（农业机械化工程专业论文）生物质气体发动机特性分析及性能优化.pdf

山东理工大学硕士论文摘要 摘要 矿物能源的不可再生性及其对环境的破坏性是人类社会可持续发展面临的两个重 要问题。生物质能以其广泛性、可再生性、清洁性、用途宽广性等众多优点而成为最有 前途的替代能源。基于我国地域广阔、生物质资源分散的特点，中、小型的生物质气化 发电技术近年来获得较大发展。主要方式是利用已有的柴油或天然气发动机机型，按照 生物质燃气的特点进行结构参数及系统改造，用于生物质气化发电。本文对国内外生物 质气化发电技术的研究进展作了较详细的综述，并以生物质燃气作为发动机燃料，对 6 1 6 0 型气体发动机的性能进行了试验研究，利用a v lb o o s t 软件建立数学模型对该机 的工作过程进行了模拟计算和结构参数的优化。主要研究内容包括： 1 作为内燃机的燃料，对生物质燃气这一新型清洁能源做了详细的特性分析。通 过分析生物质燃气的性质，以及将它与其他内燃机气体燃料进行对比，初步预 测了它对发动机性能的影响，并提出发动机改进的方向。 2 采用潍坊柴油机厂生产的6 1 6 0 型柴油机为母机，通过取消燃油供给系统，重新 配置进气系统，增加高能点火系统、电控系统等技术措施，开发形成了生物质 气体发动机。通过试验发现，该机点火、启动容易，运转平稳，性能良好。 3 根据气体发动机的结构和系统配置，及a v lb o o s t 软件计算原理，建立了6 1 6 0 型生物质气体发动机的工作过程模型，并对必要参数进行估计。利用所建模型， 结合边界条件，对发动机在额定转速下的负荷特性进行了模拟计算，并与相应 工况的试验数据进行对比。结果表明，计算数据与试验结果吻合较好，从而验 证了该机模型的正确性。在此基础上，研究了压缩比、点火提前角、配气相位 等结构参数对发动机性能的影响，并对这些参数进行了优化。将优化后的结果 代入模型计算，结果表明，优化后发动机的功率提高，气耗率及排气温度有所 降低，发动机的性能得到提高。 关键词；生物质燃气，气体发动机，a v lb o o s t 软件，模拟计算 竺查矍三奎兰堡圭篁三 竺：三! 竺： a b s t r a c t m i n e r a le n e r g yi sn o n - r e n e w a b l ea n dr u i n o u s ，s oi t b r i n g st w oi m p o r t a n tp r o b l e m st ot h ec o n t i n u a b l e d e v e l o p m e n to f o u rs o c i e t y b i o m a s se n e r g yb e c o m e st h em o s tr e p l a c e a b l ee n e r g yb e c a u s eo f i t su n i v e r s a l i t y ， r e p r o d u c i b i l i t ya n dc l e a n n e s s b a s eo nt h ec h a r a c t e r i s t i co f o u rc o u l l u f sw i d e s tl a n da n dt h ed e c e n t r a l i z a t i o n o f b i o m a s s , t h et e c h n o l o g yo f m e d i u m s i z e da n dp i n t - s i z e db i o m a s sg a s i f i c a t i o nf o re l e c t r i c i t yp r o d u c t i o nh a s m a d eg r e a tp r o g r e s sr e c e n t l y t h em a i nt e c h n i q u ei su s i n gt h ea d u l te n g i n et om a k e e l e c t r i c i t yb yc h a n g i l 唱 t h es t r u c t u r a lp a r a m e t e ra c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i co fb i o g a s t h i sp a p e ri sa b o u tt h ep e r f o r m a n c e r e s e a r c ho ft h eb i o g a se n g i n e ，t h es i m u l a t i o no fb i o g a se n g i n ew o r k i n gp r o c e s si sc h i e f l yd e a nw i t ht h e s o f t w a r ea v lb o o s t b yc o m p u t e r t h em a i nr e s e a r c hw o r ki n c l u d e s ： 1 a n a l y z et h ec h