在MILD燃烧条件下，气旋流场的缩减

《Proceedings of the Combustion Institute》：Scale-down of a cyclonic flow field under MILD combustion

本研究系统表征了轮胎裂解油重质分数（TPO）及其与重质燃料油（HFO）混合物的液态燃烧、 cenosphere形成及固态氧化过程。实验表明，TPO液滴蒸发速率比HFO快1.5倍，生成的 cenosphere尺寸仅为HFO的36-43%，且具有更薄的（约10μm）多孔壁结构，导致其氧化速率快4倍。HFO/TPO混合燃料在保持良好互溶性的同时，使HFO粘度降低25%， cenosphere尺寸减少33%，并缩短了液态和固态燃烧时间，为两者协同利用提供了理论依据。

　　在当今全球能源需求不断增长的背景下，寻求可持续、清洁的替代燃料成为了一个重要议题。随着传统化石燃料的使用日益受到环境问题的限制，研究人员开始关注那些由废弃物转化而来的新型燃料，其中轮胎热解油（Tire Pyrolysis Oil, TPO）因其潜在的能源价值而备受瞩目。然而，TPO的重馏分由于其复杂的物理化学特性，尚未被充分研究。本文通过单滴燃烧实验，系统分析了TPO重馏分、重燃油（Heavy Fuel Oil, HFO）及其混合物的燃烧行为，揭示了其在蒸发和燃烧阶段的独特表现，并探讨了其在实际应用中的可行性。

TPO作为一种由废旧轮胎热解得到的液体燃料，具有较高的芳香烃含量，这使得其在燃烧过程中表现出与HFO不同的行为。研究发现，TPO重馏分在蒸发和燃烧阶段展现出与HFO相似的演变过程，但在液态消耗时间上显著缩短，约为HFO的1.5倍。此外，TPO生成的碳球（cenospheres）体积远小于HFO的碳球，仅为其大小的36%至43%。这些碳球具有中空结构，壁厚仅为10微米左右，呈现出海绵状的多孔结构，内部甚至存在大量的积碳。这种结构特征导致TPO碳球在氧化过程中表现出快速燃烧的特性，燃烧速度约为HFO碳球的4倍。相比之下，HFO的碳球燃烧过程更倾向于恒定直径阶段，其氧化速度较慢，成为燃烧设计中影响颗粒排放的关键因素之一。

TPO与HFO的混合物展现出良好的互溶性，无需添加共溶剂或表面活性剂即可实现均匀混合。这一特性对于实际应用具有重要意义，因为它可以简化燃料的处理流程，并提高燃烧效率。研究发现，不同浓度的TPO混合物对HFO的液态消耗时间影响不大，仅减少了约12%。然而，混合物显著降低了HFO的粘度，这对燃料的喷雾特性和燃烧稳定性具有积极影响。在燃烧过程中，混合物的碳球尺寸也比纯HFO减少约33%，并且其氧化速度更快，这归因于混合物中挥发性物质的增加所导致的碳球壁结构的改善。因此，TPO与HFO的混合不仅可以提升燃烧效率，还能有效减少颗粒排放，为实现更清洁的燃烧过程提供了新的思路。

在实验方法上，本文采用了单滴燃烧技术，模拟了喷雾火焰中的实际燃烧条件。通过控制高温（约1400 K）和低氧含量（0%或5%体积比，干基），研究人员能够观察到TPO重馏分及其混合物在蒸发和燃烧阶段的动态变化。实验中使用了高分辨率的光学设备和同步控制的测试系统，确保了数据的准确性和可重复性。此外，通过扫描电子显微镜（SEM）和能谱分析（EDX）对生成的碳球进行了详细的形态和元素组成分析，揭示了其内部结构与燃烧行为之间的关系。

在燃烧过程中，TPO重馏分的液态消耗阶段表现出两个不同的模式：模式I和模式II。模式I中，TPO滴在蒸发阶段经历了相对平稳的收缩过程，但在燃烧阶段由于其高挥发性，导致燃烧速率显著提高，同时在微爆（Microexplosion, MX）事件中表现出更高的膨胀和收缩比。而模式II则表现为更短的冻结蒸发阶段，随后出现多个微爆事件，且生成的子滴体积更大。这两种模式的差异反映了TPO在不同燃烧条件下的行为变化，同时也表明其燃烧过程具有较高的复杂性和不确定性。相比之下，HFO在燃烧过程中表现出更为稳定的燃烧模式，其液态消耗阶段主要由多个微爆事件主导，而TPO则由于其高挥发性，导致燃烧过程更加剧烈，且液态消耗时间更短。

在碳球的形态分析中，研究发现TPO生成的碳球具有更薄、更致密的壁结构，这与HFO的碳球形成了鲜明对比。HFO的碳球壁厚通常在20-30微米之间，而TPO的碳球壁厚仅为10微米左右，且内部结构更为多孔。这种结构差异不仅影响了碳球的燃烧速度，还决定了其在燃烧过程中的氧化路径。TPO的碳球在燃烧过程中迅速进入混合燃烧模式，氧分子通过其多孔结构快速扩散，从而加快了氧化反应的进行。而HFO的碳球则主要在恒定直径阶段燃烧，其氧化过程较为缓慢，成为燃烧设计中需要重点关注的问题之一。

此外，TPO与HFO的混合物在燃烧过程中展现出独特的特性。实验结果显示，混合物的碳球尺寸比纯HFO减少了约33%，且其燃烧时间也显著缩短。这一现象可以归因于混合物中挥发性物质的增加，使得碳球的结构更加疏松，从而提高了氧化反应的效率。在燃烧条件下，混合物的碳球燃烧速度比纯HFO快了约20%至30%，这表明TPO的加入可以有效改善HFO的燃烧性能。同时，混合物的液态消耗时间也比纯HFO减少了约12%，进一步验证了其作为HFO替代燃料的潜力。

从环境和经济角度来看，TPO与HFO的混合利用具有重要意义。一方面，TPO的高芳香烃含量使其在燃烧过程中产生大量积碳，而这些积碳在混合物中能够被更有效地氧化，从而减少颗粒物排放。另一方面，TPO的低粘度特性使得其在混合后能够更容易地被喷雾系统输送，提高了燃烧的均匀性和效率。此外，TPO的加入还能显著降低HFO的粘度，使其在高温下更易蒸发，从而改善燃烧条件。这些优势使得TPO/HFO混合物成为一种具有广阔应用前景的新型燃料。

在实际应用中，TPO/HFO混合物可以用于多种燃烧场景，包括工业锅炉、船舶燃料以及发电设备等。通过将TPO的高挥发性和HFO的高热值相结合，这种混合燃料能够在保证能源效率的同时，减少有害物质的排放，从而符合当前对清洁能源的迫切需求。此外，TPO的利用不仅有助于减少废弃物的堆积，还能为循环经济提供新的解决方案。通过将废旧轮胎转化为有价值的燃料，可以实现资源的再利用，减少对化石燃料的依赖，同时降低环境污染的风险。

综上所述，本文通过系统研究TPO重馏分及其与HFO的混合物在蒸发和燃烧阶段的行为，揭示了其在燃烧性能上的独特优势。TPO的高挥发性和多孔结构使其在燃烧过程中表现出更快的氧化速度，而与HFO的混合则进一步提升了其燃烧效率和环境友好性。这些发现为TPO在工业燃烧中的应用提供了理论依据，也为实现更清洁、更高效的能源利用提供了新的方向。未来的研究可以进一步探索TPO在不同燃烧条件下的性能表现，以及其与其他燃料的兼容性，以推动其在实际工程中的广泛应用。