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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:曾子綺
研究生(外文):Tz-Chi Zeng
論文名稱:快速裂解生質油/B2生質柴油乳化液滴之受熱行為
論文名稱(外文):Heating Behavior of Fast Pyrolysis Bio-oil/B2 Biodiesel Emulsified Drops
指導教授:侯順雄侯順雄引用關係
指導教授(外文):Shuhn-Shyurng Hou
口試委員:林大惠林建昌
口試委員(外文):Ta-Hui LinJiann-Chang Lin
口試日期:2014-07-24
學位類別:碩士
校院名稱:崑山科技大學
系所名稱:機械工程研究所
學門:工程學門
學類:機械工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2014
畢業學年度:102
語文別:中文
論文頁數:125
中文關鍵詞:乳化液滴生質裂解油生質柴油柴油噴發微爆
外文關鍵詞:Emulsified dropsPyrolysis Bio-oilBiodieselDieselejectionmicroexplosion
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本研究建立一套可以觀察液滴受熱行為與微爆現象的實驗裝置,分析快速裂解生質油/B2生質柴油乳化燃料之單一油滴的受熱行為。研究中使用之生質油為咖啡渣經快速熱裂解所產製之生質油,而B2生質柴油為2%生質柴油和98%傳統化石柴油混合而成。懸掛液滴加熱實驗探討油滴直徑大約1mm的生質油/B2生質柴油乳化油滴,在不同的環境溫度下(Tsur=300℃、400℃和500℃)之受熱的現象,並藉由K型熱電偶量測受熱油滴之溫度隨加熱時間的變化關係,且利用高速攝影機擷取影像,觀察油滴蒸發(evaporation)、膨脹(expansion)、噴發(ejection)與微爆(microexplosion)之現象。
B2生質柴油於懸掛液滴裝置的受熱實驗中,依照高速攝影機觀察受熱情形的結果,顯示當環境溫度越高,發生膨脹的時間也越早,且蒸發時間越短,亦即油滴壽命隨著環境溫度增高而變短。觀察快速裂解咖啡渣生質油之油相(oily phase)和水相(aqueous phase)於不同環境溫度下的受熱現象,發現生質油油相在環境溫度300℃、400℃與500℃時均有明顯的膨脹與噴發狀況;而水相因為含水量較高(87 wt%),在環境溫度300℃和400℃時,並未出現噴發現象,只有在環境溫度500℃時才有噴發現象的發生。在快速裂解生質油/B2生質柴油乳化液滴的實驗中則發現,咖啡渣生質油的摻混比例越高,越有助於噴發及微爆現象的發生。整體而言,從本實驗的結果可以得知,隨著環境溫度的增高,液滴發生噴發的時間也越早,現象也越明確。

Heat behaviors of a single droplet of fast pyrolysis bio-oil/B2 biodiesel blends were examined using a suspended-droplet heating device. The bio-oil used in the experiment was produced from the fast pyrolysis process of waste coffee grounds. B2 biodiesel is made up of a blend of 2% biodiesel and 98% petroleum diesel. The heating temperature (environment temperature) and the mixing ratio of bio-oil/B2 biodiesel blends were varied in the experiment. The vaporization, expansion, bubbling, ejecting, and swelling were recorded by a high-speed video system. Meanwhile, the temperature history and variations of drop size were measured by two K-type thermocouples in the heating process. The results showed that the evaporation rate of the dropet identified by the slope of the d2-law increased with heating temperature. Expansion occurred at a shorter time, and the droplet evaporated faster corresponding a shorter droplet lifetime with an increase in heating temperature. For the droplet of oily phase, expansion, bubbling, ejecting, and swelling occurred at all environment temperatures 300, 400 and 500 oC. However, for the droplet of aqueous phase with a high water content of 87 wt%, at the lower environment temperatures 300 and 400oC, the occurrence of ejecting was not found; only at the higher environment temperature 500oC, bubbling and ejecting was observed. For the fast pyrolysis bio-oil/B2 biodiesel blends, it was found that higher bio-oil content or higher environment temperature resulted in stronger expansion and ejection.
