PDF《190 型热裂解生物质气发动机性能研究》

第28 卷第5期农业工程学报Vol.

28 No.5

50 2012 年3月Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Mar.

2012 190 型热裂解生物质气发动机性能研究 张强1,李 娜1,2 ,王令金

3 ,李国祥

1 (1. 山东大学能源与动力工程学院,济南 250061;

2. 济南大学机械工程学院,济南 250022;

3. 中油集团济南柴油机股份有限公司,济南 250306) 摘要:为了解不同运行参数和不同材料的热裂解生物质气对发动机功率和有害排放物的影响,该文利用热裂解低热值 生物质气作为大缸径非增压火花点火发动机的燃料,研究了生物质气发动机的动力性、经济性和排放性.试验数据表明: 发动机全工况范围内稳定运行;

发动机的燃烧速度较慢,点火提前角为 BTDC32 A ℃ 时发动机燃烧效果最好;

发动机的 排放性较好,NO 排放随负荷的增大而升高,HC 和CO 排放随负荷的增大而降低,随裂解气热值的增加 NO 排放升高. 因此,低热值热裂解生物质气作为大缸径发动机的燃料可以实现发动机的稳定运行,并具有较好的经济性和排放性. 关键词:内燃机,生物质气,热裂解,发动机性能,排放 doi:10.3969/j.issn.1002-6819.2012.05.009 中图分类号:TK421.5 文献标志码:A 文章编号:1002-6819(2012)-05-0050-04 张强,李娜,王令金,等.

190 型热裂解生物质气发动机性能研究[J]. 农业工程学报,2012,28(5):50-53. Zhang Qiang, Li Na, Wang Lingjin, et al. Performances of

190 engine fueled with thermal cracking biogas[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2012, 28(5): 50-53. (in Chinese with English abstract)

0 引言? 控制全球气候变暖,防止极端气候的出现,已经成 为各国的职责.哥本哈根气候会议各国提出了控制二氧 化碳排放的目标.内燃机在为人们提供动力的同时是重 要的二氧化碳排放源.由于生物质参与大气中的碳循环, 非道路用内燃机燃用生物质能可以实现碳的零排放[1-3] . 生物质能在内燃机方面的利用主要包括

2 种方式利用生 物质能生成沼气,沼气作为内燃机的燃料;

对于干燥的 稻壳、木屑等较难生成沼气的物质利用可控贫氧热裂解 生成生物质气,热裂解气作为内燃机的燃料[4-7] . 中国在进行农作物收割,粮食木材和坚果加工过程 中产生大量的秸秆、稻壳、木屑等生物质废弃物,利用 可控热裂解技术将这些废弃物进行气化发电,可以提高 能源的利用率,并减小由于农作物的废弃造成的二次污 染.这种生物质热电联供、综合利用技术正作为中国分 布式能源计划进行大力推广[8-9] . 热裂解生物质气具有热值低、成分随原料和裂解条 件而变化的特点,其低热值为

4 500~5

500 kJ/m3 .针对 中国生物质资源丰富,内燃发电机组成本低,便于移动 等优势,近年来国内高校及研究机构开展了生物质气用 于内燃发电机组的研究,尤其在小缸径生物质气发动机 方面进行了较为详细的研究[10-13] . 本研究开发 12V190 型 气体发动机,利用这种低热值生物质气作为燃料,研究 其动力性、经济性和排放性,为大功率热生物质气发动 收稿日期: 2011-08-26 修订日期: 2011-11-11 基金项目:国家科技支撑计划资助项目(2008BADC4B11) 作者简介:张强(1973-),男,山东青州人,博士,主要从事气体燃料发 动机的研究.济南 山东大学能源与动力工程学院,250061. Email: [email protected] 机的推广和性能改善提供研究基础.

1 试验样机与测试系统 1.1 试验样机

190 生物质气发动机是在 12V190 柴油机的基础上改 装而成.由于生物质气中含有一定量的焦油,在发动机 的进气过程中焦油会黏附在进气系统的壁面上,生物质 发动机不适合用废气涡轮增压器进行增压,因此本样机 采用自然吸气方式.在原柴油机的基础上进行了如下主 要改进:1)设计了适合生物质气发动机的混合器;

2) 设计了浅盆形湍流型燃烧室,在压缩时可以产生适当的 挤流和涡流,提高燃烧速度.3)原增压柴油机的气门重 叠角过大,重新设计了发动机的配气相位.4)设计了双 蝶阀电控系统,分别调整空气和生物质气的流量.发动 机主要结构参数如表

1 所示. 表1试验发动机技术规格 Table

1 Specifications of experimental engine 参数 规格 缸径* 行程/(mm* mm) 190*

210 压缩比

9 燃烧室形式 浅盆形 气缸数

12 冲程数

4 额定转速/(r・ min-1 )

1000 进气门开 BTDC

11 A ℃ 进气门关 ABDC

51 A ℃ 排气门开 BBDC

51 A ℃ 配气相位 排气门关 ATDC

11 A ℃ 1.2 测试系统 以发电机作载荷,按《气体发电机组通用技术条件》 第5期张强等:190 型热裂解生物质气发动机性能研究

51 对发动机的各项指标进行测试.图1为生物质气发动机 测试装置. 将稻壳、杏仁壳、木屑等原料,经过上料机送入气 化炉,在气化炉内受控燃烧并发生热解、氧化和还原反 应生成 CH

