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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(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(duì)內(nèi)燃機(jī)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(shí)影響內(nèi)燃機(jī)的尾氣排放。分析發(fā)現(xiàn)內(nèi)燃機(jī)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(duì)尾氣排放的測(cè)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(zhǎng)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(huì)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(jī)碳?xì)浠衔镦溋呀猓優(yōu)檩^低分子量的H2、CH4、CO等可燃?xì)怏w[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(shí)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(gè)方面：生物質(zhì)氣化；氣體凈化；燃?xì)獍l(fā)電[2,3]。燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)與蒸汽輪機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)相比具有機(jī)組容量范圍大，燃?xì)鉄嶂祽?yīng)用范圍廣的優(yōu)勢(shì)，進(jìn)而使得利用燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)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?xì)鈨?nèi)燃機(jī)大部分是由中低轉(zhuǎn)速柴油機(jī)改裝的，功率大都低于400kW。
任永志等[4]對(duì)意大利Tessari的80kW燃?xì)獍l(fā)電機(jī)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(jì)劃（863計(jì)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?xì)鈨?nèi)燃機(jī)8300（600r/min）進(jìn)行發(fā)電。本文分析了該系統(tǒng)中內(nèi)燃機(jī)的排溫、動(dòng)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(jī)到達(dá)儲(chǔ)氣罐，儲(chǔ)氣罐內(nèi)的氣體流經(jīng)進(jìn)氣管道進(jìn)入內(nèi)燃機(jī)燃燒做功，內(nèi)燃機(jī)曲軸飛輪端帶動(dòng)發(fā)電機(jī)進(jìn)行發(fā)電，高溫過熱器出來的氣體與內(nèi)燃機(jī)排放的尾氣進(jìn)入加熱鍋爐，鍋爐出來的高溫水蒸氣帶動(dòng)蒸汽輪機(jī)發(fā)電[5]。
對(duì)于燃燒生物質(zhì)氣化氣的燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)首先要求使用的氣體燃料能在點(diǎn)燃條件下進(jìn)行正常的點(diǎn)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(dòng)機(jī)充分發(fā)揮其動(dòng)力性能和經(jīng)濟(jì)性能；燃料應(yīng)具有較高的熱值，以保證發(fā)動(dòng)機(jī)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(dāng)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(shí)，在羅茨風(fēng)機(jī)出口取樣19次，檢測(cè)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(duì)于生物質(zhì)氣化氣組分分析如下：
1.1氣體組分分析
測(cè)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(dá)130[6]，因而具有良好的抗爆性，然而火焰?zhèn)鞑ニ俣刃。紵俣嚷籆O為最為主要的可燃?xì)怏w成分，但燃點(diǎn)較高；H2相對(duì)于其他可燃?xì)怏w而言，具有火焰?zhèn)鞑ニ俣瓤臁⒁讛U(kuò)散以及傳熱能力強(qiáng)的特點(diǎn)，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(dòng)。H2與空氣混合的最大燃燒速度為2.80m/s[8]，當(dāng)氫氣含量較高，過量空氣系數(shù)較小時(shí)，缸內(nèi)混合氣的燃燒溫度高，壓力升高率大，將會(huì)導(dǎo)致部分未燃混合氣的著火誘導(dǎo)期縮短，極易引***燃；點(diǎn)燃?xì)錃馑枰狞c(diǎn)火能量?jī)H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(diǎn)可以成為著火點(diǎn)，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(duì)于三原子分子的CO2具有的摩爾比熱遠(yuǎn)大于空氣，因而在內(nèi)燃機(jī)壓縮和燃燒沖程中會(huì)大量地吸收熱量，使發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮終點(diǎn)的溫度降低，導(dǎo)致點(diǎn)火推遲，燃燒溫度降低；阻燃成分的存在會(huì)減緩焰前反應(yīng)，阻礙燃燒的正常進(jìn)行，對(duì)火焰的燃燒速度起到負(fù)面的影響，致使內(nèi)燃機(jī)后燃嚴(yán)重，排氣溫度較高。
1.2熱值分析