總 目 錄
頁數
中文摘要 •••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• i
英文摘要 •••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• iii
誌 謝 •••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• v
總 目 錄 •••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• vi
表 目 錄 •••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• viii
圖 目 錄 •••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• ix
符號說明 •••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• xiii
一、 前言•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 1
1.1 生質燃料••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 1
1.1.1生質燃料介紹•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 1
1.1.2生質燃料的特性•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 3
1.1.3生質燃料產製技術與應用••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 4
1.1.4生質燃料節能機制•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 5
1.2 快速生質裂解油••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 6
1.2.1快速裂解油原理•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 6
1.2.2快速裂解油物化特性•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 7
1.2.3快速生質裂解油裂解技術與應用••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 8
1.3 懸吊液滴加熱實驗••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 9
1.4 乳化燃料之微爆機制••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 11
1.4.1乳化燃料特性••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 11
1.4.2乳化燃料燃燒˴蒸發和微爆之研究•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 12
1.4.3乳化燃料節能降污機制•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 18
1.4.4乳化劑界面活性••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 19
1.4.5乳化燃料對溫度及火焰長度的影響••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 19
1.5 過熱極限•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 20
1.6 燃料液滴實驗方法的回顧••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 21
1.6.1自由液滴法••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 21
1.6.2懸掛液滴法••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 22
1.7 研究動機和目的•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 22
二、 研究方法與步驟•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 24
2.1 實驗設備和量測儀器•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 24
2.1.1熱環境與加熱裝置••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 24
2.1.2熱電偶•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 24
2.1.3訊號擷取系統•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 25
2.1.4馬達與直線移動機構••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 25
2.1.5影像紀錄系統••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 26
2.1.6影像與溫度記錄同步系統•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 26
2.1.7高速均質攪拌機••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 27
2.2 液滴之微爆實驗方法•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 27
2.2.1試驗液滴的基本性質••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 27
2.2.2實驗流程•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 28
2.2.3液滴的直徑量測•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 28
2.2.4同步影像與溫度資料••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 39
2.2.5微爆時間及微爆溫度的量測••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 39
2.2.6液滴周圍之對流熱傳效應的估計••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 30
