【毕业学位论文】（Word原稿）燃气内燃机用于生物质燃气的试验研究-热能工程

分类号 密级 编号 中国科学院研究生院 硕士学位论 文 燃气内燃机 用于生物质燃气的 试验研究 指导教师 研究员 中国科学院广州能源研究所 申请学位级别 硕士 学科专业名称 热能工程 论文提交日期 论文答辩日期 养单位 中国科学院广州能源研究所 学位授予单位 中国科学院研究生院 答辩委员会主席： as s 008 摘要 I 摘要 随着世界范围内 内燃机 保有量快速的增长，全球石油资 源的过度开发，燃油供需 矛盾日益加剧，开发 燃油替代能源 迫在眉睫。 我国 具有丰富的 燃气 资源， 燃气 作为 内燃机 的代用燃料是一种理想的能源 。 燃气 内燃机 的开发， 不仅 能充分利用现有的能源、缓解石油短缺的压力 ,还 能向电力紧缺的 地区 供电 ，在分布式能源发电领域发挥其优势 。 本论文简要地阐述了国内外燃气内燃机的现状和发展趋势， 主要技术问题以及 研发燃气内燃机的意义。对于生物质气化气的特性 对内燃机的影响 ， 从气化气成分、燃烧特性、热值 以及气化气中杂质几方面 进行了深入分析 。对实际工程应用中 8300 型 生物质气化气内燃机出现的气门弹簧频繁断裂 现象进行了分析 ， 通过对配气机构研究发现，气门加速度突变是导致气门弹簧断裂的主要原因 。 针对原 配气 凸轮的缺陷，设计了一种全新的高次方凸轮来满足生物质气化气内燃机的要求。 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 5物质气化 示范工程中 应用的燃 气 内燃机在不同负荷下的燃气消耗率、排气温度、最大爆发压力以及 烟度、 O, 排放特性进行了试验研究 。 试验发现，气化气热值低、大量阻燃成分的存在是导致燃气内燃机经济性、动力性降低的主要原 因，采用合适的空燃比、加强缸内气体流动、 对尾气进行催化还原是降低生物质气化气内燃机尾气排放的有效措施 。 采用 件对当前应用的生物质气化气内燃机进行模拟计算，优化了 8300 型 生物质气化气内燃机的点火提前角、空燃比两个内燃机参数 。 关键词： 生物质 气化气 ； 内燃机 ； 空燃比 ； 点火提前角 ； 件 燃气内燃机用于生物质燃气的试验 研究 of of of is of as is a of of to of is of to a of in of of of of to is of of of of 300 in of is A is to of to of (863 a 5 MW to of of is of II of in to of of is of 气内燃机用于生物质燃气的试验 研究 录 第一章 文献综述 . 1 言 . 1 种可燃气体的分析 . 1 内外燃气内燃机的应用状况 . 3 气内燃机的主要技术问题 . 5 气内燃机的应用前景 . 8 文的主要研究内容 . 8 参考文献 . 9 第二章 生物质气化气应用于内燃机的特性分析 . 11 言 . 11 物质气化气内燃机发电过程简介 . 11 物质气化气特性分析 . 12 化气成分分析 . 12 化气燃烧特性分析 . 13 化气热值分析 . 14 化气中杂质的影响 . 15 物质气化气特性对内燃机的影响 . 16 气系统 . 16 烧系统 . 16 章小结 . 18 参考文献 . 18 第三章 生物质气化气内燃机配气机构分析 . 20 言 . 20 门弹簧断裂的原因分析 . 21 物质气化气燃烧特性分析 . 22 300 内燃机配气凸轮的分析 . 23 气凸轮分析 . 24 气凸轮分析 . 26 轮的优化设计 . 26 冲段设计 . 27 本段设计 . 28 项式高次方凸轮介绍 . 28 气凸轮基本段设计 . 30 气凸轮基本段设计 . 32 章小结 . 33 参考文献 . 33 第四章 燃用生物质气化气的试验研究 . 35 言 . 35 目录 V 燃机性能试验 . 36 燃机经济特性分析 . 37 燃机排温、动力特性分析 . 37 燃机排放特性分析 . 39 度 . 40 . 41 O . 41 C . 42 章小结 . 42 参考文献 . 43 第五章 燃气内燃机的模拟计算 . 44 言 . 44 燃机模型的建立 . 