通過計(jì)算，生物質(zhì)氣化氣熱值在5.30-6.43MJ/Nm3之間，相對(duì)于天然氣熱值為35.91MJ/Nm3[8]（按照純CH4計(jì)算）而言，屬于低熱值氣體。
由于在內(nèi)燃機(jī)氣缸中燃燒的是燃?xì)夂涂諝饨M成的混合氣，因而在實(shí)際循環(huán)中應(yīng)考慮混合氣的熱值。
天然氣完全燃燒時(shí)的化學(xué)反應(yīng)式為：
生物質(zhì)氣化氣與空氣按化學(xué)計(jì)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(jī)，在燃燒生物質(zhì)氣化氣時(shí)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?xì)饨?jīng)過了嚴(yán)格的凈化，但仍含有大量的焦油和灰分，測(cè)得羅茨風(fēng)機(jī)出口的焦油含量接近100mg/m3[11]。工作中內(nèi)燃機(jī)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(xì)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(yán)，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(jìn)而影響整個(gè)配氣機(jī)構(gòu)的工作；在內(nèi)燃機(jī)工作過程中，焦油沉積在電極兩端，則可能引起點(diǎn)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(huì)在燃燒室內(nèi)形成積炭，使得混合氣在火花塞點(diǎn)火前就可能被燃燒室內(nèi)熾熱的炭粒表面點(diǎn)燃，形成表面點(diǎn)火；同時(shí)燃燒室內(nèi)沉積的積炭過多會(huì)增大壓縮比，進(jìn)而增大爆燃的可能性。而灰分含量太高也會(huì)增加運(yùn)動(dòng)件之間的磨損，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起拉缸。
2內(nèi)燃機(jī)運(yùn)行特性分析
測(cè)定內(nèi)燃機(jī)不同負(fù)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(jì)與氣體分析儀測(cè)定尾氣排放中的煙度、NOx、CO、HC。
2.1內(nèi)燃機(jī)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(biāo)相對(duì)較低，因而選用大缸徑、長(zhǎng)行程、大排量、轉(zhuǎn)速較低的8300作為原型機(jī)進(jìn)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(dòng)機(jī)的進(jìn)氣過程中焦油會(huì)黏附在進(jìn)氣系統(tǒng)的表面上，因此生物質(zhì)氣化氣發(fā)動(dòng)機(jī)不適合對(duì)進(jìn)氣進(jìn)行增壓，而應(yīng)選用自然吸氣方式[13]。將原柴油機(jī)去除高壓供油系統(tǒng)，進(jìn)氣管處安裝文丘里管混合器；將燃燒室設(shè)計(jì)成淺盆形，重新設(shè)計(jì)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(jì)凸輪軸，優(yōu)化配氣以及點(diǎn)火正時(shí)；同時(shí)在總管的兩端安裝安全防爆門等，這些改進(jìn)使得8300適合燃燒低熱值的生物質(zhì)氣化氣。
在8300燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)600r/min的工況下，對(duì)于內(nèi)燃機(jī)的排氣溫度以及動(dòng)力特性進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果見圖2、3。
由圖可看出，隨著發(fā)電機(jī)組負(fù)荷的增加，各缸的排106農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)2008年氣溫度在600℃左右，相對(duì)柴油機(jī)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(yán)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(duì)于缸內(nèi)循環(huán)的燃燒起抑制作用，進(jìn)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(shí)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(jī)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(jī)熱效率的有效措施。在負(fù)荷為500kW左右時(shí)，排氣溫度處于低谷，此時(shí)通過尾氣帶走的能量相對(duì)較少，若不考慮燃燒過程中散熱率的變化，可認(rèn)為此時(shí)段所產(chǎn)生的有效功率相對(duì)要高些。
隨著負(fù)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(fù)荷時(shí)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(fù)荷時(shí)8缸的最大爆發(fā)壓力明顯低于其他各缸。進(jìn)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(fù)荷時(shí)伴隨著較小的進(jìn)氣量，使得進(jìn)氣管對(duì)于各支管的氣量分配不均，距離進(jìn)氣管口最近的1缸進(jìn)氣量相對(duì)較多，使得燃燒較為充分；當(dāng)內(nèi)燃機(jī)處于大負(fù)荷時(shí)，進(jìn)氣管的進(jìn)氣量不足，加之非增壓內(nèi)燃機(jī)的進(jìn)氣壓力低，使得距離進(jìn)氣管較遠(yuǎn)的8缸，不能夠得到充足的燃?xì)猓紵郎囟认鄬?duì)較低，最高爆發(fā)壓力較低。