三、 實驗結果與討論••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 33
3.1 液滴受熱行為之分類••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 33
3.2 B2生質柴油和生質油單一液滴之受熱行為••••••••••••••••••••••• ••••••••••••••••••• 35
3.2.1 B2生質柴油(B2 Biodiesel)•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 35
3.2.2 快速生質裂解油(Café Oily、Café Aqueous) ••••••••••••••••••••••••••••••• 36
3.2.3咖啡渣快速生質裂解油(50%Café Oily+50%Café Aqueous) •••••••••••••••••••••• 39
3.3 乳化液滴受熱行為•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 41
3.3.1 95% B2 Biodiese+Mixture 5% (2.5%Café Oily+2.5%Café Aqueous)的快速裂解生質油之乳化油••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 41
3.3.2 90% B2 Biodiese+Mixture 10% (5%Café Oily+5%Café Aqueous)的快速裂解生質油之乳化油•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 43
3.4 環境溫度對液滴蒸發˴膨脹˴噴發和微爆之影響••••••••••••••••••• •••••••••••••••••••• 44
四、 結論•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 53
五、 參考文獻•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 55
六、 圖表•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 65
表目錄
表1 國內原油供給與煉量表•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 65
表2 國內主要油品價格表•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 66
表3 B2生質柴油之物化特性•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 67
表4 生質裂解油之物化特性(咖啡油整體性質表)•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 68
表5 咖啡渣快速裂解生質油之元素分析、pH值、黏度和低熱值••••••••••••••••••••••••••••••• 69
圖目錄
圖1-1 乳化油燃燒過程示意圖••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 70
圖1-2 乳化劑乳化原理示意圖••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 70
圖1-3 熱力學上壓力(P)與體積(V)之關係圖[46]•••••••••••••••••••••••••••••••••••• 71
圖1-4 自由液滴之實驗裝置••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 72
圖2-1 乳化燃料微爆實驗設備圖••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 73
圖2-2 熱電偶與電熱片相關位置示意圖•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 74
圖2-3 熱電偶與訊號擷取卡連接線路圖•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 74
圖2-4 LabView溫度擷取紀錄程式•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 75
圖2-5 DAQ Assistant 與數位濾波器的設定畫面•••••••••••••••••••••••••••••••••••• 76
圖2-6 高速均質攪拌機••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 77
圖2-7 測量乳化燃料液滴外徑,d=(dh+dv)/2 •••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 78
圖2-8 同步溫度與影像資料示意圖•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 79
圖2-9 量測微爆時間與微爆溫度示意圖•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 80
圖2-10 (a)單邊垂直熱板示意圖(b)雙平行垂直熱板示意圖•••••••••••••••••••••••••••••• 81
圖2-11 在等溫表面與垂直表面的層流自由對流邊界層狀況(a)速度曲線(b)溫度曲線[19]•••••• 81
圖3-1 蒸發現象之液滴受熱時間與液滴變化關係圖•••••••••••••••••••••••••••••••••••• 82
圖3-2 蒸發現象之溫度曲線和液滴直徑隨時間變化的關係圖••••••••••••••••••••••••••••• 83
圖3-3 膨脹和蒸發現象之液滴受熱時間與液滴變化關係圖••••••••••••••••••••••••••••••• 84
圖3-4 膨脹和蒸發現象之溫度曲線和液滴直徑隨時間變化的關係圖 ••••••••••••••••••••••• 85
圖3-5 膨脹、噴發和蒸發現象之液滴受熱時間與液滴變化關係圖••••••••••••••••••••••••• 86
圖3-6 膨脹、噴發和蒸發現象之溫度曲線和液滴直徑隨時間變化的關係圖•••••••••••••••••• 87
圖3-7 微爆與蒸發現象之液滴受熱時間與液滴變化關係圖••••••••••••••••••••••••••••••• 88
圖3-8 微爆與蒸發現象之溫度曲線和液滴直徑隨時間變化的關係圖••••••••••••••••••••••• 89
圖3-9 B2柴油在環境溫度300℃,液滴受熱時間與液滴變化的關係圖•••••••••••••••••••••• 90
圖3-10 B2柴油在環境溫度300℃的溫度曲線和液滴直徑隨時間變化的關係圖••••••••••••••••• 91
