生物柴油是以动植物油脂、餐饮废弃物等为原料与短链醇进行酯交换反应得到的一种清洁能源，因其环保性、可再生性引起人们的重视[1-3].生物柴油作为一种理想的替代燃料，与石油、煤等传统能源相比其生命周期中CO2、NOx、SO2 等排放物较少，对解决环境污染及能源枯竭等问题具有重大意义[4-5].近年来，国内外开展了大量的生物柴油的燃烧试验，Kumar 等[6]研究了添加剂对生物柴油燃料燃烧的影响，金属基添加剂，十六烷值添加剂，抗氧化添加剂和含氧添加剂有助于提高生物柴油的燃烧质量，但添加剂对于生物柴油其他性能指标的影响有待研究；Zhang 等[7]采用4 种不同类型的生物柴油燃料来研究脂肪酸甲酯(FAMEs)比例对船用柴油机排放和燃烧特性的影响，与纯柴油相比，生物柴油燃料的氧含量改善了缸内燃烧，减少HC 和CO 排放以及增加NOx排放，但在低负荷下效果一般.袁银男等[8]利用催化转移加氢法对大豆油生物柴油进行加氢反应，放热始点温度虽然提前了10 ℃左右，却增加其运动黏度导致燃烧前期雾化较困难；郑尊清等[9]在生物柴油内添加2，5-二甲基呋喃，对改善高负荷低温燃烧的CO和HC 排放作用显著，但在低负荷时掺混燃料效果不明显.
生物柴油的研究主要集中在内燃机及实验室燃烧方面，对于将其应用于炉窑内燃烧较少.Pereira等[10]在一大型实验室炉窑内进行生物柴油和柴油燃烧试验，用以评估生物柴油应用于工业炉窑内的可行性，研究结果证明了生物柴油工业炉窑应用方面的潜力，本试验以地沟油、小桐子油及其生物柴油和0#柴油为研究对象，研究其黏温特性，同时自行设计的雾化燃烧试验平台，利用高速摄像机对燃烧火焰图像进行信号捕捉，对捕获的燃烧火焰信号利用数字图像处理技术和Matlab 软件进行处理分析，研究燃油在炉内燃烧火焰体积、长度及火焰温度变化规律，为生物柴油的工业应用提供理论支持.
1 试验
1.1 试验材料与仪器
小桐子油、地沟油由云南盈鼎生物能源股份有限公司提供，小桐子油生物柴油、地沟油生物柴油利用碱催化酯交换法自制，0#柴油购买于中国石化有限公司；甲醇、氢氧化钠、石油醚等均为分析纯，由上海阿拉丁试剂公司提供，主要试验仪器如表1 所示.
1.2 试验装置与方法
1.2.1 燃烧试验平台
为了分析生物质燃油与0#柴油在炉窑内的燃烧特性，实验室自行设计搭建了雾化燃烧试验平台(见图1)，该试验平台主要由4 部分组成，分别为供油系统、燃烧系统、送风系统和制氧系统.
1.2.2 燃烧试验方法
本次试验如下：雾化压力(即燃油压力)p 为：0.6 MPa、0.8 MPa、1.0 MPa、1.2 MPa、1.4 MPa，过量空气系数α 分别为1.0、1.2、1.4、1.6 和1.8，试验过程中分别将雾化压力p 和过量空气系数α 作为自变量，两者进行交叉试验；同时当试验工况为1.2 MPa(雾化压力)、1.2(过量空气系数)、氧体积分数分别为24%、27%、30%、33%和36%时，计算出各燃油燃烧所需的助燃空气量，对不同氧体积分数的试验工况进行单因素试验分析.在试验进行前，首先令雾化燃烧试验平台的炉膛温度预热至300 ℃，同时设置助燃空气温度为20 ℃，燃油温度为80 ℃，采取人工点火方式.
2 结果与讨论
2.1 燃料黏温特性分析
液体黏度随温度变化的趋势称为黏温特性，而随着温度的升高，燃油的黏度呈下降趋势.图2 为5 种燃油的黏温特性变化曲线.
如图2 所示，随温度的升高，5 种燃油的运动黏度均呈下降趋势，但各燃油的下降幅度却各不相同，其中地沟油和小桐子油运动黏度减少量最大，这是因为相比其他3 种燃油，地沟油和小桐子油的组分中大分子物质和有机官能团占比较高，其内部结构容易受到温度的影响，温度越高，分子内部结构受到破坏，导致分子间的抗剪切能力减弱；黏度下降趋势越大，黏温曲线越陡.而柴油与生物柴油的运动黏度均小于10 mm2/s，且运动黏度随温度的变化趋势较小，黏温曲线比较平缓，受温度的影响程度小.温度升至90 ℃时，地沟油、小桐子油及其生物柴油的运动黏度与柴油相当，这是生物质燃油能够替代柴油，应用于柴油机正常运行的关键技术之一[11].
2.2 火焰特征参数分析
2.2.1 火焰燃烧体积分析
图3 是各燃油在相同工况条件下(雾化压力p 为1 MPa、过量空气系数α 为1.2)的火焰图像.