44 气内燃机的模拟计算 . 45 章小结 . 52 参考文献 . 52 第六章 结论 . 53 1论文主要结论 . 53 2本论文的主要创新点 . 53 3存在的问题和下一步工作计划 . 54 个人简历及论文发表情况 . 55 致谢 . 56 第一章 文献综述 1 第一章 文献综述 言 近几年的能源价格上涨，能源紧缺日渐成为 制约 经济 快速 发展 的瓶颈；加之由于化石燃料的大量燃烧所引起的环境污染和温室效应已严重危害到了人类赖以生存的自然环境 。 因此，开发利用高效清洁的能源转换技术以及替代能源技术，寻找更广泛的燃料来源成为当今社会的重要议题 ， 从而使得以前往往被人们忽略的焦炉煤气、煤层气、垃圾填埋气等可燃气体日益受到重视。我国存在大量的可燃气资源，但由于这类气体往往纯度不高或含其他有害杂质等难以利用， 现在大部分被白白排放 或 点火烧掉 ， 既 造成能源浪费、环境污染 ， 同时也产生安全隐患。充分合理的利用这些燃气资源不仅能变废为宝 ，缓解当前的能源紧张问题 ；同时能够减少 环境污染，避免事故发生。 由于气源质量不高，可利用的气体规模不大等原因使得这些可燃气体不适合作为燃气轮机和蒸汽轮机的燃 料 ，应用于内燃机被认为是最有效的利用方式。 燃气内燃机发电具有发电效率高；市场可选择机组容量范围大；燃气热值应用范围广的特点。 与蒸汽轮机、燃气轮机相比较，燃气内燃机发电具有明显的优势，尤其是在气源分散、供应不稳定、气量不大的情况下 ， 优势更加突出 ， 因而使得燃气内燃机在 分布式 发电领域得到广泛应用。 种可燃气体的 分析 与天然气相比，焦炉煤气、低浓度煤层气、高炉煤气、沼气、生物质 气化 气、垃圾 填埋气等具有热值低 、 能量密度小 、 可燃成份不稳定 、 杂质含量多的特点，表 1 热值。 燃气内燃机用于生物质燃气的试验 研究 2 表 1燃气体的 主要 可燃成分及低热值 1 he of 体种类 主要可燃气体成分 低 热值（ 焦炉煤气 6000浓度煤层气 10000%2） 高炉煤气 300气 00005% 秸秆 气化 气 500圾填埋气 30% 70%） 随 相对于柴油、汽油等液体燃料来说，气体燃料品种多样，各种燃气的可燃气体成分、热值都存在很大的差异，从而难以开发研制出一种燃气内燃机来满足各种可燃气体的要求。对于目前所应用的改进机型来说面临空燃比难以控制 ， 燃烧性能不稳定，功率下降等诸多问题。下面对于几种可燃气体的特点及应用燃气内燃机的技术障 碍作简要介绍： 1 低浓度煤层气俗称瓦斯，其 主要可燃成份甲烷的含量随机性变化较大，燃气成分不稳定，从而对煤层气 内燃机 的研制设置了很大障碍。由于成份不稳定，混合气的空燃比也随时发生变化，致使气缸内空燃比波动较大，使得 内燃机 转速和输出功率产生大的波动，严重的会出现点火不连续，点火发生放炮甚至停机。 2 焦炉煤气的主要可燃成分为 与空气混合的最大燃烧速度为 s(同等条件下 s,s)3， 使得燃烧室内混合气体的燃烧速度很快 ,导致 内燃机 存在着爆燃倾向大 ,排气管放 炮严重的 问题 。 3 高炉煤气热值较低，主要可燃成分 燃烧速度慢，导致混合气的燃烧速率低 、 火焰稳定范围窄 。 气体中含尘量大，并含有腐蚀性成分，需要净化处理才能应用于内燃机。 4 沼气中含有水分和 些有害成分会对进气管道和 内燃机 部件产生腐蚀，严重影响内燃机的正常工作和使用寿命 。 可燃成分使内燃机转速和输出功率不稳定，严重第一章 文献综述 3 者会导致熄火。气体净化和燃气混合是沼气内燃机需要解决的关键问题。 5 生物质气化气包括由秸秆、稻壳、锯末等气化所得的气体，因其 含有大量焦油、灰份和水等杂质对于内燃机的正常工作不利。对于燃烧生物质气化 气的内燃机需要进行气体净化处理后才能燃用，由于气体的热值不高使得内燃机的效率较低。 6 垃圾填埋气成分除可燃气体 含有大量的 4，在燃烧过程中吸收大量的热量，一方面降低了燃烧室的温度，减少了爆燃的可能性；另一方面作为一种惰性气体，对整个燃烧过程 起 抑制作用，使得混合气点火困难 、 火焰传播速度慢，导致 内燃机 后燃严重 、 排气温度高 、 整机效率 较 低。对于应用垃圾填埋气的内燃机需要 解决的关 键问题是尽可能地提高 缸内混合气的 燃烧速度。 