沼氣發(fā)動機(jī)概述

1、沼氣發(fā)動機(jī)概述 現(xiàn)代發(fā)動機(jī)燃料大部分來自于石油。石油是一種不可再生資源，隨著時間的推移，它的使用受到很大限制，并且會帶來嚴(yán)重的環(huán)境污染，所以人們不得不尋找其他的代用燃料。在眾多代用燃料中，沼氣是一種良好的代用燃料。沼氣是有機(jī)物在隔絕空氣和一定的溫度、濕度、酸堿度等條件下，經(jīng)過沼氣細(xì)菌作用而產(chǎn)生的一種可燃?xì)怏w，它可以通過有機(jī)物（如秸桿）在厭氧條件下發(fā)酵制取，也可以對工廠和農(nóng)村中多種污染物質(zhì)（如動物糞便）和污水進(jìn)行適當(dāng)處理而得到。據(jù)統(tǒng)計，我國有大量的可用作生產(chǎn)沼氣的禽畜糞便和工業(yè)有機(jī)廢水資源，集約化養(yǎng)殖產(chǎn)生的畜禽糞便我國約有40 336萬砘，其中干物質(zhì)總量為3715.5萬噸，工業(yè)有機(jī)廢水排放問題約

2、為222.5億噸（未含鄉(xiāng)鎮(zhèn)工業(yè)），具有很大的開發(fā)潛力。例如美國能源部制定了一個生物燃料研究計劃，其中就有從城市垃圾（MSW）中分解出沼氣，其具有良好的前景和市場競爭力。由于沼氣具有資源廣泛、廢物利用、價格便宜、燃燒完全、排放清潔的特點，并且具有較高的熱值和較好的抗爆性能，因而它在發(fā)動機(jī)上的應(yīng)用越來越受到人們的重視。這不僅解決了污染問題，還緩解了能源緊張狀況。有鑒于此，筆者對沼氣特性在發(fā)動機(jī)上的應(yīng)用和發(fā)展作了評述。1、 沼氣的熱化學(xué)分析 沼氣是一種混合可燃性氣體，常見組成成分物質(zhì)特性見表1，其主要成分是甲烷（CH4），其余為二氧化碳（CO2）、氧氣（O2）、氮氣（N2）和硫化氫（H2S）。按容積

3、比來計算，甲烷含量約為50%70%，二氧化碳含量約為20%50%。在273K、101.3kPa標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，沼氣對空氣的相對密度為0.94左右。甲烷的著火溫度較高（905.3K），燃燒速度較慢。另外，沼氣中大量存在CO2對燃燒具有的強(qiáng)烈的抑制作用，所以沼氣的燃燒速度很慢。當(dāng)沼氣用于發(fā)動機(jī)時，容易產(chǎn)生后燃等不正常的燃燒現(xiàn)象，一般可通過快速燃燒技術(shù)，提高壓縮比，加強(qiáng)混合氣的氣體擾動，提高點火能量來解決。表1 沼氣覺組成成分的物質(zhì)特性氣體沸點（）氣體比容M3/kg熱值（MJ/m3）化學(xué)計量空燃比低熱值高熱值（kg/kg）CH4-160.151.473033.9537.7117.68CO-192.00.

4、910211.962.392.71H2S-60.30.740823.0425.044.01CO2-78.50.5736000N2-195.80.9011000O2-183.00.7889000注：氣體比容為標(biāo)準(zhǔn)狀況（T=273K,p=101.3kPa）下的氣體比容沼氣中的硫化氫含量雖然很少，但是它對發(fā)動機(jī)的影響卻很大。一般，當(dāng)硫化氫的含量低于0.1%，沼氣可不經(jīng)過任何處理直接進(jìn)行發(fā)動機(jī)燃燒，而當(dāng)硫化氫的含量超過0.1%，沼氣則必須先經(jīng)過氫氧化鎂或石灰石脫硫處理后才能進(jìn)入發(fā)動機(jī)，否則硫化物將嚴(yán)重腐蝕發(fā)動機(jī)零部件，特別是氣缸、活塞環(huán)和軸瓦等。1.1 沼氣熱值熱值可以分為高熱值和低熱值兩種，在沼氣發(fā)

5、動機(jī)的實際循環(huán)中應(yīng)取低熱值。沼氣的可燃部分某一組成的體積分?jǐn)?shù)與該組成低熱值的乘積即為該組成的發(fā)熱量，各可燃組成的發(fā)熱量之和即為沼氣的低熱值（一般為2025MJ/m3）。計算公式為Hu=huiQi/100式中 Hu- 沼氣燃料的低熱值，MJ/m3 hui - 各可燃組成的低熱值，MJ/m3 Qi - 各燃組成部分的體積分?jǐn)?shù)1.2 完全燃燒所需要的理論空氣量沼氣可燃部分中某一組成完全燃燒所需理論空氣量與該組成的百分含量之積為該組分完全燃燒所需理論空氣量。各可燃組分完全燃燒所需理論空氣量之各即為沼氣完全燃燒所需空氣量。若沼氣中含有少量的氧，在計算中應(yīng)減去氧的當(dāng)量空氣量，即A=ai(Qi /100)-

