燃用生物質(zhì)氣化氣的內(nèi)燃機特性分析

孟凡生1,2，陰秀麗1，蔡建渝1，馬隆龍1，吳創(chuàng)之1

（1．中國科學(xué)院廣州能源研究所，中國科學(xué)院可再生能源與天然氣水合物重點實驗室，廣州510640；2．中國科學(xué)院研究生院，北京100049）

　　摘要：生物質(zhì)氣化氣的組分對內(nèi)燃機的排氣溫度、最大爆發(fā)壓力、有效熱效率和尾氣排放都具有重要影響。各種氣體成分的燃燒速率以及其中的阻燃成分都直接影響氣缸內(nèi)混合氣的燃燒，同時影響內(nèi)燃機的尾氣排放。分析發(fā)現(xiàn)內(nèi)燃機的排氣溫度過高、爆發(fā)壓力偏低、能耗偏高的主要原因是由于生物質(zhì)氣化氣熱值低、燃燒速度慢；通過對尾氣排放的測試分析發(fā)現(xiàn)，混合氣的完全燃燒可以降低碳煙、CO和HC的排放，降低燃燒溫度可以降低NOx的生成率。

　　0引言

　　生物質(zhì)是一種可再生能源，由于其生長和利用過程構(gòu)成自然界碳循環(huán)，其高效利用可有效減少溫室氣體的排放。傳統(tǒng)的生物質(zhì)能利用是采用直接燃燒方式，不僅效率低下，而且會排放出大量煙塵和余灰，污染環(huán)境；生物質(zhì)氣化技術(shù)是通過熱化學(xué)反應(yīng)，將固態(tài)生物質(zhì)在不完全燃燒條件下，使較高分子量的有機碳氫化合物鏈裂解，變?yōu)檩^低分子量的H2、CH4、CO等可燃氣體[1]。氣化獲得的氣體燃料作為一種清潔能源，適用范圍廣，同時提高了生物質(zhì)利用的能源品位和利用效率，應(yīng)用前景廣闊。氣化發(fā)電過程包括3個方面：生物質(zhì)氣化；氣體凈化；燃氣發(fā)電[2,3]。燃氣內(nèi)燃機與蒸汽輪機、燃氣輪機相比具有機組容量范圍大，燃氣熱值應(yīng)用范圍廣的優(yōu)勢，進而使得利用燃氣內(nèi)燃機發(fā)電在中國的分布式發(fā)電領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。目前國內(nèi)所應(yīng)用的生物質(zhì)燃氣內(nèi)燃機大部分是由中低轉(zhuǎn)速柴油機改裝的，功率大都低于400kW。

　　任永志等[4]對意大利Tessari的80kW燃氣發(fā)電機與生物質(zhì)氣化氣的匹配性作了分析。中國科學(xué)院廣州能源研究所在國家高技術(shù)發(fā)展計劃（863計劃）支持下，開展了5MW生物質(zhì)氣化-蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電示范工程研究，系統(tǒng)中采用了600kW燃氣內(nèi)燃機8300（600r/min）進行發(fā)電。本文分析了該系統(tǒng)中內(nèi)燃機的排溫、動力和排放性能。

　　1生物質(zhì)氣化氣特性分析

　　生物質(zhì)氣化采用循環(huán)流化床空氣氣化，原料為稻殼。主要流程如圖1所示，氣化爐出來的氣體流經(jīng)旋風(fēng)分離器、焦油裂解爐、高溫過熱器、文丘里除塵器、噴淋塔、羅茨風(fēng)機到達儲氣罐，儲氣罐內(nèi)的氣體流經(jīng)進氣管道進入內(nèi)燃機燃燒做功，內(nèi)燃機曲軸飛輪端帶動發(fā)電機進行發(fā)電，高溫過熱器出來的氣體與內(nèi)燃機排放的尾氣進入加熱鍋爐，鍋爐出來的高溫水蒸氣帶動蒸汽輪機發(fā)電[5]。