a r a c t e r i s t i co fb i o g a sw h e ni ti su s e da saf u e lo fe n g i n e b yt h ea n a l y s i sa n dt h e c o m p a r i s o nw i t ho t h e rf u e l s , p r e d i c tt h e i n f l u e n c ew h a ti tw i l lb r i n gt ot h ee n g i n ea n db r i n gf o r w a r dt h e c h a n g i n gd i r e c t i o no f t h ee n g i n e 2 u s i l l ga6 1 6 0d i e s e le n g i n ea sf lm a i n f r a m e , e m p o l d e rb i o - g a se n g i n eb ys o m et e c h n i c a lm e l s u r e ss u c h a st a k i n ga w a yt h ef u e ls u p p l ys y s t e m ，s t a t i o n i n gn e wi n h a l es y s t e m , i n c r e a s i n g i g n i t i o ns y s t e m 、e l e c t r i c n t r o ls y s t e m , e t e t h ee x p e r i m e n ts h o w st h a t ：t h ei g n i t i o na n ds t a r t u pi sv e r ye a s ya n dt h ee n g i n eh a s g o o dp e r f o r m a n c e ，a tt h es a m et i m ei tr u n sr e p o s e f u l l y 3 a c c o r d i n gt ot h eb i o g a se n g i n ew o r k i n gp r o c e s s sc a l c u l a t i o np r i n c i p l ea n dt h ec a l c u l a t i o nt h e o r yo f t h e s o f t w a r ea v lb o o s t , t h e w o r k i n gm o d e li sb u i l tu pa n ds o m en e c e s s a r yp a r a m e t e r sa r ee s t i m a t e d o nt h eb a s eo f t h ew o r k i n gm o d e la n dt h eb o u n d a r yq u a l i f i c a t i o n s , t h ef u l ll o a dc h a r a c t e r i s t i ca t 1 0 0 0 r m i ni sr e s p e c t i v e l ys i m u l a t e d t h ev a l u e sa r ec o n t r a s t e dw i t ht h et e s t e dv a l u e sa tt h es a m e o p e r a t i n g c o n d i t i o n t h e r e s u l t ss h o w t h e c o r r e s p o n d e n c e o f t h e c a l c u l a t e d v a l u e s w i t h t e s t e d v a l u e s o i ti sp r o v a dt h a tt h ew o r k i n gm o d e li s 曲ta n do nt h eb a s i s , t h ei n f l u e n c e so f t h ec o m p r e s s i o nr a t i o ， f u e li n j e c t i o na d v a n c ea n g l ea n di n l e ta n de ) ( | i a u s tt i m i n go nt h eb i o g a se n g i n e t sp e r f o r m a n c ea r es t u d i e d a n db r i n gt h er e s u l t so f a f t e ro p t i m i z a t i o ni n t ot h em o d e la n ds i m u l a t e t h ec o m p a r i s o no f t h ed i e s e l e n g i n ep e r f o r m a n c eb e f o r ea n da f t e ro p t i m i z a t i o ns