6、（Q0/21）式中 A沼氣完全燃燒所需要的理論空氣量 ai某組成完全燃燒所需的理論空氣量 Q0氧的體積分?jǐn)?shù)1.3 混合氣熱值 Hum=Hu/(aA+1) 式中 Hum混合氣低熱值，MJ/m3 a過量空氣系數(shù)2、 沼氣燃燒的基本特點由于沼氣的主要成分是甲烷，甲烷的燃燒著火點溫度較高，這樣沼氣的著火溫度相對較高，沼氣發(fā)動機(jī)中產(chǎn)生末端氣體自燃現(xiàn)象較少。通過對甲烷-空氣混合氣的燃燒實驗?zāi)M和研究表明：甲烷-空氣的混合氣在發(fā)動機(jī)中的燃燒具有優(yōu)異的排放特性和良好的抗爆性，在諸多代用燃料中，沼氣倍受青睞。當(dāng)然，由于沼氣中含有大量的CO2（20%50%），所以沼氣的燃燒速度較其他燃料慢（在理論空燃比為6.2時

7、沼氣的最大燃燒速度為0.23m/s），這導(dǎo)致沼氣發(fā)動機(jī)在實際運行中燃燒持續(xù)期變長，后燃嚴(yán)重，排氣溫度增高，嚴(yán)重?fù)p害了沼氣發(fā)動機(jī)的經(jīng)濟(jì)性和可靠性。對此可以通過加強(qiáng)氣體運動，提高湍流強(qiáng)度來改善。沼氣的燃燒特點決定了沼氣發(fā)動機(jī)具有與其他燃料發(fā)動機(jī)不同的特征：（1） 壓縮比 沼氣含有大量的甲烷以及二氧化碳，其抗爆性好，不會發(fā)生末端氣體的自燃現(xiàn)象，因此可適當(dāng)提高壓縮比。（2） 進(jìn)氣系統(tǒng) 在空氣濾清器后，需加裝一套沼氣-空氣混合器，以調(diào)節(jié)空燃比和混合進(jìn)氣量，混合氣應(yīng)調(diào)節(jié)精確。（3） 燃燒室 由于沼氣在含有大量二氧化碳，其燃燒速度很慢，對于燃燒過程的組織不利，因此采用加快燃燒速度的燃燒室。（4） 調(diào)速系統(tǒng)

8、沼氣發(fā)動機(jī)的運行場合大多是以發(fā)電機(jī)為負(fù)荷，所以調(diào)速系統(tǒng)必不可少。（5） 沼氣脫硫裝置 沼氣中含有少量的硫化氫，該氣體對發(fā)動機(jī)有強(qiáng)烈的腐蝕作用，因此供發(fā)動機(jī)用的沼氣要先經(jīng)過脫硫處理。（6） 廢氣排放 由于沼氣中有大量的甲烷，所以其整機(jī)排煙少，以因沼氣中含有較多的二氧化碳，這有助于降低燃燒溫度，這容易導(dǎo)致碳?xì)浠衔锏纳?，所以對合理組織好缸內(nèi)燃燒要求較高。3、 沼氣發(fā)動機(jī)的分類和性能分析3.1 沼氣發(fā)動機(jī)的分類沼氣發(fā)動機(jī)一般由柴油機(jī)和汽油機(jī)改制而成，分為雙燃料式和單燃料式兩種。它主要作為固定動力源，如發(fā)電機(jī)組、動力與供熱復(fù)合裝置系統(tǒng)（Combined Heat and Power,CHP）等。對于

9、沼氣/柴油雙燃料發(fā)動機(jī)，可通過向燃燒室內(nèi)噴入少量柴油引燃，在結(jié)構(gòu)上只需對柴油機(jī)的進(jìn)氣管和調(diào)速機(jī)構(gòu)作些改動，改裝簡單，并且具有良好的靈活性。而對于火花點火式沼氣發(fā)動機(jī)，需要采用高能點火系統(tǒng)，增大放電初期的電流和電壓可明顯改善點燃式沼氣發(fā)動機(jī)的性能。3.2 沼氣發(fā)動機(jī)性能分析沼氣發(fā)動機(jī)的性能除了結(jié)構(gòu)設(shè)計因素外，它在某種程度上取決于沼氣的特征。3.2.1 發(fā)動機(jī)的輸出功率對于自然吸氣式的沼氣發(fā)動機(jī)來說，它的輸出功率與所燃用的沼氣空氣混合氣的低熱值有關(guān)。目前大部分沼氣發(fā)動機(jī)都是用柴油機(jī)改制的，在發(fā)動機(jī)的各項性能指標(biāo)不變的前提下，通過下式可確定改裝后的沼氣發(fā)動機(jī)的輸出功率：P1PHum1/(1+Hum)

