轮胎热解油-柴油混合燃料液滴的气泡动态演化与蒸发微爆特性研究

《Journal of Hazardous Materials》：Investigation of bubble dynamic evolution and evaporation micro-explosion characteristics of tire pyrolysis oil-diesel blended fuel droplets

　　

• 表面坑穴成核主导了TPO-柴油混合液滴的气泡生成过程。• TPO比例的提高使成核位置向内偏移并增强了微爆炸的强度。• 提出膨胀度和膨胀速率来量化液滴膨胀行为。• 较大的初始液滴体积会延迟成核和最大微爆炸时刻。

**引言**

全球每年销售约15亿条新轮胎，相应地产生同等数量的废旧轮胎[1]。轮胎主要由橡胶（41%-48%）、炭黑（20%-28%）、钢丝帘线（13%-27%）、纺织纤维（4%-10%）和化学添加剂（7%-12%）组成[2]。由于设计用于承受剧烈机械载荷和恶劣气候环境，废旧轮胎的自然降解率极低，预计降解寿命为80-100年[3]。通过填埋或堆积方式处置废轮胎，可能因害虫、昆虫和啮齿动物的不受控滋生而造成严重的环境问题，同时还增加了火灾隐患的风险[4]。因此，废旧轮胎的管理与处置已成为当今世界面临的重大生态环境挑战之一。目前，废旧轮胎的主要管理方式包括轮胎翻修、材料回收、能量回收和化学回收[3]。在这些方法中，热解技术凭借其独特的热化学转化特性，已成为化学回收领域一条极具前景的途径。废旧轮胎热解产生的主要产物为炭渣、轮胎热解油（TPO）和热解气，其中约44.5%的TPO可精制后作为燃料利用[5]。与煤等不可再生能源相比，TPO具有更高的热值[4]，且在燃料运输和储存方面表现出良好的适应性[6]。近年来，随着越来越多的关注投向轮胎热解油在柴油机中的应用，越来越多的研究致力于评估其在发动机尺度的燃烧性能和排放特性[7]。Vihar等人[8]以TPO为试验燃料，在6.9升六缸涡轮增压压燃重型发动机上进行了台架试验。结果表明，轮胎热解油在非中冷涡轮增压压燃发动机高负荷工况下表现出良好的适应性。Chow等人[9]采用响应面法优化了四元燃料混合物中TPO的混合比例，结果表明适当的TPO比例可以在保持良好发动机性能的同时有效改善NOx和CO排放。Murugan等人[10]制备了两种不同混合比例的TPO-柴油混合燃料，并在未改装的四冲程单缸风冷柴油机上进行了燃料测试，结果表明与纯柴油燃料相比，混合比例为20%和90%的TPO混合燃料可分别减少22%和18%的NOx排放。这些发现进一步证实了TPO作为柴油机替代燃料组分的潜力。

然而，现有的TPO-柴油混合燃料研究主要集中在发动机尺度的燃烧性能和排放特性评估上，而对其液滴尺度的蒸发和微爆炸等底层过程的系统研究仍较为有限。对于多组分的TPO-柴油混合燃料，各组分间沸点和挥发性的巨大差异使得液滴在蒸发和燃烧过程中容易发生吹胀和微爆炸等破裂过程[11]。液滴燃烧过程中的微爆炸可促进燃料快速分散到周围气体中，改善燃油-空气混合，进而减少碳烟、CO和NOx等污染物的生成[12]。Nyashina等人[13]实验研究了微爆炸对基于煤和煤加工废物的浆状燃料液滴环境性能的影响。结果表明，微爆炸雾化可使燃料的环境性能提高约40%。Fedorenko等人[14]对含水10 vol%的柴油-水乳化液滴进行了燃烧测试，发现液滴燃烧过程中的微爆炸破裂可以与耦合效应和级联效应相互作用，进一步影响有害排放。

成核模式、成核位置以及气泡的动态演化是微爆炸发生的先决条件，直接影响液滴的蒸发特性[15]，[16]，[17]。Bar-Kohany等人[18]研究了水-燃料复合液滴内部气泡成核与生长对吹胀和微爆炸行为的影响。结果表明，成核温度由水-燃料界面处的加热速率和液滴内成核位点的分布共同控制。更高的成核温度可为气泡生长提供更强的过热驱动力。此外，更高的加热速率对应于更大的过热度，这不仅能加速气泡生长，还能促进更剧烈的液滴破裂，从而有利于形成更细的雾化液滴。Han等人[19]观测了在高环境温度下柴油-水和尾油-水单液滴的蒸发时间演化过程。结果表明，气泡成核位置和成核速率是控制混合液滴破裂模式的关键因素。Wang等人[20]探索了在高环境温度下水-柴油乳化液滴的蒸发和微爆炸行为。结果表明，随着环境温度升高，液滴内气泡成核位点数量增加，成核位置逐渐从液滴中心向表面偏移。在气泡生成和微爆炸模式转变的共同作用下，微爆炸总体强度随环境温度升高先降低后增大。Chen等人[16]研究了不同含水量乳化重燃油液滴在高环境温度下的蒸发行为。结果确定了液滴内非均匀成核的三种触发条件，并将微爆炸产生的次级液滴分为两类：含气泡液滴和常规液滴。含气泡的次级液滴被发现可增加液滴与周围空气的有效接触面积，从而显著增强蒸发过程。

