极低硫燃料油与10%快速热解油和水热液化油混合后，在二冲程十字头发动机中的流变特性及发动机性能研究

《Fuel》：Rheology and engine performance of very low sulfur fuel oil blended with 10% fast pyrolysis and hydrothermal liquefaction oils in a 2-stroke crosshead engine

该研究评估了添加10%快速热解（FP）和热水解液化（HTL）生物中间体的超低硫燃料油（VLSFO）的粘度、发动机性能及排放。结果表明，生物中间体显著降低整体粘度，在中等及高负荷下提升制动热效率约1.5%并减少制动燃油消耗率约3.2%，且未超过燃料泵操作粘度极限（1.5 Pa·s）。老化测试显示FP10在90℃下粘度短期升高但长期稳定，HTL10在120℃下粘度随时间递增。结论表明FP和HTL生物中间体可作为VLSFO稳定掺合组分，适用于大型低速船舶发动机，且排放未显著增加。

　　本研究探讨了两种生物燃料——快速热解油（FP）和水热液化油（HTL）在与超低硫燃料油（VLSFO）混合后对单缸二冲程十字头发动机性能和排放的影响。这些生物燃料来源于生物质，并通过一定的工艺处理以降低氧和氮的含量，使其具备与传统重燃料油（HFO）相容的特性。研究的主要目的是评估这些生物燃料在长期储存和使用过程中对发动机性能的影响，并确保其在实际应用中的可行性。

### 生物燃料的来源与处理

FP和HTL油的制备基于不同的热解过程。FP油是通过在无氧条件下快速加热生物质制成的，其液体收率可高达75%。然而，FP油通常含有大量水分（最高可达25%）和酸性物质，同时含有高度反应性的含氧化合物，这些化合物在高温下容易发生聚合反应，从而增加油品的粘度。HTL油则是通过在高压高温条件下处理生物质，形成类似原油的产物，同时通过水解脱氧（hydrodeoxygenation）去除氧元素。HTL油的水分含量相对较低，但其碳氢比更高，意味着其密度较低，能量释放率较高，燃烧速度更快。

为了使这些生物燃料适用于船舶发动机，研究团队对FP和HTL油进行了部分升级处理，包括氢化、脱水和脱氧等步骤。升级后的油品可以更好地与VLSFO混合，并且在粘度、燃烧性能等方面更接近传统燃料。这些升级过程对燃料的物理和化学性质产生了显著影响，例如降低了粘度、减少了水分含量，并提升了燃烧稳定性。

### 粘度与老化测试

在实际应用中，燃料的粘度是影响其流动性和雾化效果的重要因素。研究中，通过在50°C、90°C和120°C下对燃料进行老化测试，观察其在不同温度和时间下的粘度变化。结果显示，VLSFO的粘度随着暴露时间的增加而逐渐上升，但未超过燃油系统泵的运行极限。相比之下，FP和HTL油在初期暴露阶段出现了显著的粘度上升，这可能与它们的低分子量组分发生反应或氧化有关。

在老化过程中，VLSFO和两种生物燃料混合物的粘度均呈现出随时间增加而上升的趋势，但FP10和HTL10在某些温度条件下表现出不同的变化模式。例如，在90°C下，FP10的粘度在初期迅速上升，随后又有所下降，这可能是因为某些长链分子被破坏或沉淀，从而降低了整体粘度。而HTL10则在整个老化过程中粘度持续上升，但其增长速度相对缓和。在120°C的高温下，HTL10的粘度在长时间暴露后反而高于VLSFO和FP10，这可能表明其在高温下的化学反应更为复杂，值得进一步研究。

### 发动机性能评估

为了评估这些燃料在实际发动机中的表现，研究团队使用了一台研究级的单缸二冲程十字头发动机进行测试。该发动机代表了用于商船的大型低速柴油机。测试包括低负荷、中负荷和高负荷三种工况，分别对应不同的转速和负荷设置。