10、式中 P1改裝的后沼氣發(fā)動機(jī)的功率，kW P原柴油機(jī)的功率，kW Hum1沼氣空氣混合氣低熱值，MJ/m3 Hum天然氣空氣混合氣的低熱值，MJ/m3有資料顯示，發(fā)動機(jī)其他參數(shù)不變，盡管沼氣的低熱值比天然氣要低得多，但是如果兩者混合氣的低熱值相差不大，則改裝后的沼氣發(fā)動機(jī)的輸出功率與原柴油機(jī)相比，相差不大。3.2.2 沼氣消耗率因為惰性氣體不僅不參加燃燒反應(yīng)而產(chǎn)生熱量，而且要吸收一部分熱量作為廢氣排出發(fā)動機(jī)，這部分熱量損失在計算發(fā)動機(jī)某一功率下燃油消耗率時必須考慮進(jìn)去。現(xiàn)在國內(nèi)普遍認(rèn)為柴油機(jī)改裝沼氣發(fā)動機(jī)，其熱效率下降約為1.5%，燃?xì)庀穆时容^高。4、 沼氣發(fā)動機(jī)的排放4.1 沼氣發(fā)動機(jī)的主

11、要有害排放及其生成機(jī)理發(fā)動機(jī)排放的有害物主要為：CO、NOx、HC以及少量的SOx和顆粒排放。根據(jù)高溫NO的反應(yīng)機(jī)理，產(chǎn)生NO的要素是溫度、氧深度和反應(yīng)時間，在足夠的氧深度下，溫度越高、反應(yīng)時間越長，生成的NO越多。由于沼氣發(fā)動機(jī)的燃燒速度慢，燃燒溫度較低，NOx比柴油機(jī)低得多。沼氣在含有大量的CO2（20%50%)，且本身含有一定量的CO組成成分，燃燒時氧氣深度相對柴油機(jī)很低，因而CO和HC的排放相比之下高。沼氣是一種生物類氣體燃料，顆粒顯然比柴油機(jī)排放少。至于SOx，排量雖然很少，但排入大氣中，會形成酸雨，危害極大。所以有必要對沼氣進(jìn)行脫硫的前處理，不但可以減少發(fā)動機(jī)的腐蝕，延長壽命，而且

12、可以減少有害含硫物的排放。4.2 減少沼氣發(fā)動機(jī)有害排放物生成的措施 （1）對進(jìn)氣進(jìn)行處理，尤其是脫硫處理。 （2）適當(dāng)提高壓縮比。實際壓縮比與發(fā)動機(jī)制配氣相位、速度和負(fù)荷大小有關(guān)，因而是個變量，提高實際壓縮比，提高終了壓縮溫度和壓力，有利于提高混合氣的燃燒效率，縮短燃燒時間，降低沼氣消耗率，使混合氣充分快速燃燒，減少有害排放物的生成。且沼氣中甲烷含量高，具有很好的抗爆性能，所以壓縮比可大幅度提高，但是過高提升壓縮比，會導(dǎo)致NOx的排放增加，且對發(fā)動機(jī)缸體強(qiáng)度提出了很高的要求，因而不利。 （3）合理組織缸內(nèi)燃燒過程。加強(qiáng)混合氣的氣流擾動能使可燃混合氣快速燃燒，減少有害排放物。采用特殊形狀的燃燒

13、室（如風(fēng)扇形燃燒室），采用電控技術(shù)，組織進(jìn)氣，加強(qiáng)缸內(nèi)氣體擠流和渦流，盡可能完全燃燒，避免有害排放物的大量生成。 （4）采用高能點火系統(tǒng)。對于火化點火發(fā)動機(jī)，采用高能點火可有效增加火焰?zhèn)鞑ニ俣?，縮短滯燃期，避免后燃嚴(yán)重、排溫增高的惡果，使污染降低。 （5）加裝后處理凈化裝置。5、 沼氣發(fā)動機(jī)的現(xiàn)狀和未來國外對沼氣發(fā)動機(jī)的研究起步很早，沼氣發(fā)動機(jī)的零部件的性能穩(wěn)定，如普遍使用電子調(diào)速器和電子點火裝置等，這就保證了整機(jī)有良好的綜合性能指標(biāo)。國內(nèi)對沼氣發(fā)動機(jī)的研究大約開始于20世紀(jì)80年代，發(fā)動機(jī)類型以雙燃料為主，全燒式機(jī)型很少。在實際生產(chǎn)中廠家只是簡單地由柴油機(jī)或汽油機(jī)改制而成，致使發(fā)動機(jī)在運行中出現(xiàn)很多問題，諸如熱負(fù)荷高、可靠性差以及起動等。另外國內(nèi)零部件可靠性較差，有的關(guān)鍵件還需要進(jìn)口。所以，既