微藻催化水热液化生物油的内燃机性能与排放预测：基于最小二乘回归模型的可持续燃料研究

本研究针对化石燃料短缺和环境污染问题，通过催化水热液化（HTL）技术将Arthrospira platensis微藻转化为生物油（APO），并评估其与柴油混合燃料（APO10/20/30）在内燃机中的性能、排放及燃烧特性。结果表明，APO10混合燃料的制动热效率（BTE）仅降低6%，CO和HC排放分别减少20%和6.2%，同时建立了预测混合比（R2=0.96）和负载（R2=0.9995）的回归模型。该研究为第三代生物燃料的工程化应用提供了数据支撑，对实现碳中和目标具有重要意义。

　　

随着化石燃料储量减少和环境污染加剧，开发可持续替代能源成为全球焦点。传统生物燃料面临"与粮争地"的伦理困境，而第三代微藻燃料因高生长速率和CO₂固定能力脱颖而出。然而，微藻生物质的高含水率使传统热化学转化效率低下，水热液化（HTL）技术因其直接处理湿生物质的优势备受关注。但HTL生物油存在氮氧含量高、热值低等问题，且缺乏系统的发动机适配性研究。

为解决这些问题，VIT大学的研究团队创新性地采用K₂CO₃催化HTL工艺处理Arthrospira platensis微藻，通过GC-MS和FTIR分析生物油组分，并在单缸柴油机（1500 rpm，压缩比17.5:1）测试APO10/20/30混合燃料的性能。研究运用最小二乘回归模型预测燃料参数，相关成果发表于《Results in Engineering》。

关键技术包括：1) 高压釜HTL反应（300°C，30分钟）；2) 生物油-柴油乳化工艺；3) 发动机台架测试（BTE/BSFC/EGT等）；4) 排放分析（CO/HC/NO_x/烟度）；5) 基于JMP Pro的多元回归建模。

研究结果
3.1 催化HTL生物油生产
在300°C、30 g K₂CO₃条件下获得46.7 wt.%最高生物油产率，H/C比1.41显示良好烃类潜力。GC-MS检测到42.17%含氮化合物（如吡啶衍生物）和18.31%直链烷烃（十七烷）。

3.3.1 性能特性
APO10的BTE（33.65%）最接近柴油（34.32%），但APO30因粘度增加使BSFC上升20%。EGT数据表明APO混合燃料燃烧温度降低2-4%，有利于减少热损失。

3.3.2 排放特性
APO30展现最佳环保性能：CO减排27.9%（0.075% vs 柴油0.104%），HC降低9.1%，烟度下降14.3%。但NO_x因氧含量增加而升高14.5%，印证"氮氧化物-氧含量正相关"理论。

3.3.3 燃烧分析
柴油峰值缸压（71.4 bar）高于APO10（70.3 bar），HRR差值达10.7%，反映生物油挥发性差异。滞燃期延长是APO混合燃料需解决的关键问题。

3.4 多元线性模型
HC(p=0.0028)、CO(p=0.0131)、EGT(p=0.0145)被确认为显著预测因子，负载预测模型R2达0.9995，RMSE仅1.11，为燃料优化提供量化工具。

结论与意义
该研究首次将催化HTL、发动机测试与回归建模相结合，证实APO10在保持90%柴油性能的同时可实现显著减排。尽管NO_x控制仍需改进，但202.11卢比/升的生产成本（可优化至150卢比）显示出产业化潜力。研究成果为"藻类-生物油-发动机"技术链条提供了从实验室到应用的全流程数据，对发展碳中和交通燃料具有示范价值。未来研究应聚焦氮化合物脱除工艺和高比例混合燃料的长期耐久性测试。