h o w st h a tt h eb i o - g a se n g i n e sp o w e ri n c r e a s e da n d s p e c i f i cf u e lc o u s u l t l p t - i o n ，e ) ( l a u s tt e m p e r a t u r ed e c r e a s e d ，w h i c he n h a n c e db i o g a se n g i n e s p e r f o r m a n c e k e yw o r d s ：b i o g a s ，g a se n g i n e , a v lb o o s ts o f t w a r e , c o m p u t e rs i m u l a t i o n 1 1 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包 含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得山东理工大学或其 它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名毋更， 帆埘年占月d 日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解山东理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅；学校可以用不 同方式在不同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 研究生签名： 导师签名： 彳亭更 专孑钗 时间：a “缏r 年f 月匆日 时间：埘年月后日 山东理工大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题的提出及研究意义 第一章绪论 本课题是在山东省科学院能源研究所对小型生物质气化发电技术的一系列研究基 础上提出来的，是“十五”国家科技攻关计划“8 0 k w 强化裂解型生物质气化发电装置” 项目研究的一部分。 1 1 1 能源环境背景【l 】 目前世界上的主要能源来自矿物燃料，它主要包括石油、煤和天然气等。经过地球 千百万年深度积累形成的这种化石燃料是一种不可再生的能源，其储量有限。石油资源 是各种运输动力装置的主要燃料。随着人民生活水平的提高，汽车工业的发展，世界的 石油消耗量逐年提高，几乎每隔1 0 年就翻一番，这必然加剧世界能源的短缺与供应紧张。 1 9 7 3 年中东石油主产国对一些发达国家采取石油禁运，使这些被禁运的国家出现了所谓 “能源危机”，同时也对一些石油和煤炭资源缺乏，能源依赖进口的国家造成很大的冲击。 虽然后来石油市场价格有涨有落，各国也相继发现和开发了一些新油田，但通过这次世 界性的能源危机的冲击，使人们深感石油资源的不足。根据文献【2 叫的初步估计，到2 1 世纪中期以后，石油资源将面临枯竭的局面。 与此同时，传统矿物燃料的大量开采、使用，又对人类赖以生存的地球环境构成严 重威胁。矿物燃料燃烧产生大量的c 0 2 、s o x 、n o x 等气体。c 0 2 属温室效应气体，会 造成全球变暖；s o x 、n o x 等有害气体会直接或间接对环境、设备和人体健康构成危害。 大量矿物燃料的使用，对环境造成严重的危害 4 4 1 。表l l 给出了全球生态环境恶化的 具体表现。 能源需求增长与能源资源匮乏、化石能源利用与环境污染，已成为人类可持续发展 的最重要的两个制约因素，因此寻找新的替代能源受到世界各国的普遍关注和高度重视。 目前，已被开发和正在开发的能源有太阳能、海洋能、生物能、风能、水能、核能和生 物质能等。其中生物质能作为一种清洁的可替代能源，具有永久可再生性，二氧化碳零 排放等优点，已经取得了科学家们的共识。 山东理工大学硕士学位论文第一章绪论 表1 1 全球生态环境恶化的具体表现 项目恶化表现 土地沙漠化 森林消失 草地减少 耕地减少 物种灭绝 土壤流失 c 0 2 排放 垃圾产生 由于环境污染死亡人数 各种废水排放速度 1 0 公顷份钟 2 1 公顷份钟 2 5 公顷份钟 4 0 公顷份钟 2 个川、时 3 0 0 万吨，j 、时 1 5 0 0 万屯，天 2 7 0 0 万吨天 1 0 万人厌 6 0 0 0 0 亿吨年 1 1 2 生物质能源的特点及主要能源转换形式 生物质能是蕴藏在生物质中的能量，是绿色植物通过叶绿素将太阳能转化为化学能 而贮存在生物质内部的能量。与化石燃料相比，生物质能具有以下特点： 1 生物质能的分布广泛，储量丰富，产量巨大。生物质具有多样性和广泛性，资 源开发潜力大。从南极到北极，从海洋到大陆，从平原到高山，到处都有生物 质能的分布。生物专家估计，地球上每年生长的生物质总量为1 4 0 0 1 8 0 0 亿吨 ( 干重) ，热当量为3 1 0 2 l j 左右，相当于目前世界总能耗的l o 倍 4 3 1 。在理想 状况下，地球上生产生物质的潜力可达到现实能源消费的1 8 0 2 0 0 倍。由此可 见生物质的数量巨大，所蕴藏的能量是十分惊人的。 