　　對于燃燒生物質(zhì)氣化氣的燃氣內(nèi)燃機首先要求使用的氣體燃料能在點燃條件下進行正常的點火燃燒，并且要求燃料燃燒完全，能夠穩(wěn)定燃燒，以保證發(fā)動機充分發(fā)揮其動力性能和經(jīng)濟性能；燃料應(yīng)具有較高的熱值，以保證發(fā)動機有較高的效率；還要保證燃料潔凈性的要求，以減少氣缸腐蝕和零部件的磨損。

　　氣化當量比（單位質(zhì)量生物質(zhì)在氣化過程中所消耗的空氣量與生物質(zhì)完全燃燒所需要的理論空氣量之比）在0.22-0.35之間變化時，在羅茨風(fēng)機出口取樣19次，檢測出H2、CH4、CO2、CO、O2、N2、C2H2、C2H4、C2H6氣體組分的含量，其體積百分含量如表1所示，對于生物質(zhì)氣化氣組分分析如下：

　　1.1氣體組分分析

　　測得的9種氣體中H2、CH4、CO為主要可燃組分，CO2、N2為阻燃成分。

　　CH4是天然氣的主要成分，辛烷值高達130[6]，因而具有良好的抗爆性，然而火焰?zhèn)鞑ニ俣刃。紵俣嚷?；CO為最為主要的可燃氣體成分，但燃點較高；H2相對于其他可燃氣體而言，具有火焰?zhèn)鞑ニ俣瓤?、易擴散以及傳熱能力強的特點，并且火焰?zhèn)鞑ニ俣入S氧濃度的增加而提高[7]。生物質(zhì)氣化氣中H2的變化范圍較大，在6%～10%間波動。H2與空氣混合的最大燃燒速度為2.80m/s[8]，當氫氣含量較高，過量空氣系數(shù)較小時，缸內(nèi)混合氣的燃燒溫度高，壓力升高率大，將會導(dǎo)致部分未燃混合氣的著火誘導(dǎo)期縮短，極易引起爆燃；點燃氫氣所需要的點火能量僅為0.02MJ，不足汽油的1/10，這就意味著氣缸內(nèi)的局部溫度高的點可以成為著火點，引起早燃[9]。

　　氣化氣中有近一半的N2，CO2含量也在15%左右，而且對于三原子分子的CO2具有的摩爾比熱遠大于空氣，因而在內(nèi)燃機壓縮和燃燒沖程中會大量地吸收熱量，使發(fā)動機壓縮終點的溫度降低，導(dǎo)致點火推遲，燃燒溫度降低；阻燃成分的存在會減緩焰前反應(yīng)，阻礙燃燒的正常進行，對火焰的燃燒速度起到負面的影響，致使內(nèi)燃機后燃嚴重，排氣溫度較高。

　　1.2熱值分析

　　通過計算，生物質(zhì)氣化氣熱值在5.30-6.43MJ/Nm3之間，相對于天然氣熱值為35.91MJ/Nm3[8]（按照純CH4計算）而言，屬于低熱值氣體。

　　由于在內(nèi)燃機氣缸中燃燒的是燃氣和空氣組成的混合氣，因而在實際循環(huán)中應(yīng)考慮混合氣的熱值。

　　天然氣完全燃燒時的化學(xué)反應(yīng)式為：

　　生物質(zhì)氣化氣與空氣按化學(xué)計量比混合的熱值在2.49～2.67MJ/Nm3之間。因而無論氣化氣的熱值還是理論混合氣熱值與天然氣相比，都存在較大差距，使得同一規(guī)格的內(nèi)燃機，在燃燒生物質(zhì)氣化氣時出力明顯不足[10]。

