水乙醇混合燃料的详细化学组分与微粒详细化学组分的内在关联，并对影响各种类型微粒排放的燃油物化性能进行敏感度分析，为建立微粒生成的详细化学反应模型提供数据支持，为降低PM2.5排放策略提供理论指导。

国内外对生物质航空替代燃料的研发力度持续增加，PM2.5对人体健康的危害也引起持续关注。由于生物质燃料粘度大，喷雾特性差，本项目采用添加低成本近共沸含水乙醇（而非高成本无水乙醇）改善生物质航空燃料的喷雾与燃烧特性，对混合燃料的PM2.5排放特性进行研究。主要开展和完成的研究内容如下：以丁酸丁酯（生物质航空替代燃料）及其近共沸含水乙醇混合物为研究用油，通过ChemCAD软件基于UNIFAC模型所模拟得到的混合燃料的液液相平衡数据与试验数据实验比对，获得了-1.7℃、11.4℃、25℃和66℃下水-醇-油三相图中的相分离曲线，摸清了不同温度下近共沸含水乙醇与生物质航空替代燃料的兼容性情况，确定了不同温度下保证单相互溶的最大允许含水量；针对航空煤油/乙醇混合燃料进行了初步的研究，主要包括航空煤油与含水乙醇混合燃料的三相相溶问题、混合燃料关键理化参数如密度、粘度以及表面张力的测量、燃烧与排放性能等，将生物质航空替代燃料近共沸含水乙醇混合物与常规航煤（RP3）近共沸含水乙醇混合物的微粒排放比较；通过二维色谱质谱图谱及层析图谱测得生物质航空替代燃料近共沸含水乙醇混合燃油详细化学组分，通过离子色谱仪对不同实验用油的微粒排放物进行了测试，得到不同油品、不同工况下的微粒排放的详细化学组分信息，进一步得到了16种多环芳香烃（PAH）组分图谱与油品和工况的相关性；测定了丁酸丁酯按不同比例混入乙醇后的点火、熄火等燃烧性能与细颗粒物排放数目浓度等排放性能，分析了不同工况和不同乙醇含量对燃烧与排放性能的影响，详细解释了燃烧产生的气态污染物和固态细颗粒物的生成规律；进行了DoE模型敏感性分析，结果表明芳香烃会增大微粒数目排放，尤其是核态微粒。通过DoE分析找到同时使核态和凝聚态微粒排放最低的组合。本项目完成了预定研究任务，达到了预期研究目标，研究结果对生物质航空替代燃料PM2.5颗粒物排放研究有一定理论意义和应用价值。项目负责人以第一或通讯作者（学生第一作者）发表论文15篇，其中SCI论文11篇（Q1区8篇），申请并受理发明专利4项，获批1项。