2 生物质能是一种可再生能源，只要保证相对合理的开发利用并得到较好的恢复 与再生，生物质能就可以成为一种取之不尽、用之不竭的巨大能源资源。 3 生物质作为能源的利用过程是一个植物吸收c 0 2 的光合作用与释放c o z 的燃烧 反应的循环利用过程。因此，生物质能是二氧化碳零排放的能源资源，以生物 质能源替代化石燃料，对缓解日益严重的“温室效应”、保护生态环境具有重要 意义。 4 生物质的硫、氮、灰分含量少，与矿物燃料相比，利用生物质可以减少硫化物、 氮化物和粉尘的排放，减轻空气污染和酸雨现象，有效改善环境质量。 5 生物质的挥发份含量大，有利于生物质的着火和燃烧。 6 从化学构成上看，生物质的组成是碳氢化合物，与矿物能源是同类。因此，生 物质的特性和利用方式与常规能源有很大的相似性，可以充分利用已经发展起 来的常规能源技术来开发利用生物质能1 5 j 6 1 。 生物质能可以通过先进技术转换为优质能源，主要转换方式有( 1 ) 直接燃烧，获取 热量：( 2 ) 通过热化学转化得到优质的气体、液体或固体燃料；( 3 ) 通过生化转化得 山东理工大学硕士学位论文 第一章绪论 到液体或气体燃料。转化后的生物质燃料可以像矿物燃料一样，应用于目前人类工业生 产、社会生活的各个方面。所以在所有新能源中，生物质能与现代工业化技术和现代化 生活有最大的兼容性。它在对现有的工业技术做一定改进的前提下即可以替代常规能源， 对常规能源有很大的替代能力，这些都是今后生物质能发挥重要作用的依据5 1 。 目前已经开发和正在开发的生物质能利用技术如图1 1 所示1 5 n 引。 图l 一1 生物质能源转换技术分类 在各种生物质能利用技术中，生物质气化发电是利用生物质能源的有效方式之一。 主要技术路线是通过热化学方法把固体生物质转化为可燃气体，利用燃气驱动内燃机、 燃气轮机等动力设备产生电力。其中，与内燃机结合的生物质气化发电系统技术较为成 熟：其规模比较灵活，投资较少，发电成本也低，比较适合我国国情。 我国生物质能资源样多量大。仅以秸秆为例，全国约有6 5 亿吨，有3 9 亿吨可用于 能源用途。同时，中国经济发展迅速，对电力需求很大，通过气化发电技术，把生物质 转化为电力，既能大规模处理生物质废料，又能为生产提供电力，具有明显的社会和经 济效益，而且减少了处理这些废弃物时所造成的环境污染。所以在中国发展生物质气化 发电技术可以最大限度地体现该技术的优越性和经济性，具有较好的生存条件和发展空 间，对我国农村的现代化建设有重要的意义。 从内燃机诞生起，气体燃料就是其首选燃料之一，以后随着石油的开发，气体燃料 在内燃机上的使用逐渐减少。进入8 0 年代以来，由于内燃机面临着石油资源枯竭和排放 污染两个严重问题，气体燃料的应用研究又一次被推向前沿。内燃机使用气体燃料( 包括 山东理工大学硕士学位论文第一章绪论 l p g 、c n g ) 可以大幅度降低内燃机的有害排放物【9 】。 对发动机而言，生物质燃气是一种可再生的洁净燃料，有可能成为理想的石油替代 品o j 。由于生物质燃气热值比液化石油气或天然气低很多，作为发动机燃料，对发动机 的结构及运行参数要求也不相同。因此研究生物质燃气特性及其在发动机内工作的特点， 实现发动机最佳燃烧，提高发动机的动力性、经济性、排放性及可靠性的技术和方法， 并使之实用化，是将低热值的生物质燃气应用于发动机的技术基础和关键。 1 2 课题的研究内容与创新点 本文系统深入地研究多组分、低热值生物质燃气用作发动机燃料时发动机的性能， 并对发动机的理论循环模拟计算技术进行分析，研究生物质燃气在发动机上的应用规律， 结构参数和运转参数对生物质气体发动机性能的影响，为低热值生物质气体发动机的设 计、改造及运行提供计算依据和技术基础。主要研究内容和创新点包括： 1 分析了生物质燃气的理化特性，并对比其他气体燃料，预测生物质燃气用作发 动机燃料时的可行性，在一定程度上分析了它对发动机性能的影响。 2 进行了8 0 k w 生物质燃气发电机组试验研究，系统地分析了生物质燃气作为发 动机燃料时，发动机的运转情况及其负荷特性。 3 首次将a v lb o o s t 软件应用于低热值、多组份生物质气体发动机进行模拟计 算，得出了结构参数和运转参数对生物质气体发动机工作过程的影响趋势。根 据模拟计算结果，优化了试验所用发动机的压缩比、点火提前角和配气相位。 全文共分六章，主要内容包括生物质燃气的理化特性分析、生物质气体发动机的试 验研究、生物质气体发动机的理论循环模拟计算及参数优化。 第一章绪论，主要讲述了课题的背景和研究意义，简要概括了课题的研究内容和创 新之处。 第二章文献综述，阐述了气体发动机的国内外研究现状及技术水平，简要概括了生 物质气化发电的原理和国内外研究水平，从而说明了生物质气体发动机的研究具有重要 的科学意义和应用价值。 第三章研究了生物质燃气的理化特性，并将它与其他气体燃料进行对比，从而得出 生物质燃气作为发动机燃料时的特点。并预测用它发电时可能出现的问题，提出发动机 的改进方向。 第四章以生物质燃气为燃料，对发动机进行负荷特性试验研究，测出发动机几种工 况下的功率、耗气量、热效率和排气温度等重要参数，研究发动机的性能。 第五章根据试验测得的参数和发动机本身的结构参数，应用a v l b o o s t 软件对发 动机的理论循环进行模拟计算，将计算结果与试验结果进行对比分析。