4、CO、H2 等可燃气体.对发生炉产生的燃气 进行净化处理,主要清除气体中的焦油和灰份,并对燃 气进行冷却.经过净化冷却后的生物质气经管道连接进 入发动机.试验中测量的主要参数包括动力性参数,经 济性参数和排放数据. 图1生物质气发动机测试装置图 Fig.1 Experimental setting of biogas engine

2 动力性及经济性 图2所示为采用稻壳热裂解生物质气发动机在转速 为1000 r/min, 不同点火提前角、 空载情况下发动机各缸 的排气温度.由图中数据可知:由于生物质气的热值较 低且含有大量抑制燃烧的 CO2,在空载进气量较少的情 况下,由于压缩温度较低、残余废气系数大,导致发动 机存在火花点火发动机经常出现的怠速或空载部分缸不 点火现象.这种现象是由于生物质气的热值低和多缸机 进气不均匀性导致的.但由于试验样机为

12 缸发动机, 虽然存在 失火 现象,发动机转速稳定.当发电机组 的功率大于

50 kW 时,随着进气量的增多、压缩温度提 高发动机 失火 现象消失. 图2机组空载运行各缸排气温度 Fig.2 Exhaust temperature of no-load operation 图3为发动机燃用热值为

5 400 kJ/m3 的稻壳热裂解 生物质气时,发动机稳定输出功率、排气温度随点火提 前角变化的关系. 由图中数据可知: 当发动机点火提前角为 BTDC32℃A 时所发出的功率最大、 排气温度最低, 为最佳点火提前角. 当点火提前角较小时,发动机点火推迟,后燃倾向 严重,导致排气温度升高,燃料利用率下降,功率降低;

当点火提前角增大时,发动机失火倾向增大,部分燃料 进入排气管中燃烧,导致排气温度升高,功率下降.发 动机排气温度为 600℃以上,处于较高水平,说明大缸径 生物质气发动机由于燃料热值低、燃料中含有抑制燃烧 的CO2 等气体、火焰传播距离长,致使燃烧速度慢. 图3不同点火提前角稳定输出功率和对应排气温度 Fig.3 Stable output power and corresponding discharge temperature at different ignition advance angle 试验中测量发动机在燃用稻壳气时的耗气量:当发 电机组输出功率为

300 kW 时耗气率为 2.12 m3 /(kW・ h), 稻壳消耗率为 1.574 kg/(kW・ h).

3 排放性 3.1 HC 排放性 图4分别为发动机燃用不同原料所产生的生物质气 时发电机组输出功率与 HC 排放之间的关系. 图4HC 排放随发电机组输出功率的变化 Fig.4 Curve of HC emissions varying with output power 由图中曲线可知:热裂解生物质气发动机的排放性 受燃烧过程和燃料性质双重因素的影响.发动机燃用不 同原料生物质气时,在发电机组输出功率较小时,相同 工况下,HC 排放水平差别较大;

随发动机功率的升高, HC 排放水平明显降低;

当发电机组功率为

250 kW 时HC 排放差别很小.这是因为随发动机功率的升高,进入气 缸的充量增加,在发动机结构参数保持不变的前提下, 由缝隙效应导致的 HC 排放降低[14-15] ;

随发动机功率的提 高,燃烧温度上升,燃烧充分,HC 排放降低. 试验中发现随着点火提前角的增大,HC 排放升高, 分析其原因为:推迟点火提前角可以降低气缸内气体的 压力,提高膨胀和排气过程中已燃气体的温度.较低的 缸内气体压力降低了积蓄在顶岸间隙内和缸套壁面润滑 油膜中的 HC 量, 同时膨胀和排气过程中较高的燃气温度 促进了 HC 在缸内和排管中的氧化,使发动机排气中的 农业工程学报

2012 年52 HC 浓度随点火提前角推迟而降低[16] . 3.2 NO 排放性 图5为NO 排放随发电机组输出功率的变化曲线. 如 图中数据所示, 整个功率范围内的 NO 排放均处于较低水 平,随发动机功率的增加,NO 的生成量增加.较低的 NO 排放是由于生物质气热值低, 且含有一定量比热容较 高的 CO2,使最高燃烧温度降低,抑制了 NO 的生成. 图5NO 排放随发电机组输出功率的变化 Fig.5 Curve of NO emissions varying with output power 如图

5 中曲线所示, 燃用

3 种生物质气时 NO 排放存 在差异,这是由以下原因造成的:1)过量空气系数不同. 如图

6 所示,燃用稻壳气时发动机的过量空气系数较燃 用其他两种原料气体时发动机的过量空气系数小,随着 过量空气系数的减小,燃烧温度升高,排气温度随之升 高,如图

7 中的排气温度所示.2)生物质气热值的差异. 试验过程中对生物质气热值进行了测量.稻壳气的热值 为5400~5

500 kJ/m3 、木屑气的热值为

5 070~5

200 kJ/m3 、杏仁壳气的热值为

4 660~4

880 kJ/m3 .在氧气充 足的情况下较高的燃烧温度使 NO 排放升高. 图6过量空气系数随发电机组输出功率的变化 Fig.6 Curve of excess air ratio varying with output power 图7排气温度随发电机组输出功率的变化 Fig.7 Exhaust temperature varying with output power 3.3 CO 排放性 图8 所示为生物质气发动机的CO排放随发电机组输 出功率的变化关系. 图8CO 排放随发电机组输出功率的变化 Fig.8 Curve of CO exhausts varying with output power 由图中排放曲线可知:随发电机组输出功率的增大, CO 排放降低;

当发动机功率大于

250 kW 时,燃用

3 种 热裂解生物质气时, 其CO 排放水平相差不大, 说明发动 机在大功率时虽然燃烧速度较慢,但燃........