陈雷;荒木幹也;志贺圣一;曾文
【摘 要】在一台火花点火发动机上,分别进行了生物质燃气中可燃组分CH4、CO和H2的燃烧试验,研究并对比了各组分气体的燃烧及排放特性.结果表明,H2燃烧快,热效率高,NOx排放水平较低；CH4和CO相比具有较高的热效率和较低的NOx排放水平,但其稀燃能力较弱；在实际生物质燃气中可以通过提高H2的含量来扩展稀燃极限以及提高热效率. 【期刊名称】《农业机械学报》 【年(卷),期】2013(044)005 【总页数】4页(P31-34)
【关键词】生物质燃气;组分;性能试验 【作 者】陈雷;荒木幹也;志贺圣一;曾文
【作者单位】沈阳航空航天大学航空宇航工程学院,沈阳110136;群马大学工学研究科,群马县3760052;群马大学工学研究科,群马县3760052;沈阳航空航天大学航空宇航工程学院,沈阳110136 【正文语种】中 文 【中图分类】TK43 引言
生物质燃气有多种制备方法［1 ～3］，其产物组分中主要的可燃成分均含有CH4、
H2 和CO［4 ～6］。目前对于生物质气体燃料在内燃机上的应用研究大多是基于某一种气化技术产物［7 ～11］，这种方式具有较好的针对性。但是，由于生物质气体燃料各组分的相对浓度随着反应物、反应条件及所采用的技术不同而有着较大差别，使人们可以根据需要通过改变反应条件来得到所需相对浓度成分的燃气，从而在内燃机上得到更高的输出以及更低的排放。因此，有必要探明并对比每一种生物质燃气组分气体各自的燃烧及排放特性，并以此为基础得到生物质燃气各组分之间的最佳相对浓度，进而通过改变反应物、反应条件等方法制备符合最佳相对浓度的生物质燃气，使生物质燃气内燃机具有更好的性能。
本文在一台火花点火发动机上进行CH4、H2 和CO 的燃烧性能试验，并着重对比分析3 种燃料的动力性、经济性以及排放特性的差异［12］。 1 试验装置与试验方案 1.1 试验装置
本试验在一台改造过的HONDA GX340 型火花点火发动机上进行。为了满足气体燃料的试验要求，将原发动机的化油器更换为Keihin 公司产CNG专用喷嘴。在试验过程中保持转速1 500 r/min、MBT 以及WOT 条件不变，发动机主要技术参数见表1。
表1 发动机相关技术参数Tab．1 Engine specifications发动机型式 单缸、2 气门、四冲程、风冷燃烧室几何形状 楔形总排量/mm3 337缸径×行程/mm×mm 82 ×64压缩比 8.0标定功率(转速)/kW(r/min) 8.1(3 600)节气门开度 全开转速/r·min －1 1 500
试验中采用日本 HORIBA 公司生产的MEXA4000 型傅里叶变换红外线光谱分析仪测量CO 和NOx 的排放量。CH4 与CO 的喷射压力均为0.255 MPa。由于H2 容易引发回火，因此为了扩大H2 的喷射持续期而得到更宽的应用范围，其喷射压力应适当降低。在本试验中，H2 喷射压力被选定为0.105 MPa。试验系统简图如
图1 所示。
图1 试验系统简图Fig．1 Experimental setup 1.2 试验方案
当量比Φ 是本试验中最主要的试验参数。对于CH4 和CO，Φ 首先设定为化学计量比，然后逐渐减小直至稀燃极限。H2 的燃烧较快，易发生回火，因此ΦH2的变化顺序与ΦCO及ΦCH4 相反，由稀燃极限一直增加到发生回火为止。与此同时，在进气门上游300 mm 处安装了消焰器，最大限度地避免回火的发生。试验中，各气体燃料Φ 的变化范围分别为:ΦCH4 为0.63 ～1.06;ΦCO 为0.42 ～1.04;ΦH2 为0.19 ～0.37。 2 试验结果分析
图2 BMEP 随Φ 的变化情况Fig．2 Effect of Φ on BMEP
图2 所示为3 种燃料各自的平均有效压力pme随Φ 的变化情况。如图所示，随着Φ 从各自稀燃极限到化学计量比的不断增加，CH4 和CO 的平均有效压力均有所升高。当Φ ＜0.8 时，CH4 燃烧的pme较CO 的略低;而当Φ ＞0.8 时，CH4 燃烧的pme则超过了CO。考虑到pme主要取决于缸内压力，而缸内压力又是由热投入量决定的，因此各燃料的热投入量变化情况应与pme的变化情况相对应。图3 所示是根据计算得到的单位体积气体混合物(燃料+空气)的热投入量R 变化情况。根据计算结果，CO燃烧的热投入量一直高于CH4，因此在各个Φ 条件下CO 的pme也应该一直比CH4 的高。但从图2 可知，当Φ ＞0.8 时pme的实际变化情况与计算结果刚好相反。这说明pme的变化并不是由热投入量一个因素决定的。
考虑到CH4 和CO 燃烧反应的物质的量变化并不相同，因此pme和R 之间的差异可以从CH4 和CO各自燃烧反应前后物质的量的变化来分析。图4 所示是3 种燃料反应前后各自的摩尔变化率M 的变化情况，本文中摩尔变化率是燃烧反应产
物总摩尔质量和反应物总摩尔质量之比。如图所示，CH4 燃烧反应前后的物质的量不变，而CO 和H2 反应之后的物质的量比反应前有所下降。气体物质的量的变化导致缸内压力有所下降，因此pme的变化是由R 和M 共同决定的。 图3 热投入量随Φ 的变化情况Fig．3 Effect of Φ on heat input