通过模拟计算得 山东理工大学硕士学位论文第一章绪论 出某些结构参数对发动机性能的影响程度，总结生物质气体发动机的应用规律。通过计 算，对压缩比、点火提前角和配气相位进行了优化。 第六章全文总结与展望。 竺兰矍三查兰竺圭薹竺兰兰 篁三耋兰墼量鎏 第二章文献综述 从内燃机发展史来看，1 8 6 0 年l e n i o r 制成世界上最早的气体发动机，并导致最古 老的发动机厂道依茨气体笈动机厂的建立，表明人们在内燃机中使用液体燃料以前， 就通过实践证明了各种成分的可燃气体岂是可以在内燃机。p 使用的燃料o 。耶“。气体发动 机中燃烧的主要是沼气、天然气等富含甲烷，燃烧速度较慢的可燃气。生物质气体发动 机属于气体发动机中的一类，也是目前新能源利用产业中的一个热点方向。 2 i 气体发动机的背景 尽管人类研究气体发动机已有漫长的历史，其发展水平却相对较低。在其早期发展 阶段，由于汽油机和柴油机的迅速普及和发展，除了天然气资源丰富的美国以外，世界 范围内几乎都不很重视气体发动机的开发研究。直到1 9 7 3 年第一次石油危机到来之后， 唤起了人们对过分依赖石油的柴油机和汽油机前途的担忧，使人们意识到石油储量将随 着开采时间的推移而日益枯竭。在此形势下，开发和高效利用新能源成为世界性的重点 研究课题，其中利用气体发动机燃烧具有丰富资源的气体燃料是一种被人们普遍看好的 有效途径t 3 2 1 一l 4 2 1 。 进入八十年代以后，随着工业对大气环境的污染进一步加剧，导致全球性的生态环 境保护意识日益增强，也迫使内燃机工作人员开始加强具有清洁燃烧性能的气体发动机 的研究工作。如各工业发达国家先后提出了发展气体发动机汽车的规划，采用的气体燃 料主要是压缩天然气( c n g ) 、液化天然气( l n g ) 、液化石油气( l p g ) 等，并要求逐 年提高气体燃料的使用比例，作为解决能源和环保问题的重要决策。 气体发动机的应用场台很j 、，不仅可用于汽车上，还可作为动力源带动发电机发电 或带动动力机械工作等。气体燃料供应的特点是气源集中，南于其不易携带运输，通常 是在气源附近建立以气体发动机发电机组为核心的发电站，燃烧气体燃料产生电能，进 行并网发电，可缓解当地黾力紧张，还可热电联产，提高整个系统的热效率。就用于发 电而言，用气体发动机燃烧气体燃料，与采用其它动力装置( 如燃气轮机、蒸汽轮机) 相比，资金投入少，操作维护简便，技术性和经济性上的优势更明显。 国外对气体发动机所做的研究相对比较深入，在许多方面取得了长足的进步，促进 了气体发动机工业的发展。同时近年来广阔的市场需求又促使发动机制造企业积极开发 性能优越的气体发动机以争夺市场：八十年代初仅有少数公司涉及这一领域，而近年来 各大公司都相继开发出商品级的产品，参与市场竞争的公司遍及各国，如美国的 c a t e r p i l a r 公司、f a i r b a n k sm o r s e 公司、c o o p e r 公司、c u m m i u s 公司，英目的r u s t o n 公 c a t e r p i l a r 公司、f a i r b a n k sm o r s e 公司、c o o p e r 公司、c u m m i u s 公司，英国的r u s t o n 公 山东理工大学硕士学位论文 第二章文献综述 第二章文献综述 从内燃机发展史来看，1 8 6 0 年l e n i o r 制成世界上最早的气体发动机，并导致最古 老的发动机厂道依茨气体发动机厂的建立，表明人们在内燃机中使用液体燃料以前， 就通过实践证明了各种成分的可燃气体也是可以在内燃机中使用的燃料“】【3 1 1 。气体发动 机中燃烧的主要是沼气、天然气等富含甲烷，燃烧速度较慢的可燃气。生物质气体发动 机属于气体发动机中的一类，也是目前新能源利用产业中的一个热点方向。 2 1 气体发动机的背景 尽管人类研究气体发动机已有漫长的历史，其发展水平却相对较低。在其早期发展 阶段，由于汽油机和柴油机的迅速普及和发展，除了天然气资源丰富的美国以外，世界 范围内几乎都不很重视气体发动机的开发研究。直到1 9 7 3 年第一次石油危机到来之后， 唤起了人们对过分依赖石油的柴油机和汽油机前途的担忧，使人们意识到石油储量将随 着开采时间的推移而日益枯竭。在此形势下，开发和高效利用新能源成为世界性的重点 研究课题，其中利用气体发动机燃烧具有丰富资源的气体燃料是一种被人们普遍看好的 有效途径口2 】_ 1 4 2 。 进入八十年代以后，随着工业对大气环境的污染进一步加剧，导致全球性的生态环 境保护意识日益增强，也迫使内燃机工作人员开始加强具有清洁燃烧性能的气体发动机 的研究工作。如各工业发达国家先后提出了发展气体发动机汽车的规划，采用的气体燃 料主要是压缩天然气( c n g ) 、液化天然气( l n g ) 、液化石油气( l p g ) 等，并要求逐 年提高气体燃料的使用比例，作为解决能源和环保问题的重要决策。 气体发动机的应用场合很广，不仅可用于汽车上，还可作为动力源带动发电机发电 或带动动力机械工作等。