　　1.3氣體中雜質(zhì)的影響

　　雖然生物質(zhì)燃氣經(jīng)過了嚴格的凈化，但仍含有大量的焦油和灰分，測得羅茨風(fēng)機出口的焦油含量接近100mg/m3[11]。工作中內(nèi)燃機的高溫工作環(huán)境使得生物質(zhì)氣化氣成分中的焦油，以及一些細灰顆粒在燃燒過程中引起氣門處積炭，導(dǎo)致氣門關(guān)閉不嚴，使得氣門漏氣，氣缸內(nèi)高溫高壓氣體沖刷氣門彈簧，促使彈簧受熱退火、彈性減弱，進而影響整個配氣機構(gòu)的工作；在內(nèi)燃機工作過程中，焦油沉積在電極兩端，則可能引起點火系統(tǒng)失效。生物質(zhì)氣化氣成分中的大量焦油成分在燃燒過程中會在燃燒室內(nèi)形成積炭，使得混合氣在火花塞點火前就可能被燃燒室內(nèi)熾熱的炭粒表面點燃，形成表面點火；同時燃燒室內(nèi)沉積的積炭過多會增大壓縮比，進而增大爆燃的可能性。而灰分含量太高也會增加運動件之間的磨損，嚴重時會引起拉缸。

　　2內(nèi)燃機運行特性分析

　　測定內(nèi)燃機不同負荷下的排氣溫度、最大爆發(fā)壓力以及燃料消耗率；采用煙度計與氣體分析儀測定尾氣排放中的煙度、NOx、CO、HC。

　　2.1內(nèi)燃機的排氣溫度、最大爆發(fā)壓力以及有效熱效率特性

　　生物質(zhì)氣化氣熱值低，燃燒速度慢，使得單位循環(huán)做功指標相對較低，因而選用大缸徑、長行程、大排量、轉(zhuǎn)速較低的8300作為原型機進行改造[12]。由于生物質(zhì)氣化氣中含有大量的焦油，在發(fā)動機的進氣過程中焦油會黏附在進氣系統(tǒng)的表面上，因此生物質(zhì)氣化氣發(fā)動機不適合對進氣進行增壓，而應(yīng)選用自然吸氣方式[13]。將原柴油機去除高壓供油系統(tǒng)，進氣管處安裝文丘里管混合器；將燃燒室設(shè)計成淺盆形，重新設(shè)計活塞，把壓縮比降為9，在原來噴油嘴的位置安裝火花塞；重新設(shè)計凸輪軸，優(yōu)化配氣以及點火正時；同時在總管的兩端安裝安全防爆門等，這些改進使得8300適合燃燒低熱值的生物質(zhì)氣化氣。

　　在8300燃氣內(nèi)燃機600r/min的工況下，對于內(nèi)燃機的排氣溫度以及動力特性進行了測試，結(jié)果見圖2、3。

　　由圖可看出，隨著發(fā)電機組負荷的增加，各缸的排106農(nóng)業(yè)工程學(xué)報2008年氣溫度在600℃左右，相對柴油機而言，排氣溫度明顯偏高，原因在于燃燒沖程中混合氣體燃燒不完全，致使后燃嚴重。氣化氣中大量阻燃成分的存在是造成后燃的重要原因，此外由于采用缸外混合氣形成方式，為減少掃氣過程中的混合氣損失，采用30℃A的氣門重疊角，然而氣門重疊角的減小將導(dǎo)致掃氣效果差，缸內(nèi)的殘余廢氣增多，對于缸內(nèi)循環(huán)的燃燒起抑制作用，進一步加重了后燃現(xiàn)象。加之生物質(zhì)氣化氣在缸內(nèi)沒有汽化時的吸熱作用，綜合幾方面的因素，使得燃用生物質(zhì)氣化氣的內(nèi)燃機排氣溫度偏高。排氣溫度越高，尾氣所帶走的能量的比重就越大，因而，降低排氣溫度也可以成為提高內(nèi)燃機熱效率的有效措施。在負荷為500kW左右時，排氣溫度處于低谷，此時通過尾氣帶走的能量相對較少，若不考慮燃燒過程中散熱率的變化，可認為此時段所產(chǎn)生的有效功率相對要高些。