内外 燃气内燃机的应用状况 以天然气等可燃性气体作为 内燃机 燃料，在世界上已有 100 多年的历史 。 与其他燃料相比，可燃气体具有资源丰富、燃烧清洁、安全可靠、经济可行等特点，进而 在世界上得以迅速发展 5。 美国 (如： 德国 (如： 奥地利 (如：日本 (如： 芬兰是世界上 燃气内燃机 技术水平较发达的国家，他们主要研究的对象是天然气、沼气、垃圾 填埋 气等为燃料的 燃气内燃机 ，并拥有先进成熟的技 术和产品，特别是大功率、大缸径机型技术非常成熟。从技术特点来看，美国侧重于使用真空度膜片机械式燃气 内燃机 技术，而德国、奥地利等国侧重于使用电控燃气喷射技术，芬兰则使用单缸进气门前电控喷射技术方式 6。 我国燃气 内燃机 发展时间较短，技术水平相对落后。自 80 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、重庆红岩机器厂及新中动力机厂等先后涉足这一领域，开始在柴油机基础燃气内燃机用于生物质燃气的试验 研究 4 上改制或重新设计 燃气内燃机 5。改制的气体燃料 内燃机 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 内燃机 有了实质性的变化。我国已将电子技术引入 燃气 内燃机 ，开发研制了电控、电喷型 燃气 内燃机 。 目前我国所运行的燃气内燃机大都是由柴油机或燃烧天然气的内燃机进行改进的，由于进气难以控制、燃烧效率低下、后燃 及 爆燃严重等诸多问题使得整机效率低下。 表1举了我国目前应用的主要几种燃气内燃机。 表 1国 燃气内燃机的应用状况 of in 气种类 机型 主要技 术特点 试验及应用情况 原机型 改装机型 焦炉煤气7 12焦炉煤气内燃机 燃技术 ，主燃烧室设计成浅盆形； 加装火花塞，压缩比由 子点火系统 整个试验过程，机组性能稳定，动力性好，工作可靠。 煤层气8 内燃机车12油机 瓦斯 内燃机 用预燃烧室，燃烧室采用浅盆形结 构 首台样机在安徽某煤矿试验，机组运行平稳，功率稳定，各项指标达到设计要求。机组目前在安徽、山西、宁夏、辽宁等地煤矿得到广泛应用。 高炉煤12压中冷技术，燃烧室采用顶部盆式 南宜良越兴钢铁有限第一章 文献综述 5 气9 气机 比，进气管装有防爆门 术 公司和山西翼城鑫泽钢铁有限公司使用，运行状况良好。 沼气10 目前已形成 105、190、 240、 280 四大系列 1率覆盖范围从 4 到 2000北京排水集团高碑店污水处理厂、江苏宜兴柠檬酸厂、山东潍坊海化集团等多家单位使用，效益显著。 生物质气11 8300柴油机 8300气内燃机 器混合；进气管采用双层结构，活塞压缩比由 12降低到 912 利用中科院广州能源研究所锯末气化产生的气体进行试验，能适应高焦油、低热值的生物质气燃烧，具有功率大、排温低、耗气少、清除焦油方便、运行可靠等优点。 垃圾填埋气13 190 系列天然气 内燃机 2190垃圾填埋气内燃机 1 试验在一台 2190T 天然气内燃机 上进行。采用压缩天然气与压缩二 氧化碳的混合气模拟填埋气，改进后性能明显改善。 气内燃机的 主要 技术问题 燃气资源由于 分布分散 、 利用技术水平不高 、 社会意识淡薄等方面的原因 尚未得到大规模的应用 ， 从而使得燃气内燃机产量小 、 适用面窄 、 开发难度大 、 成本高 。 国内从事研究开发、 制造的院所厂家少 ,探索内容不宽 ,使得燃气内燃机的发展受到了很大的制约 。 燃气内燃机用于生物质燃气的试验 研究 6 进气和燃烧是燃气内燃机的关键技术，精确控制可燃气体与空气的混合比，缸内准确点火燃烧都是燃气内燃机重点发展的方向。燃气内燃机的进气和燃烧主要采用以下几种方法 14： 1 采用类似汽油机化油器形式 的预混和燃烧方式（图 1示），即燃气与空气在气缸外混合后送入气缸内燃烧。该方法对于混合气的空燃比能精确控制，却容易发生爆燃， 并且 热效率不 高。 2 采用类似柴油机的质调节方式（图 1示），可燃气体在压缩冲程上止点采用高压喷射器直接喷入气缸内，与从进气门进入气缸的空气混合后，由火花塞点燃燃烧。该方法使得混合气的燃烧速度大为提高，从而提高了热效率，但由于采用了高压装置，增加了系统的复杂性和能量消耗。 