在低负荷工况下，FP10和HTL10的燃烧行为与VLSFO相似，但其制动热效率（BTE）和制动比油耗（BSFC）略低于VLSFO。这可能是因为低分子量组分的加入导致了燃烧过程中的部分不完全燃烧，从而影响了燃料的利用效率。而在中负荷和高负荷工况下，两种生物燃料混合物表现出略优于VLSFO的性能，具体表现为更高的BTE和更低的BSFC。这种改善可能归因于低分子量组分的高反应性，有助于更高效的燃烧过程。

此外，研究还观察到，FP10和HTL10在不同负荷下的燃烧特性略有差异。例如，在中负荷和高负荷下，HTL10的燃烧曲线更为平滑，表明其燃烧过程更加均匀，而FP10则在某些阶段表现出明显的二次燃烧峰值。这种差异可能与两种燃料的化学组成不同有关，尤其是它们的碳氢比和氧含量。

### 排放分析

在排放方面，研究团队测量了不同燃料在燃烧过程中产生的二氧化碳（CO?）、氮氧化物（NO?）、一氧化碳（CO）和未燃烧的碳氢化合物（HC）。结果显示，HTL10在所有工况下均表现出较高的未燃烧碳氢化合物排放，这可能是由于其高挥发性导致的燃烧不完全。相比之下，FP10和VLSFO的排放水平较为接近，但在某些情况下，HTL10的排放略低。

在氮氧化物排放方面，FP10和HTL10在中负荷和高负荷工况下的排放水平与VLSFO相似，表明它们在燃烧过程中对氮氧化物的生成影响不大。而在低负荷工况下，HTL10的排放水平略低于VLSFO，这可能与燃烧过程中的空气燃料比（lambda）控制有关。总体而言，这些生物燃料混合物在排放方面表现良好，尤其是对颗粒物（PM）的排放控制较为有效。

### 实际应用前景

本研究的结果表明，FP和HTL油在与VLSFO混合后，能够满足船舶发动机的运行要求，并且在某些工况下甚至表现出优于传统燃料的性能。然而，为了确保这些生物燃料的长期稳定性和兼容性，还需要进一步优化其升级工艺，以减少水分和氧含量，同时提高其能量密度。此外，研究还指出，生物燃料在高温下的老化行为可能影响其在燃料系统中的表现，因此需要进一步研究其在不同温度条件下的稳定性和耐久性。

从实际应用的角度来看，FP和HTL油作为替代传统重燃料油的潜在选项，具有一定的可行性。它们的化学性质和物理特性可以通过适当的处理得到改善，使其更适合用于船舶燃料系统。此外，这些燃料的生产成本相对较低，尤其是当升级过程被简化或限制时，这为它们在航运行业的推广提供了经济上的支持。

### 研究意义与展望

本研究为开发可持续的替代燃料提供了重要的数据支持，尤其是在满足国际海事组织（IMO）关于降低硫含量的要求方面。通过与VLSFO的混合，FP和HTL油不仅能够降低硫排放，还能改善燃料的燃烧性能，减少颗粒物和其他有害物质的排放。然而，这些燃料的长期稳定性仍然是一个关键挑战，尤其是在高温和长时间暴露条件下。

未来的研究方向应包括进一步优化升级工艺，以提高生物燃料的性能和兼容性。此外，还需评估这些燃料在不同发动机类型和运行条件下的表现，以确保其适用于广泛的船舶应用。同时，考虑到这些燃料在高温下的老化行为，应进一步研究其在燃料系统中的长期运行效果，以确保其在实际应用中的可靠性和安全性。

综上所述，FP和HTL油作为生物燃料的候选者，具有成为未来船舶燃料的重要潜力。通过合理的升级和测试，这些燃料可以为航运行业提供一种更加环保和经济的替代方案，有助于实现碳中和目标，并推动可持续能源的发展。