　　隨著負荷的增加，無論是排氣溫度還是最大爆發(fā)壓力都逐漸趨于均勻，各缸的最大爆發(fā)壓力逐漸增大。在低負荷時1缸的排氣溫度、最大爆發(fā)壓力都要高于其他各缸；但在大負荷時8缸的最大爆發(fā)壓力明顯低于其他各缸。進氣總管的壓力較低、氣量不足，是造成各缸排氣溫度、最大爆發(fā)壓力不均的重要原因。低負荷時伴隨著較小的進氣量，使得進氣管對于各支管的氣量分配不均，距離進氣管口最近的1缸進氣量相對較多，使得燃燒較為充分；當內(nèi)燃機處于大負荷時，進氣管的進氣量不足，加之非增壓內(nèi)燃機的進氣壓力低，使得距離進氣管較遠的8缸，不能夠得到充足的燃氣，燃燒溫度相對較低，最高爆發(fā)壓力較低。

　　通過測定一個時間段中儲氣罐內(nèi)氣體的消耗量來計算內(nèi)燃機的氣體消耗率，內(nèi)燃機所發(fā)出的有效功率與消耗的燃氣熱值的比值即為內(nèi)燃機的有效熱效率。得出內(nèi)燃機在中等負荷時的有效熱效率最高，為30.4%；全負荷運行時的有效率為29.5%，相對原柴油機明顯偏低。排氣溫度高，最大爆發(fā)壓力較低是導(dǎo)致內(nèi)燃機有效熱效率較低的直接原因。

　　2.2內(nèi)燃機的排放特性

　　對于內(nèi)燃機煙度的測試采用SF8141A不透光煙度計，對于NOx、CO、HC的排放采用HPC500汽車排氣分析儀，測試結(jié)果見圖4。

　　2.2.1煙度

　　由圖4看出負荷增加使得煙度和每循環(huán)進氣量增加，過多的混合氣體進入氣缸，在缸內(nèi)有限的容積內(nèi)容易出現(xiàn)局部缺氧，混合氣燃燒不完全，從而使得煙度升高。

　　衡量內(nèi)燃機煙度的主要成分是碳煙，因而碳煙的生成率決定了尾氣排放中煙度的高低。導(dǎo)致尾氣中煙度較高的原因有：

　　1）過量空氣系數(shù)的影響

　　8300燃氣內(nèi)燃機的過量空氣系數(shù)為1.0，采取文丘里管缸外機械預(yù)混合方式，理論上能夠使得缸內(nèi)氣化氣與空氣混合均勻，然而氣化氣的成分不穩(wěn)定，熱值不斷變化，在實際運行狀況中容易出現(xiàn)局部混合氣過濃或過稀的現(xiàn)象，在缺氧區(qū)域利于碳煙的生成。

　　2）燃燒室形狀的影響

　　8300燃氣內(nèi)燃機采用淺盆形燃燒室，由于其不組織渦流，使得燃燒過程中生成的碳煙尚未經(jīng)過后續(xù)燃燒即被排出缸外，增加了碳煙的排量。

　　2.2.2NOx

　　無論是燃料的氮還是空氣中的氮都是以無機物的形式存在，分子鍵能高，需要高溫工作環(huán)境才能使得氮分子分解成氮原子。

　　高溫、富氧、氧與氮在高溫中的滯留時間是影響柴油機燃燒過程中NOx生成率大小的三要素[14]。

　　由圖4看出，中低負荷時，隨負荷的增加，循環(huán)進氣量逐漸增多，使得生成NOx的三要素同時加強，必然導(dǎo)致NOx的生成率增加。在高負荷時盡管溫度和高溫滯留時間延長，但NOx生成率下降，原因在于氧濃度的下降制約了氮氧化物的生成速率。

　　2.2.3CO

　　對于燃燒生物質(zhì)氣化氣的內(nèi)燃機，CO一部分來自混合氣中尚未燃燒的CO；另一部分來自于燃料的不完全燃燒。

　　圖4表明CO的含量較高，原因在于氣化氣中CO的含量達到15%～18%，因而在缸內(nèi)燃燒過程中包括縫隙容積在內(nèi)的部分未燃的CO增加了尾氣中CO的含量。