3 利用柴油进行引燃的混合燃烧方式（图 1 将可燃气体与空气在混合器中形成可燃 混合气吸入气缸后 ,当活塞压缩接近上止点时 ,向燃烧室 内喷入少量柴油，将柴油压燃后点燃缸内混合气。 该方法需要增加一套额外的柴油供油系统，使得制造成本增加；随着柴油价格的上涨，内燃机运行的经济性不高。 4 采用预燃室的火花塞点火燃烧方式（图 1示），将加浓的混合气或其它高品质的燃料喷入预燃室点燃，再去引燃主燃烧室的混合气体。该方法由于采用主附燃烧室结构，使得内燃机系统结构复杂，加工制造成本较高。 图 1油机化油器形式的燃烧方式 一章 文献综述 7 图 1油机形式的质调节方式 of 1油引燃的混合燃烧方式 1燃室的火花塞点火燃烧方式 气内燃机用于生物质燃气的试验 研究 8 气内燃机的应用前景 与 天然气、液化石油气相比，焦炉煤气、低热值煤层气、高炉煤气、沼气、生物质气化气、垃圾填埋气等气体由于能量密度相对较小，运输存储困难等方面的原因，使得应用这些气体的内燃机不适合作为汽车等移动式动力机械的燃料，用来发电是利用这些可燃气体的最佳选择。 在低热值燃气内燃机的研制上，中国科学院广州能源研究所进行了深入研究，并申请了低热值气体燃料混合技术的专利 15。先后与重庆红岩机械厂、广州宇联机电公司、瑞士 司、淄博柴油机厂合作，进行了柴油机改装燃气内燃机用于生物质 气化 气发电的研发工作，先后研发出 2500050气内燃机 ，并成功应用于低热值、高焦油含量的生物质气化发电过程中，利用这些燃气内燃机建成的生物质气化发电站装机总容量 近 100现了初步产业化。随着能源紧缺和环境保护的要求，燃气内燃机发电作为低热值燃气利用的一种有效方式，具有广阔的应用前景，尤其在可再生能源领域，必将成为21 世纪分布式发电的重要组成部分。 文的主要研究内容 本文是在已经投于运行的 8300型生物质气化气内燃机的基础上 完成的。首先对采样的生物质气化气进行 了 分析 。 对于燃气内燃机的分析则重在通过气门弹簧频繁 断裂的现象，引出了对配气机构的分析，分析了配气凸轮存在的缺陷，并给出了解决方案。试验部分，主要对生物质气化气内燃机组的经济性、动力性、排放性进行了试验。最后采用 化了内燃机的参数 。 文章分为以下几部分： 1 生物质气化气 特性分析； 2 配气机构的优化设计； 3 试验部分 ； 4 生物质气化气内燃机的模拟计算。 第一章 文献综述 9 参考文献 1 顾心怿，张铁岗，周世宁，徐大懋 力培训， 2005 2 陈宜亮 J然科学版） 17（ 4） :1083 项友谦 M中国建筑工业出版社， 2000 4 孙家峰 ,姚春德 ,何邦全 ,高昌卿 ,刘增勇 J2002， 8(4)： 3485 陈宜亮，牟善祥 燃机 技术发展与展望 J2003， 4： 116 龚冬英 物质气 内燃机 研制 D海交通大学硕士论文 2 7 张启军，郭军良，苏展望 燃机 及其机组的研制 J2005， 4:248 刘志强 ,祝传艮 燃机 的研制开发 J2004,4：179 王磊，刘庆海，吴增刚 J2006， 2:1810 孔庆阳 J2006， 2:2811 戴磊 ，李宗立，辛强之，高绪伟 气内燃机 的研制 J5:412 高绪伟，李宗立，辛强之 气内燃机 的开发及初步试验 J2002， 2:7213 许锋，张大林，范曙睿 ， 马福军 燃机 的实验研究 J002， 1:914 孟凡生 ,阴秀丽 ， 蔡建渝 ，马隆龙，吴创之 J2007,3:4615 蔡建渝 ， 项开新 ， 胡绍福 燃机低热值气体燃料混合装置 P燃气内燃机用于生物质燃气的试验 研究 10 2005 第二章 生物质 气化气应用于内燃机的特性分析 11 第二章 生物质气化 气 应用于内燃机的 特性 分析 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 能 有效 减少温室气体的排放。 传统的生物质能利用采用直接燃烧方式，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裂解，变为较低分子量的 1。 气化获得的气体燃料作为一种清洁能 源， 不仅 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。 生物质气化发电