通過測(cè)定一個(gè)時(shí)間段中儲(chǔ)氣罐內(nèi)氣體的消耗量來計(jì)算內(nèi)燃機(jī)的氣體消耗率，內(nèi)燃機(jī)所發(fā)出的有效功率與消耗的燃?xì)鉄嶂档谋戎导礊閮?nèi)燃機(jī)的有效熱效率。得出內(nèi)燃機(jī)在中等負(fù)荷時(shí)的有效熱效率最高，為30.4%；全負(fù)荷運(yùn)行時(shí)的有效率為29.5%，相對(duì)原柴油機(jī)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(jī)有效熱效率較低的直接原因。
2.2內(nèi)燃機(jī)的排放特性
對(duì)于內(nèi)燃機(jī)煙度的測(cè)試采用SF8141A不透光煙度計(jì)，對(duì)于NOx、CO、HC的排放采用HPC500汽車排氣分析儀，測(cè)試結(jié)果見圖4。
2.2.1煙度
由圖4看出負(fù)荷增加使得煙度和每循環(huán)進(jìn)氣量增加，過多的混合氣體進(jìn)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?jī)?nèi)燃機(jī)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?xì)鈨?nèi)燃機(jī)的過量空氣系數(shù)為1.0，采取文丘里管缸外機(jī)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(shí)際運(yùn)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?xì)鈨?nèi)燃機(jī)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(jī)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(shí)間是影響柴油機(jī)燃燒過程中NOx生成率大小的三要素[14]。
由圖4看出，中低負(fù)荷時(shí)，隨負(fù)荷的增加，循環(huán)進(jìn)氣量逐漸增多，使得生成NOx的三要素同時(shí)加強(qiáng)，必然導(dǎo)致NOx的生成率增加。在高負(fù)荷時(shí)盡管溫度和高溫滯留時(shí)間延長(zhǎng)，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(duì)于燃燒生物質(zhì)氣化氣的內(nèi)燃機(jī)，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(dá)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(fù)荷時(shí)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(fù)荷的增大，缸內(nèi)氣體燃燒趨于完全，CO的生成率降低，中負(fù)荷時(shí)達(dá)到最低值；隨著負(fù)荷的增大，CO的生成率呈現(xiàn)增大趨勢(shì)，原因在于大負(fù)荷時(shí)缸內(nèi)混合氣的進(jìn)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?xì)浠衔锇ɑ旌蠚庵械奈慈蓟虿荒芡耆紵臒N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(fù)荷時(shí)由于缸內(nèi)氣體的不完全燃燒導(dǎo)致碳?xì)浠衔锏纳陕试黾樱胸?fù)荷時(shí)缸內(nèi)氣體的燃燒較為完全致使碳?xì)浠衔锏暮肯陆担诟哓?fù)荷時(shí)過多的混合氣進(jìn)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?xì)浠衔锏暮可摺?/p>
由上面的試驗(yàn)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(dòng)，使缸內(nèi)燃燒成為紊流燃燒，火焰處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，從而盡量避免形成局部高溫和局部缺氧，進(jìn)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(yùn)動(dòng)都是能夠降低炭氫化合物的有效措施。
3結(jié)論
通過對(duì)燃燒生物質(zhì)氣化氣的內(nèi)燃機(jī)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(jī)運(yùn)行特性的主要因素，同時(shí)內(nèi)燃機(jī)本身的結(jié)構(gòu)也具有重要影響。8300型內(nèi)燃機(jī)燃用生物質(zhì)燃?xì)鈺r(shí)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?xì)鈨?nèi)燃機(jī)效率低下的主要原因；同時(shí)燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)采用非增壓進(jìn)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(duì)缸內(nèi)燃燒的不利因素使得內(nèi)燃機(jī)尾氣中的污染物排放較高。
中國的燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)通過采用增壓、中冷等技術(shù)，熱效率能達(dá)到35%。國外先進(jìn)機(jī)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(dá)42%，甚至更高[15]。目前我國對(duì)于低熱值燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)的研究尚處于起步階段[16]，通過以后的不斷探索試驗(yàn)，期望能夠在原有基礎(chǔ)上不斷提高改進(jìn)，使得燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)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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