　　在低負荷時由于混合氣燃燒不完全，致使其中的部分混合氣中的CO在未參加燃燒的情況下直接排出氣缸；隨著負荷的增大，缸內(nèi)氣體燃燒趨于完全，CO的生成率降低，中負荷時達到最低值；隨著負荷的增大，CO的生成率呈現(xiàn)增大趨勢，原因在于大負荷時缸內(nèi)混合氣的進氣量較多，局部缺氧燃燒，導(dǎo)致部分混合氣尚未能完全燃燒就排出氣缸，從而增加了尾氣中的CO含量。

　　2.2.4HC

　　碳氫化合物包括混合氣中的未燃或不能完全燃燒的烴類、氣化氣中焦油高溫裂解的產(chǎn)物等。主要是由于缸內(nèi)混合氣的不完全燃燒造成的。由圖4看出在低負荷時由于缸內(nèi)氣體的不完全燃燒導(dǎo)致碳氫化合物的生成率增加，中負荷時缸內(nèi)氣體的燃燒較為完全致使碳氫化合物的含量下降，而在高負荷時過多的混合氣進入氣缸，使得缸內(nèi)混合氣局部缺氧，尚未完全燃燒即排出缸外，使得碳氫化合物的含量升高。

　　由上面的試驗分析可以得出以下結(jié)論：

　　1）增大過量空氣系數(shù)能有效抑制缸內(nèi)缺氧的發(fā)生，切斷碳煙生成的環(huán)境；采用球形、深盆形燃燒室能有效增加缸內(nèi)的氣體流動，使缸內(nèi)燃燒成為紊流燃燒，火焰處于運動狀態(tài)，從而盡量避免形成局部高溫和局部缺氧，進而抑制碳煙的生成。

　　2）降低NOx濃度的措施，就是要切斷NOx的滋生環(huán)境。增大空燃比，降低壓縮比都能降低NOx的生成率。

　　3）由于氣化氣中的CO是尾氣中CO的主要來源，使得缸內(nèi)的混合氣能夠充分的燃燒是降低該部分CO的有效措施。

　　4）使缸內(nèi)的混合氣燃燒充分，氣化氣與空氣均勻混合，精確控制空燃比，增加缸內(nèi)的氣流運動都是能夠降低炭氫化合物的有效措施。

　　3結(jié)論

　　通過對燃燒生物質(zhì)氣化氣的內(nèi)燃機的特性分析發(fā)現(xiàn)，氣化氣組分本身的性質(zhì)是決定內(nèi)燃機運行特性的主要因素，同時內(nèi)燃機本身的結(jié)構(gòu)也具有重要影響。8300型內(nèi)燃機燃用生物質(zhì)燃氣時的效率最高為30%左右，氣缸內(nèi)爆發(fā)壓力低、排氣溫度高是導(dǎo)致燃氣內(nèi)燃機效率低下的主要原因；同時燃氣內(nèi)燃機采用非增壓進氣、燃燒過程中空燃比不穩(wěn)定、混合氣燃燒不完全也是導(dǎo)致熱效率降低的重要原因。生物質(zhì)氣化氣的固有成分使得氣缸內(nèi)混合氣燃燒不完全，以及氫氣對缸內(nèi)燃燒的不利因素使得內(nèi)燃機尾氣中的污染物排放較高。

　　中國的燃氣發(fā)動機通過采用增壓、中冷等技術(shù)，熱效率能達到35%。國外先進機型通過采用電控混合、稀薄燃燒等閉環(huán)控制技術(shù)，熱效率已達42%，甚至更高[15]。目前我國對于低熱值燃氣內(nèi)燃機的研究尚處于起步階段[16]，通過以后的不斷探索試驗，期望能夠在原有基礎(chǔ)上不斷提高改進，使得燃氣內(nèi)燃機在生物質(zhì)氣化發(fā)電中得到更為有效的應(yīng)用。

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