气体燃料供应的特点是气源集中，由于其不易携带运输，通常 是在气源附近建立以气体发动机发电机组为核心的发电站，燃烧气体燃料产生电能，进 行并网发电，可缓解当地电力紧张，还可热电联产。提高整个系统的热效率。就用于发 电而言，用气体发动机燃烧气体燃料，与采用其它动力装置( 如燃气轮机、蒸汽轮机) 相比，资金投入少，操作维护简便，技术性和经济性上的优势更明显。 国外对气体发动机所做的研究相对比较深入，在许多方面取得了长足的进步，促进 了气体发动机工业的发展。同时近年来广阔的市场需求又促使发动机制造企业积极开发 性能优越的气体发动机以争夺市场：八十年代初仅有少数公司涉及这一领域，而近年来 各大公司都相继开发出商品级的产品，参与市场竞争的公司遍及各国，如美国的 c a t e r p i l a r 公司、f m r b a n k sm o r s e 公司、c o o p e r 公司、c u m m i u s 公司，英国的r u s t o n 公 山东理工大学硕士学位论文第二章文献综述 司、r a r i t yp e r k i n s 公司，日本的n k ky a n m a r 公司，奥地利的j e n b a h e r 公司、德国 m a n b & w 公司、丹麦m a n b & w 公司、意大利的f i n c a n d e r i 公司，法国的w a r t s i l a 公 司等耻6 l 一吲。生产的气体发动机大到可输出几千千瓦的功率，小到用于家庭割草机上， 有四冲程，也有二冲程方式，气体发动机的适用范围越来越大。由于各大公司间的激烈 竞争，使气体发动机领域出现了前所未有的活跃。 内燃机技术的进步，使得新的气体燃料发动机强化度提高，经济性改善，使用寿命 和安全性可以与现代柴油机相媲美，为气体燃料发动机发展创造了有利条件。增压四冲 程气体燃料发动机平均有效压力o 9 1 1 5 m p a ，近几年有的机型已达到1 4 1 6 m p a ， 单机热效率4 5 ，可作为液化气运输船、大型发电机组、天然气加压站的主要动力1 12 j 。 2 2 国内外气体发动机的研究现状 2 2 1 国外气体发动机的研究现状 美国、德国、奥地利、日本和芬兰是世界上气体燃料发动机技术水平较发达的国家， 它们主要研制的对象是以天然气、沼气、垃圾气等为燃料的气体燃料发动机，并且拥有 先进成熟的技术和产品，特别是大功率、大缸径机型技术非常成熟。从技术特点上看， 美国侧重于使用真空度膜片机械式燃气预混合技术，而德国、奥地利等国侧重于使用电 控燃气预混合技术，芬兰则主要使用单缸进气门前电控喷射的混合方式i l 。 国外的大功率气体燃料发动机大都是从中、低速大缸径的柴油机改型设计而来，与 柴油机的零部件通用互换性高，生产变型快，可迅速适应市场变化的需要，提高了公司 的竞争能力。据统计，欧洲、日本的1 6 4 家柴油机制造公司已有6 3 家同时在生产气体燃 料发动机，英国的气体燃料发动机已系列化，单机功率为7 4 3 4 6 0 k w 。国外最近发展 的热电联合装置充分利用排气余热，实现气体燃料发动机与换热器、压缩制冷机组联合 工作，除供应电力、动力外，还可根据需要供热、制冷，大大提高了装置总热效率，用 途广泛、发展前途无量。例如：瓦萨3 2 g d 气体燃料发动机联合机组热平衡结果表明， 电能占总输入热能的4 5 ，供热3 5 4 5 ，损失仅为1 0 2 0 1 1 1 1 1 2 1 , 8 0 年代m a n 公司开发的增压5 2 5 5 a d g 型机( 缸径冲程为5 2 0 r a m 5 5 0 m m ) 其 8 缸机输出功率4 8 0 0 k w ，引燃油热量占总热量的8 ，有效效率为4 0 7 ，只比完全用 燃油时低o 9 。该机型对气体燃料的抗爆性要求较高，热效率达3 7 “1 1 2 j 。 文献 1 4 1 指出，目前国外公司在汽油机基础上开发出燃用天然气单一燃料的发动机， 以改善排放性能。如c a 6 1 0 2 n - - 2 型天然气发动机改进了进气道结构，压缩比从6 7 5 提 高到8 8 ，最大功率及最大扭矩分别达到原汽油机的9 5 和9 4 。 德国d e u t z 公司最近宣布，在d e u t z m w m 2 3 4 系列气体燃料发动机上通过改进燃烧 山东理工大学硕士学位论文 第二章文献综述 系统，采用高能点火系统和火花塞，已能成功地燃烧污水煤气、垃圾处理气以及一些含 硫、氯、氟的低热值可燃气体。这一成果对充分利用能源将有积极意义。据统计，世界 上废气处理后的可燃气体和其他低热值煤气如果得到充分利用，其产生的电能将与石油 不相上下1 12 1 。 m i t s u b i s h ih e a v yi n d u s t r y 最近在日本安装的火花塞点火四冲程天然气发动机( 缸径 冲程为3 0 0 t u r n 3 8 0 m m ) ，为了减少n o x 排放，提高热效率，采用预燃室稀混合气燃 烧系统，增压中冷后机缎热效率达到3 9 ，n o 排放3 0 0 p p m ，这使火花塞点火气体燃 料发动机达到一个新的水平【1 2 1 。 。文献 1 5 1 q b 指出，g e 新庇隆公司推出的m s 9 0 0 1 e 燃气轮机是高炉煤气与天然气混 烧的一类机型。