由图3 可得，实验条件相同的情况下，地沟油与小桐子油的火焰体积相差不大，地沟油的火焰体积稍小些；地沟油生物柴油与小桐子生物柴油均能稳定燃烧，且燃烧火焰体积差别较小；0#柴油燃烧时，火焰体积最大，火焰呈明显的上扬趋势且较为扩散.这种差异性是由各燃油的雾化特性造成的，与地沟油、小桐子油相比，地沟油生物柴油、小桐子生物柴油的雾化锥角较大，雾化贯穿距较长，且液滴的Sauter 平均直径较小，雾化质量相对较小[12]；与0#柴油相比，生物柴油的喷雾锥角比较小，喷雾贯穿距长，雾化质量相对较差[13].
以选取地沟油生物柴油为例，研究其火焰体积随雾化压力p 和过量空气系数α 的变化规律，沟油生物柴油不同工况下的火焰图片如图4 所示.
当在雾化压力p 分别为0.8 MPa 和1.0 MPa，过量空气系数α 从1.0 到1.8 时的试验工况下，地沟油生物柴油的火焰体积变化如图4 所示.由图4 可得，当雾化压力p 不变、过量空气系数α 逐渐上升时，值越大，地沟油生物柴油燃烧的火焰体积呈下降趋势越.主要是因为过量空气系数α 值越大，炉窑氧气含量就越大，旋流喷嘴喷出后的轴向和径向速度在空气流量增加后也明显提高，同时增强了空气与生物柴油液滴的混合程度，提高了雾化质量，燃油的燃烧更加充分，地沟油生物柴油雾化颗粒可快速完全燃烧，最终造成燃油的火焰体积减小.另一方面，当过量空气系数α 上升至一定值后，雾化液滴颗粒在较强的空气流场扰动下流速太高，破坏了燃烧的最佳条件，地沟油生物柴油液滴在蒸发不完全、燃烧不充分的情况下就被吹离火焰主体，而炉窑内空气量越多也就意味冷量越多，同时烟囱排烟量增加，造成了大量的热量损失，不利于燃油的燃烧.因此，地沟油生物柴油燃烧不充分进而导致火焰体积变小.
图5 为在过量空气系数α 分别为1.0 和1.2，雾化压力p 从0.6 MPa 增加到1.4 MPa 的试验工况下，地沟油生物柴油火焰体积的变化趋势.图5 所示，当过量空气系数α 保持恒定时，炉窑内的雾化压力p 越大，地沟油生物柴油的火焰体积减小.随着油压p 的逐渐增大，炉窑内的燃料油逐渐增多，生物柴油雾化颗粒的直径降低，降低了生物柴油雾化颗粒的生命周期(与液滴初始直径的平方成正比).因此，雾化压力越大，生物柴油雾化效果越好，燃烧更加充分，火焰体积减小.
2.2.2 火焰长度分析
本文在进行火焰长度测量时，先利用Matlab 软件对图像进行灰度化及二值化处理，然后利用灰度阈值分割法对图像进行计算，火焰处理过程如图6所示[14-15].
从燃烧器喷嘴出口处到火焰最顶端为火焰长度，根据笛卡尔坐标系，以(a，b)定义为喷嘴出口处像素坐标，假设高速摄像机捕获的火焰图像体积为M×N(火焰长度方向的像素总数设为N)，利用Matlab 软件对图像进行二值化处理，可得到火焰长度最大处的像素坐标(c，d)，将数据代入式(1)结果即为火焰实际长度l：
由于火焰无时无刻不在变化，高速摄像机只能捕获到火焰瞬时图像，因此，为减少实验误差，使测得各工况下的火焰实际长度更加准确，对每种工况下的火焰燃烧实际情况利用高速摄像机连续拍摄300 张图片，然后对300 张图片的火焰长度进行算数平均值求解，平均值即为该工况下火焰的实际长度.表2 所示的数据为各燃油雾化压力p 为1 MPa、过量空气系数α 为1.2 时的试验工况下的火焰长度l.
图7 为当雾化压力p 为1 MPa 恒定不变时，过量空气系数α 从1.0 增加到1.8 的过程中5 种燃油的火焰长度变化趋势，对比图4 可以得到，两图中的火焰长度变化规律一致，即5 种燃油的火焰长度均随着过量空气系数α 的增大而逐渐减小.同时可从图7 得出，相比其他4 种燃油中，在各试验工况下，地沟油的火焰长度最短，过量空气系数α 对0#柴油火焰长度的影响最大.
图8 为过量空气系数α 为1.2 恒定不变时，雾化空气压力p 从0.6 MPa 增加至1.4 MPa 过程中5 种燃油的火焰长度的变化曲线.图8 与图5 比较分析时图8 中所示的各燃油火焰长度的变化规律完全对应图5中火焰长度的变化规律，即5 种燃油的火焰长度均随着雾化压力p 的增大而逐渐降低.