图5 所示是MR 随Φ 的变化情况。如图所示，计算结果与CH4 及CO 各自的pme变化情况十分吻合:当Φ ＜0.8 时CH4 的值比CO 低，而当Φ ＞0.8时CH4 的计算结果超过了CO。计算结果与实际pme较好的吻合度，表明这一计算可以用来表示pme的变化。但是对于H2 来说，实际pme和计算结果之间还存在着差异。根据计算，H2 的pme在所有Φ 条件下均应低于CO;但由图2 可知，当Φ =0.4 时H2的pme比CO 略高。考虑到H2 的燃烧速度要远大于CO［5］，可以认为pme的差异是由H2 较快的燃烧速度造成的。
图4 摩尔变化率随Φ 的变化情况Fig．4 Effect of Φ on molar change ratio 图5 MR 随Φ 的变化情况Fig．5 Effect of Φ on product of input heat and molar change ratio
图6 是有效热效率η 随Φ 的变化情况。虽然CH4、H2 和CO 的有效热效率各不相同，但是其随Φ的变化趋势大体一致。在Φ 从化学计量比开始逐渐减小的过程中，CH4 和CO 的热效率先是升高，在达到峰值之后有所减小。受到可燃范围的制约，H2的热效率随着Φ 的变化一直保持单调变化的趋势。CH4 和CO 热效率先增后减的变化说明其受到多个因素的影响。从化学计量比到热效率峰值对应的Φ 的区间内，随着Φ 的减小，燃烧逐渐稀薄，混合气总的比热比有所升高;与此同时，热损失逐渐减小，这两方面因素共同促使热效率升高。虽然随Φ 的减小燃烧持续期有所增长，但从图7 所示的主燃期Δθ 变化情况来看，在这一区间内CH4 和CO 的燃烧持续期变化很小，燃烧等容度的变化对热效率的影响不大，因此热效率总体呈上升趋势。
随着Φ 的进一步减小，在热效率峰值对应的Φ到稀燃极限这一区间内，由于热投入量持续下降，造成如图7 所示的CH4 和CO 的燃烧持续期明显延长，导致等容度下降，从而使热效率降低。
图6 有效热效率随Φ 的变化情况Fig．6 Effect of Φ on brake thermal efficiency
图7 主燃期随Φ 的变化情况Fig．7 Effect of Φ on main combustion duration 和CO 相比，CH4 的热效率在整个可燃范围区间一直较高。热效率是有效功和热投入量之比，而前述分析已经证明了有效功可以用热投入量与摩尔变化率的乘积近似表示，因此可以近似的用摩尔变化率来定性分析热效率的变化情况。如图4 所示，CH4 燃烧在反应前后的物质的量保持不变，而CO的物质的量有所降低，因此CO 的热效率低于CH4的热效率。
虽然各燃料Φ 的范围不同，但从变化趋势上可以判断出，在相同Φ 条件下H2 的热效率要高于CH4 和CO。这是由于H2 燃烧较快，使得H2 燃烧的燃烧等容度比CH4 和CO 高，因此H2 的热效率也较高。
图8 所示是3 种气体的NOx 排放情况。随着Φ 的增加，CH4 燃烧产生的NOx 先是明显升高，在达到峰值后有所降低。CO 燃烧产生的NOx 随Φ 的变化趋势与CH4 燃烧类似，但是排放水平则要高得多，以致于在0.94 ＞Φ ＞0.73 的范围内其NOx 排放量超过了FT-IR 的测量范围。这种差异是由不同热投入量造成的。热投入量决定了燃烧温度，而燃烧温度可以近似地通过排温来分析。图9 所示是排温t 随Φ 的变化情况。由图9 可见，CO 的燃烧温度要大大高于CH4 的燃烧温度，因此燃烧CO 的NOx 排放更高。排温的对应关系也证明了前述热投入量计算的准确性。由于H2 的Φ 一直较小，燃烧温度较低，因此其NOx 排放水平基本趋近于零。
CO 排放情况如图10 所示。CO 燃烧产生的CO排放量要远高于其他两种气体燃
料。CO 的排放主要受Φ 支配，当Φ ＜1.0 时，CH4 和H2 的CO 排放量一直趋近于零;当Φ ＞1.0 时，CH4 燃烧的CO 排放量急剧增加。这是由于燃烧效率下降而导致的。在1.0 ＞Φ ＞0.5 时，CO 燃烧的CO 排放量没有明显变化，但由于燃烧效率始终低于1，因此其CO 排放量明显高于CH4。而在Φ ＜0.5 或者Φ ＞1.0 时，CO 排放量急剧增加，这主要是由不完全燃烧造成的。
图8 NOx 排放量随Φ 的变化情况Fig．8 Effect of Φ on NOx emission 图9 排温随Φ 的变化情况Fig．9 Effect of Φ on exhaust temperature 图10 CO 排放量随Φ 的变化情况Fig．10 Effect of Φ on CO emission 3 结论
(1)与CH4 和CO 相比，H2 燃烧快，热效率高，NOx 排放水平很低。在实际生物质燃气中可以提高H2 的含量以提高热效率。
(2)CO 过高的燃烧温度导致其NOx 排放较高，在实际应用中应将CO 的当量比控制在一定范围内。
(3)和CO 相比，CH4 具有较高的热效率和较低的NOx 排放，但其稀燃能力较弱。可以通过添加适量H2 的办法来扩展其稀燃极限。 参考文献
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