除尘后的高炉煤气与天然气混合成7 5 3 6 k j n m 3 热值的混合气，热值波动 的下限是6 1 7 4 k j n m 3 。它的功率为1 2 3 m w ，该机每年的运行时间不少于7 0 0 0 小时，显 示了很高的可靠性。最近g e 推出功率为4 0 m w 的燃气轮机，使用1 0 左右的柴油烧高 炉煤气，也可以直接燃用3 2 2 m j m m 3 焦炉、高炉混合煤气。其外型与标准的m s 6 0 0 0 1 b 燃气轮机大致相同，热效率达3 1 8 。这一功率等级的燃气轮机能满足百万吨级钢铁厂 的需要州。 p i e l s t i c l d2 p c 3 d f 双燃料发动机( 缸径冲程为4 0 0 m m x 4 6 0 m m ) ，在平均有效压力 1 6 ，a 、转速5 1 4 转分时，功率为3 5 0 0 4 0 0 0 k w 。该机用天然气作燃料，由柴油引 燃，在美国w i s c o s i n 已工作了1 5 年，运行了6 2 0 0 小时，功率范围经常保持在最高持续 功率的8 1 9 3 ，这说明该机组的可靠性有充分保障【1 “。 2 2 2 国内气体发动机研究现状 我国燃气机技术发展时间较短，技术水平较国外相对落后。7 0 年代开始，上海、四 川、江苏等地重新恢复对煤气机进行研究。成都科技大学就1 1 0 5 型柴油机改装成沼气柴 油双燃料发动机的调速与供气系统进行研究，提出了提高燃油替代率和热效率的方向。 长期以来，江、浙等地一些碾米厂利用稻壳生产煤气发电，解决了企业用电问题。四川 研制的m q l 2 5 0 型煤气发生炉以及与之相匹配的s 1 9 5 m 型双燃料发动机，可用劣质 煤为燃料。现在，山东t 上海、江苏等地一些工厂均生产煤气机，其中2 0 2 7 型双燃料 发动机能用天然气、石油伴生气、沼气、发生炉煤气等多种气体燃料。上海内燃机研究 所还对s 1 9 5 d z 型点燃式沼气发动机的运转性能进行试验研究，取得一些试验数据。浙 江大学则把一台汽油机改燃l p g 进行试验，得出一些初步的研究结果6 j 。 自8 0 年代以来，国内部分内燃机生产厂家，如胜利石油管理局动力机械厂、济南 柴油机厂、潍坊柴油机厂和重庆红岩机器厂先后涉足这领域，开始在柴油机基础上改 制或重新设计天然气发动机。改制的气体燃料发动机功率较小，且技术水平相对比较落 后。但是最近几年，国内气体燃料发动机技术有了实质性的变化，特别是1 9 9 9 年以后进 山东理工大学硕士学位论文第二章文献综述 步很快。以胜利石油管理局动力机械厂为例，该厂加大了科技投入，将电子技术引入气 体燃料发动机，开发研制了电控、电喷型气体燃料发动机，使原来很多不能应用气体燃 料发动机的场合也可加以利用。2 0 0 0 年该厂开发了电控型气体燃料发动机，该型机可适 应低甲烷浓度的煤层气、石油炼化尾气、水煤气等各种燃料，其空燃比的控制技术接近 或达到国际先进水平l l ”。2 0 0 1 年，该厂又开发了2 4 0 系列的1 0 0 0 k w 燃气发电机组，该 机组为国产气缸直径最大、功率最大的燃气发电机组。机组采用预混合进气方式和预燃 室、增压中冷技术，实现了主燃烧室内的稀薄燃烧，大幅度降低了发动机的排气温度【”】。 文献【1 4 】中指出，c a 6 1 0 2 q 型汽油机改装为天然气汽油发动机，燃用天然气时， 最大功率及最大扭矩分别达到使用汽油时的8 0 和8 6 ，怠速排放显著降低。c a 6 1 0 2 n l 型天然气一汽油发动机，改进了进气道结构，压缩比从原来的6 7 5 提高到7 6 ，燃用 天然气时，最大功率及最大扭矩分别达到原汽油机的9 2 和9 0 。由于天然气燃烧速度 比汽油慢，为了提高热效率，相应的点火提前角要比燃用汽油时增大。 兖矿集团焦化厂采用南通宝驹动力机械厂生产f t 8 0 0 型缸内混气直燃式煤气发动 机为焦化气发电系统的主机，该主机采用z 1 2 v 1 9 0 b 柴油机改制，配备相应西门子发电 机，由于采用了喷射进气、缸内混气及美国进口点火系统，有效地解决了高氢气体燃烧 做功时“回火”爆炸等不安全因素，热效率高，成本低。持续功率稳定在5 0 0 k w 以上， 电压4 0 0 佗3 0 v ，频率5 0 h z ，波动小于+ - - 0 5 h z ，瞬间电压调整率小于2 5 ，排温小于 5 5 0 ，额定时发电热效率可达3 9 4 5 i l ”。 潍坊柴油机厂是我国研制单燃料气体发动机较早的单位，该厂于8 0 年代初研制了 功率为1 2 0 k w 的6 1 6 0 a 3 型沼气发动机；贵州柴油机厂和四川农业机械研究所共同开 发出6 0 k w 的6 1 3 5 a d ( q ) 型沼气( 天然气) 发动机发电机组。在沼气发动机的研究中，通 过采用快速燃烧系统、高能点火等措施，明显地改善了沼气发动机的性能。取得了排气 温度接近5 0 0 的国际先进水平，可望解决国产沼气发动机因排温过高而导致可靠性与 寿命不过关的问题，气耗率已接近0 5 n m 3 k w h ，达到国内先进水平。此外重庆红岩机 器厂、上海内燃机研究所、南通柴油机厂等单位也进行过这方面的研究、研制工作i l ”。 