圖3-11 B2柴油在環境溫度400℃,液滴受熱時間與液滴變化的關係•••••••••••••••••••••••• 92
圖3-12 B2柴油在環境溫度400℃的溫度曲線和液滴直徑隨時間變化的關係圖••••••••••••••••• 93
圖3-13 B2柴油在環境溫度500℃,液滴受熱時間與液滴變化的關係圖•••••••••••••••••••••• 94
圖3-14 B2柴油在環境溫度500℃的溫度曲線和液滴直徑隨時間變化的關係圖••••••••••••••••• 95
圖3-15 咖啡油相在環境溫度300℃,液滴受熱時間與液滴變化的關係圖••••••••••••••••••••• 96
圖3-16 咖啡油相在環境溫度300℃的溫度曲線和液滴直徑隨時間變化的關係圖 ••••••••••••••• 97
圖3-17 咖啡油相在環境溫度400℃,液滴受熱時間與液滴變化的關係圖••••••••••••••••••••• 98
圖3-18 咖啡油相在環境溫度400℃的溫度曲線和液滴直徑隨時間變化的關係圖••••••••••••••• 99
圖3-19 咖啡油相在環境溫度500℃,液滴受熱時間與液滴變化的關係圖••••••••••••••••••••• 100
圖3-20 咖啡油相在環境溫度500℃的溫度曲線和液滴直徑隨時間變化的關係圖••••••••••••••• 101
圖3-21 咖啡油水相在環境溫度為300℃,液滴受熱時間與液滴變化的關係圖••••••••••••••••• 102
圖3-22 咖啡油水相在環境溫度300℃的溫度曲線和液滴直徑隨時間變化的關係圖••••••••••••• 103
圖3-23 咖啡油水相在環境溫度為400℃,液滴受熱時間與液滴變化的關係圖••••••••••••••••• 104
圖3-24 咖啡油水相在環境溫度400℃的溫度曲線和液滴直徑隨時間變化的關係圖••••••••••••• 105
圖3-25 咖啡油水相在環境溫度500℃的溫度曲線和液滴直徑隨時間變化的關係圖••••••••••••• 106
圖3-26 咖啡油水相在環境溫度500℃,液滴受熱時間與液滴變化的關係圖•••••••••••••••••• 107
圖3-27 50% Oily + 50% Aqueous phase在環境溫度300℃,液滴受熱時間與液滴變化的關係圖•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 108
圖3-28 50% Oily + 50% Aqueous phase在環境溫度300℃的溫度曲線和液滴直徑隨時間變化的關係圖•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 109
圖3-29 50% Oily + 50% Aqueous phase在環境溫度400℃,液滴受熱時間與液滴變化的關係圖•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 110
圖3-30 50% Oily + 50% Aqueous phase在環境溫度400℃的溫度曲線和液滴直徑隨時間變化的關係圖•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 111
圖3-31 50% Oily + 50% Aqueous phase在環境溫度500℃,液滴受熱時間與液滴變化的關係圖•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 112
圖3-32 50% Oily + 50% Aqueous phase在環境溫度500℃的溫度曲線和液滴直徑隨時間變化的關係圖•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 113
圖3-33 95% B2 Diesel + Mixture 5%在環境溫度為300℃,液滴受熱時間與液滴變化的關係圖•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 114
圖3-34 95% B2 Diesel + Mixture 5%在環境溫度300℃的溫度曲線和液滴直徑隨時間變化的關係圖•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 115
圖3-35 95% B2 Diesel + Mixture 5%在環境溫度為400℃,液滴受熱時間與液滴變化的關係圖•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 116
圖3-36 95% B2 Diesel + Mixture 5%在環境溫度400℃的溫度曲線和液滴直徑隨時間變化的關係圖•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 117
圖3-37 95% B2 Diesel + Mixture 5%在環境溫度為500℃,液滴受熱時間與液滴變化的關係圖•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 118
圖3-38 95% B2 Diesel + Mixture 5%在環境溫度500℃的溫度曲線和液滴直徑隨時間變化的關係•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 119
圖3-39 90% B2 Diesel + Mixture 10%在環境溫度為300℃,液滴受熱時間與液滴變化的關係圖 •••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 120
圖3-40 90% B2 Diesel + Mixture 10%在環境溫度300℃的溫度曲線和液滴直徑隨時間變化的關係圖•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 121
圖3-41 90% B2 Diesel + Mixture 10%在環境溫度為400℃,液滴受熱時間與液滴變化的關係圖 •••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 122
圖3-42 90% B2 Diesel + Mixture 10%在環境溫度400℃的溫度曲線和液滴直徑隨時間變化的關係圖•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 123
圖3-43 90% B2 Diesel + Mixture 10%在環境溫度為500℃,液滴受熱時間與液滴變化的關係圖•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 124
圖3-44 90% B2 Diesel + Mixture 10%在環境溫度500℃的溫度曲線和液滴直徑隨時間變化的關係圖•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 125



第五章 參考文獻
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