混合比例是影响多组分燃料液滴蒸发和微爆炸行为的重要因素，因为它直接改变了液滴内不同组分的相对比例和分布。Pamuluri等人[21]研究了柴油-乙醇-桐油多组分燃料液滴的微爆炸特性，发现当乙醇与桐油的比例大于1时，燃料系统内部会形成较大的分散相区域和团聚结构，显著促进了微爆炸的发生。Cheng等人[22]进行了实验评估不同环境温度下柴油-水混合燃料中水分含量的作用。结果表明，增加水分含量可显著增强吹胀和微爆炸事件的强度和频率。Meng等人[23]研究了不同混合比例的生物柴油-RP-3-乙醇混合燃料液滴在高温条件下的微爆炸强度特性，并对不同组成的液滴微爆炸强度进行了分类和验证。结果表明，增加混合燃料中RP-3的体积分数会降低微爆炸强度，主要原因是较高的RP-3含量延长了乙醇的气化时间，从而抑制了液滴的剧烈膨胀和微爆炸。

在实际液态燃料动力系统中，适当的液滴尺寸分布可提供更大的燃料与周围空气间的比界面面积，从而增强燃油-空气混合[24]。因此，系统研究不同初始体积液滴的蒸发和微爆炸特性，对于将单液滴尺度观察到的微爆炸行为和二次雾化机制与喷雾尺度现象联系起来至关重要[25]。Yin等人[26]研究了常压下不同环境温度对乙醇-航空煤油混合燃料蒸发行为的影响。结果表明，随着初始液滴直径增大，液滴加热和蒸发得到增强。这一现象是由于液滴内部气泡形成增加了内部传热阻力，从而阻碍了液滴内部的热量传递。Ning等人[27]对聚甲醛二甲醚-柴油混合液滴的蒸发特性进行了实验研究。结果表明初始液滴直径对蒸发过程也有显著影响。具体而言，随着初始液滴直径增大，总蒸发时间显著增加。尽管不同初始尺寸的液滴表现出相似的温度时间演化趋势，但较大的液滴需要更长的时间才能达到环境温度。

TPO具有复杂的馏分组成，其不同馏分在组分构成、挥发性和粘度方面存在显著差异[28]。因此，TPO具有异质内部结构，可为气泡形成提供丰富的非均匀成核位点。因此，非均匀成核主导了TPO-柴油混合燃料液滴的蒸发过程。此前的研究表明，在相对较低温度条件下触发的非均匀成核是多组分燃料液滴中吹胀和微爆炸现象的主要机制[18]。尽管已对多组分燃料液滴的蒸发和微爆炸特性进行了大量研究，但大多数研究聚焦于环境温度与燃料混合比对宏观特性（如液滴寿命、微爆炸强度和频率）的影响。相比之下，对液滴内部气泡成核和演化的关注则相对有限。对于TPO-柴油混合燃料液滴，TPO各组分之间挥发性和热物性的显著差异可能会随混合比例变化而改变气泡成核行为。然而，这一效应尚未得到充分阐明。此外，虽然初始液滴尺寸是实际喷雾系统中的一个重要参数，但其对气泡成核和液滴膨胀的影响同样尚未得到系统研究。因此，有必要从气泡成核的空间分布和时间演化的角度，系统研究TPO-柴油混合燃料液滴的蒸发和微爆炸行为，从而阐明燃料组成和初始液滴尺寸对蒸发过程的影响。

为解决上述研究空白，采用悬挂液滴试验装置对不同TPO混合比例和初始液滴尺寸的TPO-柴油混合燃料液滴进行了实验研究，考察其单液滴蒸发和微爆炸特性。系统探索了不同TPO混合比例和初始液滴尺寸下气泡成核位置、成核模式、蒸发-微爆炸演化规律以及控制气泡形成和微爆炸模式转变的机制。通过引入液滴膨胀度和膨胀速率作为表征参数，分析了不同初始液滴尺寸下的膨胀差异。研究结果为优化TPO-柴油混合燃料的混合比例和调控液滴尺寸提供了理论指导和实验支持。

**章节摘要**

**实验装置**

本研究采用的悬挂液滴实验装置主要由三个子系统组成：温控与数据采集系统、液滴发生与输送系统以及图像数据采集系统。实验装置的示意图如图1所示。

加热腔为液滴蒸发实验提供稳定的热环境。其外壳为300 mm×300 mm×300 mm的金属壳体，主要起结构支撑作用，并

**液滴稳定性与实验系统一致性验证**

本研究在室温下进行了液滴稳定性测试。液滴未放置在高温蒸发腔中。首先，使用微量注射器手动抽取1.0 μl燃料并悬挂在热电偶丝上进行成像。采用上述图像处理程序和方法确定每个液滴的等效圆直径d。该过程重复30次，30次测量的等效

**结论**

本研究采用悬挂液滴实验装置，对不同TPO混合比例和初始液滴体积的TPO-柴油混合燃料液滴的气泡演化、蒸发和微爆炸特性进行了实验研究。研究了液滴内部气泡的成核模式、成核位置及动态演化规律，以及液滴的蒸发-微爆炸特性和微爆炸模式的转变机制。

**作者贡献声明**

祁东辉：写作 – 审阅与编辑、监督、资金获取、概念构思。年迪：验证、软件、调查研究。郭东阳：写作 – 审阅与编辑、写作 – 原始稿、形式化分析。孙亚松：写作 – 审阅与编辑、项目管理、资金获取。

**利益冲突声明**

作者声明不存在已知的可能影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。

**致谢**

本工作得到四川省高速建设集团发展有限公司研究项目（项目编号：2024-cg-ky-22）的资助。

**研究意义**

废旧轮胎资源化的需求日益紧迫。

轮胎热解油(TPO)作为柴油替代燃料展现出显著的应用潜力，然而TPO-柴油混合燃料液滴在蒸发与微爆过程中的微观气泡演化机制尚未得到系统阐明，从而限制了其……Dongyuan Guo|Yasong Sun|Donghui Qi|Di Nian