沼气发动机概述.doc

.沼气发动机概述 现代发动机燃料大部分来自于石油。石油是一种不可再生资源，随着时间的推移，它的使用受到很大限制，并且会带来严重的环境污染，所以人们不得不寻找其他的代用燃料。在众多代用燃料中，沼气是一种良好的代用燃料。沼气是有机物在隔绝空气和一定的温度、湿度、酸碱度等条件下，经过沼气细菌作用而产生的一种可燃气体，它可以通过有机物（如秸杆）在厌氧条件下发酵制取，也可以对工厂和农村中多种污染物质（如动物粪便）和污水进行适当处理而得到。据统计，我国有大量的可用作生产沼气的禽畜粪便和工业有机废水资源，集约化养殖产生的畜禽粪便我国约有40 336万砘，其中干物质总量为3715.5万吨，工业有机废水排放问题约为222.5亿吨（未含乡镇工业），具有很大的开发潜力。例如美国能源部制定了一个生物燃料研究计划，其中就有从城市垃圾（MSW）中分解出沼气，其具有良好的前景和市场竞争力。由于沼气具有资源广泛、废物利用、价格便宜、燃烧完全、排放清洁的特点，并且具有较高的热值和较好的抗爆性能，因而它在发动机上的应用越来越受到人们的重视。这不仅解决了污染问题，还缓解了能源紧张状况。有鉴于此，笔者对沼气特性在发动机上的应用和发展作了评述。1、 沼气的热化学分析 沼气是一种混合可燃性气体，常见组成成分物质特性见表1，其主要成分是甲烷（CH4），其余为二氧化碳（CO2）、氧气（O2）、氮气（N2）和硫化氢（H2S）。按容积比来计算，甲烷含量约为50%70%，二氧化碳含量约为20%50%。在273K、101.3kPa标准状态下，沼气对空气的相对密度为0.94左右。甲烷的着火温度较高（905.3K），燃烧速度较慢。另外，沼气中大量存在CO2对燃烧具有的强烈的抑制作用，所以沼气的燃烧速度很慢。当沼气用于发动机时，容易产生后燃等不正常的燃烧现象，一般可通过快速燃烧技术，提高压缩比，加强混合气的气体扰动，提高点火能量来解决。表1 沼气觉组成成分的物质特性气体沸点（）气体比容M3/kg热值（MJ/m3）化学计量空燃比低热值高热值（kg/kg）CH4-160.151.473033.9537.7117.68CO-192.00.910211.962.392.71H2S-60.30.740823.0425.044.01CO2-78.50.5736000N2-195.80.9011000O2-183.00.7889000注：气体比容为标准状况（T=273K,p=101.3kPa）下的气体比容沼气中的硫化氢含量虽然很少，但是它对发动机的影响却很大。一般，当硫化氢的含量低于0.1%，沼气可不经过任何处理直接进行发动机燃烧，而当硫化氢的含量超过0.1%，沼气则必须先经过氢氧化镁或石灰石脱硫处理后才能进入发动机，否则硫化物将严重腐蚀发动机零部件，特别是气缸、活塞环和轴瓦等。1.1 沼气热值热值可以分为高热值和低热值两种，在沼气发动机的实际循环中应取低热值。沼气的可燃部分某一组成的体积分数与该组成低热值的乘积即为该组成的发热量，各可燃组成的发热量之和即为沼气的低热值（一般为2025MJ/m3）。计算公式为Hu=huiQi/100式中 Hu- 沼气燃料的低热值，MJ/m3 hui - 各可燃组成的低热值，MJ/m3 Qi - 各燃组成部分的体积分数1.2 完全燃烧所需要的理论空气量沼气可燃部分中某一组成完全燃烧所需理论空气量与该组成的百分含量之积为该组分完全燃烧所需理论空气量。各可燃组分完全燃烧所需理论空气量之各即为沼气完全燃烧所需空气量。若沼气中含有少量的氧，在计算中应减去氧的当量空气量，即A=ai(Qi /100)-（Q0/21）式中 A沼气完全燃烧所需要的理论空气量 ai某组成完全燃烧所需的理论空气量 Q0氧的体积分数1.3 混合气热值 Hum=Hu/(aA+1) 式中 Hum混合气低热值，MJ/m3 a过量空气系数2、 沼气燃烧的基本特点由于沼气的主要成分是甲烷，甲烷的燃烧着火点温度较高，这样沼气的着火温度相对较高，沼气发动机中产生末端气体自燃现象较少。通过对甲烷-空气混合气的燃烧实验模拟和研究表明：甲烷-空气的混合气在发动机中的燃烧具有优异的排放特性和良好的抗爆性，在诸多代用燃料中，沼气倍受青睐。当然，由于沼气中含有大量的CO2（20%50%），所以沼气的燃烧速度较其他燃料慢（在理论空燃比为6.2时沼气的最大燃烧速度为0.23m/s），这导致沼气发动机在实际运行中燃烧持续期变长，后燃严重，排气温度增高，严重损害了沼气发动机的经济性和可靠性。对此可以通过加强气体运动，提高湍流强度来改善。沼气的燃烧特点决定了沼气发动机具有与其他燃料发动机不同的特征：（1） 压缩比 沼气含有大量的甲烷以及二氧化碳，其抗爆性好，不会发生末端气体的自燃现象，因此可适当提高压缩比。