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燃用生物质气化气的内燃机特性分析

摘要：生物质气化气的组分对内燃机的排气温度、最大爆发压力、有效热效率和尾气排放都具有重要影响。各种气体成分的燃烧速率以及其中的阻燃成分都直接影响气缸内混合气的燃烧，同时影响内燃机的尾气排放。分析发现内燃机的排气温度过高、爆发压力偏低、能耗偏高的主要原因是由于生物质气化气热值低、燃烧速度慢；通过对尾气排放的测试分析发现，混合气的完全燃烧可以降低碳烟、CO和HC的排放，降低燃烧温度可以降低NOx的生成率。

引言

生物质是一种可再生能源，由于其生长和利用过程构成自然界碳循环，其高效利用可有效减少温室气体的排放。传统的生物质能利用是采用直接燃烧方式，不仅效率低下，而且会排放出大量烟尘和余灰，污染环境；生物质气化技术是通过热化学反应，将固态生物质在不完全燃烧条件下，使较高分子量的有机碳氢化合物链裂解，变为较低分子量的H2、CH4、CO等可燃气体[1]。气化获得的气体燃料作为一种清洁能源，适用范围广，同时提高了生物质利用的能源品位和利用效率，应用前景广阔。气化发电过程包括3个方面：生物质气化；气体净化；燃气发电[2,3]。燃气内燃机与蒸汽轮机、燃气轮机相比具有机组容量范围大，燃气热值应用范围广的优势，进而使得利用燃气内燃机发电在中国的分布式发电领域得到广泛应用。目前国内所应用的生物质燃气内燃机大部分是由中低转速柴油机改装的，功率大都低于400kW。

任永志等[4]对意大利Tessari的80kW燃气发电机与生物质气化气的匹配性作了分析。中国科学院广州能源研究所在国家高技术发展计划（863计划）支持下，开展了5MW生物质气化-蒸汽联合循环发电示范工程研究，系统中采用了600kW燃气内燃机8300（600r/min）进行发电。本文分析了该系统中内燃机的排温、动力和排放性能。

1生物质气化气特性分析

生物质气化采用循环流化床空气气化，原料为稻壳。主要流程如图1所示，气化炉出来的气体流经旋风分离器、焦油裂解炉、高温过热器、文丘里除尘器、喷淋塔、罗茨风机到达储气罐，储气罐内的气体流经进气管道进入内燃机燃烧做功，内燃机曲轴飞轮端带动发电机进行发电，高温过热器出来的气体与内燃机排放的尾气进入加热锅炉，锅炉出来的高温水蒸气带动蒸汽轮机发电[5]。

对于燃烧生物质气化气的燃气内燃机首先要求使用的气体燃料能在点燃条件下进行正常的点火燃烧，并且要求燃料燃烧完全，能够稳定燃烧，以保证发动机充分发挥其动力性能和经济性能；燃料应具有较高的热值，以保证发动机有较高的效率；还要保证燃料洁净性的要求，以减少气缸腐蚀和零部件的磨损。

气化当量比（单位质量生物质在气化过程中所消耗的空气量与生物质完全燃烧所需要的理论空气量之比）在0.22-0.35之间变化时，在罗茨风机出口取样19次，检测出H2、CH4、CO2、CO、O2、N2、C2H2、C2H4、C2H6气体组分的含量，其体积百分含量如表1所示，对于生物质气化气组分分析如下：

1.1气体组分分析

测得的9种气体中H2、CH4、CO为主要可燃组分，CO2、N2为阻燃成分。

CH4是天然气的主要成分，辛烷值高达130[6]，因而具有良好的抗爆性，然而火焰传播速度小，燃烧速度慢；CO为最为主要的可燃气体成分，但燃点较高；H2相对于其他可燃气体而言，具有火焰传播速度快、易扩散以及传热能力强的特点，并且火焰传播速度随氧浓度的增加而提高[7]。生物质气化气中H2的变化范围较大，在6%～10%间波动。H2与空气混合的最大燃烧速度为2.80m/s[8]，当氢气含量较高，过量空气系数较小时，缸内混合气的燃烧温度高，压力升高率大，将会导致部分未燃混合气的着火诱导期缩短，极易引***燃；点燃氢气所需要的点火能量仅为0.02MJ，不足汽油的1/10，这就意味着气缸内的局部温度高的点可以成为着火点，引起早燃[9]。

气化气中有近一半的N2，CO2含量也在15%左右，而且对于三原子分子的CO2具有的摩尔比热远大于空气，因而在内燃机压缩和燃烧冲程中会大量地吸收热量，使发动机压缩终点的温度降低，导致点火推迟，燃烧温度降低；阻燃成分的存在会减缓焰前反应，阻碍燃烧的正常进行，对火焰的燃烧速度起到负面的影响，致使内燃机后燃严重，排气温度较高。

1.2热值分析

通过计算，生物质气化气热值在5.30-6.43MJ/Nm3之间，相对于天然气热值为35.91MJ/Nm3[8]（按照纯CH4计算）而言，属于低热值气体。

由于在内燃机气缸中燃烧的是燃气和空气组成的混合气，因而在实际循环中应考虑混合气的热值。

天然气完全燃烧时的化学反应式为：

生物质气化气与空气按化学计量比混合的热值在2.49～2.67MJ/Nm3之间。因而无论气化气的热值还是理论混合气热