基于化学动力学分析HCNG燃烧特.doc

基于化学动力学分析HCNG燃烧特性（长安大学汽车学院，西安 710064）摘要：掺H2天然气HCNG除了具有高热能、低排放的优点外，还能提高天然气的稀燃能力和热效率状况，是节能减排趋势下重要的清洁能源之一。本文基于化学动力学软件模拟HCNG缸内工作过程，并对不同掺H2比的天然气的放热规律和燃烧速率进行了分析比较，从而证实了HCNG良好的燃烧特性。关键字：HCNG，化学动力学，燃烧特性，分析比较1 引言随着CNG汽车保有量增加，天然气发动机技术已逐步成熟。由于天然气稀燃能力差、火焰传播速度慢等缺点，在实际使用过程中，发动机热效率低，燃烧循环变动率大，同时，受压缩比限制，天然气发动机动力性低。HCNG（Hydrogen enriched Compressed Natural Gas）是氢气和压缩天然气CNG按照一定比例混合的燃料，又名氢烷（Hythane），它可以提高天然气火焰传播速率，改善天然气的稀燃能力。合适的掺H2比也可以保持天然气的高热值、低排放的优点，并对发动机循环热效率有一定的提高。随着近年来人们对HCNG的认识和研究，HCNG在新能源的开发和利用方面具有很大潜能，成为节能减排的重要清洁能源之一。目前，山西国新能源发展集团有限公司在全国率先提出采用煤气提氢工艺，并在山西河津地区建设了国内第一个HCNG新工艺示范项目。本文基于化学动力学软件模拟HCNG缸内工作过程，并对不同掺H2比的天然气的放热规律和燃烧速率进行了分析比较，从而验证了HCNG良好的燃烧特性。2 HCNG研究现状国内外众多内燃机学者一直致力于提高HCNG发动机动力性、经济性和排放特性。主要的研究点火提前角和当量比还对不同掺H2比的HCNG燃烧性能的影响1。Nagalinyam等人试验证明了掺氢后的天然气对发动机的点火提前角有影响，他认为HCNG最佳点火提前角的延迟是由于H2的燃烧速度较快的原因，这使得火焰温度下降，从而对降低NOx排放十分有利。Yusuf等人研究发现低负荷时燃用HCNG与燃用CH4相比，NOx的排放增加，未燃HC和CO的排放降低。Hoekstra和Lynch等人对不同掺H2比的HCNG的当量比与排放的关系进行研究，发现随着当量比的降低，NOx排放增加，而HC排放有所下降；当当量比为1.6时，掺H2比为28%和36%的HCNG的NOx排放最低2。Sierens和Rosseel等人研究了CNG/H2体积混合比为100/0、90/10和80/20的HCNG燃烧排放特性，证实只有HCNG在较低的掺H2比时才能实现低排放特性3。Bauer等人对HCNG的稀燃极限和选择最优掺H2比做了较深入的研究4，研究发现20% 30%掺H2比可使发动机获得最理想的动力性、经济性和排放特性,过高的掺H2比易使发动机爆震，功率下降，而过低的掺H2比对HCNG发动机的性能和排放改善不理想。3 模型与分析本文运用零维模拟软件，从化学动力学角度分析HCNG燃烧过程。利用该模型的IC模块，模拟发动机工作过程。假设初始条件为：进气压力1atm，气缸工作温度600K，转速1500rpm，燃烧反应时间40ms，反应气体组分包括O2、N2、CH4、H2四种物质。O2和N2作为空气的主要成分，摩尔质量比为21:79，不计其它成分；天然气用CH4表示， H2所占CH4与H2总和的摩尔比即为掺H2比。燃烧模式为绝热均质燃烧（假设为理想状态，未考虑传热损失）。图1是通过模拟HCNG缸内工作过程分析不同掺H2比的天然气燃烧压力随时间的变化关系。图1 不同掺氢比的HCNG的示功图天然气的燃烧放热量接近甲烷的燃烧放热量，约为890.3KJ/mol，而氢气的燃烧热为285.8KJ/mol，由此可见，等体积的天然气与氢气相比，放热量较大，但HCNG的放热量有所增加。如图1所示，在明显燃烧期5，氢气燃烧速度最快，压力最先升高，而HCNG比纯天然气的燃烧速度快，压力也提前上升，这是由于氢气的燃烧极限比较宽，氢气的燃烧可以诱发天然气燃烧。此外，从图1也可以看出天然气燃烧过程中缸内压力峰值最大，HCNG的有所降低，纯氢气的压力峰值最小；而且在ATDP-25CA附近，天然气的压力升高率较大；补燃期，天然气和HCNG燃烧压力变化没有太大差异，均高于氢气。图2 不同掺H2比的HCNG的燃烧压力随反应时间的变化情况图2是不同掺H2比的HCNG的燃烧压力随反应时间的变化情况一般混合气燃烧开始会伴随剧烈放热，从而导致气体温度和压力迅速升高，使气体的温度和压力曲线出现剧烈上升的现象。因此，可以从压力和温度曲线的拐点来判断混合气燃烧发生的时刻及其持续期。如图2所示，随着时间的推迟各气体温度和压力都存在明显升高的现象，说明三种燃气都在不同缸内环境下都发生了燃烧现象。但，其压力和温度曲线上升拐点对应的时间不同，明显发现掺H2比高的气体发生着火所需时间更短，这表明H2的加入对天然气的燃烧确实产生了较大影响。根据甲烷的化学反应机理可知，甲烷在与空气发生化学反应过程中H、O、OH是最为重要的活性基，不仅与CH4最初始的脱氢反应有关，并且与中间若干种重要中间产物CH3、CH2(S)、CH2、CH2O及CO都有直接的关系。H2的初始激发反应是H2+MH+H+M和H2+O2HO2+H，这两个过程比CH4脱氢更加容易。虽然H2的初始反应仅能产生较少的H，但它为CH4的链式反应做出了较大的贡献。并且随后发生的H+O2O+OH及O+H2H+OH等氧化反应可以为CH4链式反应持续提供OH活性基。此外，氢气特有的燃烧特性使其掺入天然气后, 发动机的燃烧和排放特性有着明显的变化。随掺H2比增加，燃烧相位提前，缸内最高压力和最高平均温度增加，热效率提高。由于氢气壁面激冷距离比天然气小，壁面淬熄产生的HC排放降低，且混合燃料H/C比值增加，有助于降低HC排放。小负荷工况时NOx的排放差异不大，大负荷工况时，NOx排放随掺H2比增加而增加。4 结论 HCNG作为21世纪新型能源之一，受到国内外众多内燃机行业学者的青睐。它不仅保持了天然气高热能、低排放的优点，而且改善了天然气的稀燃能力和热效率状况。本文基于化学动力学研究分析了HCNG的缸内放热情况和燃烧速率。H2燃烧速度较快，它初始反应生成大量OH活性基，为CH4的链式反应提供了物质条件。参考文献1 刘海全，马凡华，殷勇.天然气掺氢发动机的研究现状和发展趋势.车用发动机.2006.8.第4期.2 Fuiton J, Lynch F. Hydrogen for Reducing Emissions from Alternative Fuel VehiclesC, SAE Paper 931813, 1993.3 Sierens R, Rosseel E. Variable Composition Hydrogen/natural Gas Mixtures for Increased Engine Efficiency and Decreased EmissionsJ. Transactions of the ASME, Journal of Engineering for Gas Turbines and Power, 2000, 122(1): 135-140.4 Bauer C G, Forest T W. Effect o