（2） 进气系统 在空气滤清器后，需加装一套沼气-空气混合器，以调节空燃比和混合进气量，混合气应调节精确。（3） 燃烧室 由于沼气在含有大量二氧化碳，其燃烧速度很慢，对于燃烧过程的组织不利，因此采用加快燃烧速度的燃烧室。（4） 调速系统 沼气发动机的运行场合大多是以发电机为负荷，所以调速系统必不可少。（5） 沼气脱硫装置 沼气中含有少量的硫化氢，该气体对发动机有强烈的腐蚀作用，因此供发动机用的沼气要先经过脱硫处理。（6） 废气排放 由于沼气中有大量的甲烷，所以其整机排烟少，以因沼气中含有较多的二氧化碳，这有助于降低燃烧温度，这容易导致碳氢化合物的生成，所以对合理组织好缸内燃烧要求较高。3、 沼气发动机的分类和性能分析3.1 沼气发动机的分类沼气发动机一般由柴油机和汽油机改制而成，分为双燃料式和单燃料式两种。它主要作为固定动力源，如发电机组、动力与供热复合装置系统（Combined Heat and Power,CHP）等。对于沼气/柴油双燃料发动机，可通过向燃烧室内喷入少量柴油引燃，在结构上只需对柴油机的进气管和调速机构作些改动，改装简单，并且具有良好的灵活性。而对于火花点火式沼气发动机，需要采用高能点火系统，增大放电初期的电流和电压可明显改善点燃式沼气发动机的性能。3.2 沼气发动机性能分析沼气发动机的性能除了结构设计因素外，它在某种程度上取决于沼气的特征。3.2.1 发动机的输出功率对于自然吸气式的沼气发动机来说，它的输出功率与所燃用的沼气空气混合气的低热值有关。目前大部分沼气发动机都是用柴油机改制的，在发动机的各项性能指标不变的前提下，通过下式可确定改装后的沼气发动机的输出功率：P1PHum1/(1+Hum)式中 P1改装的后沼气发动机的功率，kW P原柴油机的功率，kW Hum1沼气空气混合气低热值，MJ/m3 Hum天然气空气混合气的低热值，MJ/m3有资料显示，发动机其他参数不变，尽管沼气的低热值比天然气要低得多，但是如果两者混合气的低热值相差不大，则改装后的沼气发动机的输出功率与原柴油机相比，相差不大。3.2.2 沼气消耗率因为惰性气体不仅不参加燃烧反应而产生热量，而且要吸收一部分热量作为废气排出发动机，这部分热量损失在计算发动机某一功率下燃油消耗率时必须考虑进去。现在国内普遍认为柴油机改装沼气发动机，其热效率下降约为1.5%，燃气消耗率比较高。4、 沼气发动机的排放4.1 沼气发动机的主要有害排放及其生成机理发动机排放的有害物主要为：CO、NOx、HC以及少量的SOx和颗粒排放。根据高温NO的反应机理，产生NO的要素是温度、氧深度和反应时间，在足够的氧深度下，温度越高、反应时间越长，生成的NO越多。由于沼气发动机的燃烧速度慢，燃烧温度较低，NOx比柴油机低得多。沼气在含有大量的CO2（20%50%)，且本身含有一定量的CO组成成分，燃烧时氧气深度相对柴油机很低，因而CO和HC的排放相比之下高。沼气是一种生物类气体燃料，颗粒显然比柴油机排放少。至于SOx，排量虽然很少，但排入大气中，会形成酸雨，危害极大。所以有必要对沼气进行脱硫的前处理，不但可以减少发动机的腐蚀，延长寿命，而且可以减少有害含硫物的排放。4.2 减少沼气发动机有害排放物生成的措施 （1）对进气进行处理，尤其是脱硫处理。 （2）适当提高压缩比。实际压缩比与发动机制配气相位、速度和负荷大小有关，因而是个变量，提高实际压缩比，提高终了压缩温度和压力，有利于提高混合气的燃烧效率，缩短燃烧时间，降低沼气消耗率，使混合气充分快速燃烧，减少有害排放物的生成。且沼气中甲烷含量高，具有很好的抗爆性能，所以压缩比可大幅度提高，但是过高提升压缩比，会导致NOx的排放增加，且对发动机缸体强度提出了很高的要求，因而不利。 （3）合理组织缸内燃烧过程。加强混合气的气流扰动能使可燃混合气快速燃烧，减少有害排放物。采用特殊形状的燃烧室（如风扇形燃烧室），采用电控技术，组织进气，加强缸内气体挤流和涡流，尽可能完全燃烧，避免有害排放物的大量生成。 （4）采用高能点火系统。对于火化点火发动机，采用高能点火可有效增加火焰传播速度，缩短滞燃期，避免后燃严重、排温增高的恶果，使污染降低。 （5）加装后处理净化装置。5、 沼气发动机的现状和未来国外对沼气发动机的研究起步很早，沼气发动机的零部件的性能稳定，如普遍使用电子调速器和电子点火装置等，这就保证了整机有良好的综合性能指标。国内对沼气发动机的研究大约开始于20世纪80年代，发动机类型以双燃料为主，全烧式机型很少。在实际生产中厂家只是简单地由柴油机或汽油机改制而成，致使发动机在运行中出现很多问题，诸如热负荷高、可靠性差以及起动等。另外国内零部件可靠性较差，有的关键件还需要进口。所以，既要