2.3 火焰温度场分析
2.3.1 相同工况下各燃油温度分布
在轴线方向上不同位置的燃油火焰温度变化趋势如图9 所示，其中图中“0”位置表示燃烧器出口位置.图9 所示，5 种燃油的火焰温度的变化趋势基本一致，随着与燃烧器喷射口距离的增加呈现出温度上升至峰值后又迅速下降的变化趋势；在5 种燃油中，火焰燃烧温度最高的是0#柴油，最高可达1 021 ℃；而地沟油的燃烧温度最低，最低为596 ℃，生物柴油的温度介于两者之间.在燃烧器喷嘴出口的燃油液滴，因为采用旋流雾化的原因，导致燃油液滴分散不均，轴线处的液滴分布密度明显高于轴线外侧的液滴分布密度，此时的空气量无法满足燃料完全燃烧的条件，导致燃烧温度相对较低.随着液滴的不断前行，燃油液滴局部分布密度越来越小且逐渐分散，颗粒比体积逐渐降低，与空气接触混合程度更充分，导致燃油可完全燃烧，温度逐渐升高.另一方面，由于燃烧过程中存在上升浮力，火焰前端位置处的火焰主体向上偏移，火焰的高温区靠近顶端，因此，在轴线上对应的测点位置温度会降低.同时，5 种燃油中0#柴油的热值最高[16-17]，燃烧过程中释放的热量最多，且0#柴油组分中含有较多的碳，燃烧过程中易产生较多的碳烟，碳烟通过辐射传递效应传递大量的热量，因此，0#柴油在燃烧时火焰温度高于其他4 种燃油.
在轴线方向上，距离燃烧器喷嘴出口10 cm 处的5 种燃油沿径向方向的火焰温度变化曲线如图10 所示.图10 可得，5 种燃油在燃烧器喷嘴的轴线位置处温度达到最低值，随着与燃烧器中心轴线距离的增大，轴线两侧的温度均呈先增大后减小的趋势，并且在火焰外沿处温度达到最高值；轴线上部的高温区所占比例明显大于轴线下部，这是因为燃烧过程由于浮力的影响导致火焰前端上扬造成的.
2.3.2 不同工况条件下的平均火焰温度
为使5 种燃油燃烧火焰温度的描述更加具体化、整体化，对各种燃油的火焰燃烧温度进行算术平均，求解得到各种燃油火焰燃烧温度的平均值，火焰的平均温度越高就代表燃油放热率越大.5 种燃油燃烧火焰温度平均值随过量空气系数变化α 的曲线如图11所示.
由图11 可得，过量空气系数α 从1.0 增加至1.4的过程中，5 种燃油火焰的平均温度逐渐升高；当过量空气系数α 超过1.4 时，随着过量空气系数的增大平均火焰温度反而降低.这是过量空气系数越大，炉窑内的氧含量越高，为燃料的充分燃烧提供了条件，不仅使燃料燃烧更加充分，同时抑制了碳烟的生成量，降低了由于火焰辐射造成的热损失，导致火焰的燃烧温度不断升高.当过量空气系数继续增大时，过量的空气可能导致火焰主体比较分散，炉窑内的大量的空气会带走较多热量，所以导致燃油的温度出现降低的趋势[18].
图12 为不同氧体积分数下各种平均火焰温度曲线图，从图中可以看出炉内氧体积分数越大，各燃油的平均火焰温度就越大.原因是炉窑内氧体积分数的不断增大，增加了氧与燃油燃料分子之间的碰撞几率与接触面积，提高了燃料燃烧的速度，火焰温度升高.采用富氧燃烧技术后，因为氧含量突增，燃料完全燃烧对传统助燃空气的需求量减少，炉窑内部氮气体积分数降低，而氮气是燃料燃烧生成的废气中的主要成分，因此氧体积分数越高，氮气含量越低，生成的废气量大幅度降低，从而随废气损失的热量也逐渐减少，所以燃料的火焰温度升高.
3 结论
(1)温度越高，5 种燃油的运动黏度越小，地沟油和小桐子油的黏温曲线变化最剧烈，柴油与生物柴油黏温曲线变化比较平缓，运动黏度受温度的影响非常小.
(2)5 种燃油燃烧时，0#柴油燃烧时火焰体积最大，上扬趋势最为明显且较为扩散，生物柴油燃烧火焰体积居中；地沟油、小桐子油火焰体积最小；过量空气系数α 或雾化压力p 越大，5 种燃油的燃烧火焰体积及火焰长度均呈下降的趋势.在实验条件相同情况下，0#柴油火焰长度最大，生物柴油火焰长度次之，地沟油火焰长度最小.
(3)5 种燃油的火焰温度在轴线方向变化比较剧烈，均呈快速上升后迅速下降的变化趋势；轴线上面的高温区面积所占比例较大；在生物质燃油和0#柴油中，0#柴油的火焰温度最高，地沟油的火焰温度最低；过量空气系数α 在1.0～1.4 范围内增加时，随着α 的增大，生物质燃油和0#柴油的火焰平均温度升高；当α 超过1.4 时，过量空气系数越大，生物质燃油和0#柴油的平均火焰温度反而呈下降趋势；随着氧体积分数的增大，火焰平均温度升高且高温区有向燃烧器喷口方向移动的趋势.