2 3 生物质气化发电国内外研究状况 2 3 1 生物质气化发电工作原理 生物质气化发电技术的基本原理是通过热化学方法把生物质转化为可燃气，再利用 可燃气推动燃气发电设备进行发电，它既能解决生物质难于燃用，而又分布分散的缺点， 又可以充分发挥燃气发电技术设备紧凑，而污染少的优点，所以是生物质能最有效最洁 净的利用方法之一【6 】。 山东理工大学硕士学位论文 第二蕈文献综述 图2 1 为生物质气化发电工艺流程示意图。经处理的( 以符合不同气化炉的要求) 生 物质原料由进料系统送进气化炉内，由于有限地提供氧气，生物质在气化炉内不完全燃 烧，发生气化反应，生成可燃气体气化气。气化气一般要与物料进行热交换以加热 生物质原料，然后经过冷却系统及净化系统。在该过程中，灰分、固体颗粒、焦油及冷 凝物被除去，净化后的气体即可用于发电，通常采用蒸汽轮机、燃气轮机及内燃机【。 本课题结合自身情况，选用的是内燃机发电机的发电模式。 图2 - - 1 生物质气化发电工艺流程图 2 3 2 国外生物质气化发电技术研究现状 国外研究开发生物质气化发电技术起步较早，为了推动生物质气化发电技术的商业 化进程，美国和欧盟国家已经建造了许多生物质气化发电站和示范工程，比较成熟的气 化发电系统有：t p s 、b i o f l o w 、v t t 、e n v i o p o w e r 、b a t t e l l e 、i g t r e n u g a s f 4 5 1 4 6 。 这里就其中两个典型的系统进行详细的叙述。 1 t p s 的生物质i g c c ( 整体气化联合循环) 发电系统 t p s 的i g c c 系统是建立在低压气化基础上。其工作流程包括：工作压力接近常压 的气化和进入燃气机前的一系列的调节步骤。这些步骤包括：焦油裂解为不可压缩的气 体、冷却、布袋式除尘、水喷淋塔除尘、压缩、再热 4 7 1 1 4 6 1 。具体的过程如图2 一l 所示： 首先原料通过闭锁漏斗装置输送到开s 的低压循环流化床气化器中，气化器的运行温度 8 5 0 9 0 0 。从气化器出来的产品气和一些空气在冷却器中被冷却。产品气离开冷却器 进入高效的布袋式除尘器。然后产品气进入水喷淋塔，气体中的焦油、碱金属和氨都被 除去。从水喷淋塔出来的污水流到污水处理厂处理。产品气在燃气机的燃烧室中增压燃 烧后进入燃气机，从燃气机排放出来的燃气温度大约是4 5 0 5 0 0 。c 。如果需要提高温度， 可以在进入余热锅炉前采用附加的燃料进行补燃。在余热锅炉中产生的蒸汽进入蒸汽轮 山东理工大学硕士学位论文 第二章文献综述 机发电。 图2 2t p s 生物质的i g c c 系统h 5 】 2 b a t t e l l e 生物质气化发电系统 b a t t e l l e 系统中的气化器是从2 0 世纪7 0 年代末开始研究，主要用木质生物质、草本 植物做试验原料。它的技术特点是间接加热的气化器，两个反应器组成一个整体的气化 器。b a t t e l l e 生物质i g c c 发电系统如图2 3 所示。具体过程：生物质原料经过预处理 过程( 粉碎、成型) 后，进入干燥器，使原料中的水分满足气化器的要求。干燥剂是燃气 机系统中余热锅炉的排气。间接加热的气化器采用水蒸汽作为气化剂，从气化器出来的 热产品气经过旋风分离器，炭、灰粒和循环砂粒被分离后回送到燃烧器中。在燃烧器中， 炭和热空气发生燃烧反应，放出的热量传递给循环砂粒。从燃烧器出来的烟气经过另一 个旋风分离器，烟气中的砂粒和少量的灰粒被分离出来，然后回送到气化器中，提供气 化反应所需的热量。产品气经过热气调节器、空气加热器后进入净化系统。空气加热器 的作用是加热进入燃烧器的空气。净化系统采用是水喷淋塔装置，气体中的灰粒、焦油、 碱金属和氨在此装置中都被除去。干净的产品气进入燃机系统中发电。从燃烧器出来的 烟气进入余热回收利用装置中，产生的高温高压蒸汽带动蒸汽轮机发电。 山东理工大学硕士学位论文 第二章文献综述 中气 图2 3b a t t t e l e 的生物质i g c c 发电系统h 8 】 2 3 3 国内气化发电技术的现状 中国有着良好的生物质气化发电技术基础，我国早在2 0 世纪6 0 年代初就开展该方 面工作，研究了样机并做了初步推广，还曾出口到发展中国家，取得了较大的进展。目 前1 6 0 k w 和2 0 0 k w 的气化发电设备己得到小规模应用，既证明了这种技术的可行性和 适用性，也取得良好的经济效益。 江苏省粮食局早在7 0 年代初就为马里共和国的两个米厂设计建造了两台稻壳煤气 发电设备。经过技术改进，泰州市米厂的稻壳煤气发电装置功率达1 4 0 k w ，年发电4 0 万度，维修期由一周延长到一个月，基本保证了加工设备用电1 4 3 l 。在谷壳气化发电技术 的基础上，近年来中国对生物质气化发电技术作了进一步的研究，主要对发电容量大小 和不同生物质原料进行了探索，先后完成了2 5 2 0 0 k w 的各种机组的研制。 1 早期固定床谷壳气化发电技术状况 利用谷壳发电在我国已有近四十年的历史，它的主要用户是大米加工厂，由于发电 规模小，经济效益差，故进展缓慢，发电规模一直维持在6 0 k w 2 0 0 k w 之问，其中1 6 0 k w 以下的机组由于经济效益差而少有用户。谷壳气化发电实际多以1 6 0 k w 和2 0 0 k w 两种 规格为主【4 9