不同组分生物质气化气作为车用燃料研究_排放特性

论文导读:：生物质气化气有合适的热值和能量密度。行驶试验是在自由换挡、加速的情况下进行的。改变内燃机过量空气系数。
论文关键词：生物质气化气，行驶试验，排放特性，过量空气系数

 

0 引言

随着化石资源的枯竭和环境污染的加剧，清洁可再生的代用燃料成为发展的必然趋势。目前，我国应用于机动车的代用燃料主要有压缩天然气和液化石油气，但实质上它们都是化石燃料的衍生品，其发展严重受化石燃料的制约。

理论上，生物质气化气有合适的热值和能量密度，能够满足作为内燃机燃料的要求，而且可以实现CO2净“零排放”。早在第一、二次世界大战期间，生物质气化气就已经作为机动车燃料应用于欧美等国家^（1）；目前，我国生物质气化气作为内燃机燃料的试验工作相继展开。任永志等^（2）试验研究了内燃式燃气发电机的运行特性；孟凡生等^（3-4）分析了我国低热值燃气内燃机的发展及应用现状,并对生物质气化气作为内燃机燃料的燃烧特性做了简单分析；孟凡彬等^（4）试验研究了生物质气化气作为车用燃料初步规律。本文以不同组分生物质气化气作为原料，进一步研究了生物质气化气作为车用燃料的适应性和排放特性。

1 试验内容

1.1 试验原料：

试验原料为生物质气化气，其中1#­­-6#为生物质空气气化气，7#-12#为生物质富氧气化气，具体见表1。

表1 生物质气化气组分及热值

Table 1 the components of producer gas andlow heat value

1.2 试验装置与方法：

行驶试验用车为营口市公交公司燃用天然气的中型公共汽车排放特性，耗气量为18m³/100km；尾气排放特性测试用车为德国产Jetta轿车（无三元催化装置），为方便试验，对Jetta车的风帽进行了改造，增设了可调节配风阀门，用于控制进气量，改变内燃机过量空气系数；使用容积为4.5m³的气囊对生物质气化气进行收集，每次实际收集气体3.2±0.2m³；气囊与机动车用软管连接，中间设有水封防止回火；尾气排放用SPX公司生产的Mod488尾气分析仪（五气）进行测试。行驶试验是在自由换挡、加速的情况下进行的，未能按道路行驶试验的相关标准进行。尾气排放测试方法参照GB18285-2005^[5]相关标准进行。

2 试验结果与讨论：

2.1 行驶试验结果

使用生物质空气气化气作为燃料时，公共汽车打火相对容易，运行稳定，最高可以加到4-5档，最大速度可以达到40km/h，但爬坡和拐急弯时偶有灭火现象，动力性较差，急加速相对困难；使用生物质富氧气化气作为燃料时，公共汽车打火容易，运行稳定，最高可以加到5档，最大速度可以达到55km/h，爬坡和拐急弯没有问题，动力性有所改善，急加速性能有所改善，但富氧气化气中H2含量过高，偶尔发生爆震现象；在相同条件下，进行了天然气作为燃料的试验研究论文网站大全。结果表明：生物质空气气化气行驶里程是富氧气化气的1/3；生物质富氧气化气的行驶里程是天然气的1/3，动力性、加速性能和最大速度与天然气有较大差别，具体见表2。

表2 对比试验记录表

Table 2 contrast test of producer gas and CNG

2.2 尾气排放机理

汽车发动机是能量转化器和动力发生源，其作用是把燃料中贮藏的化学能转化为热能排放特性，提供人们想得到的机械能。在燃料燃烧转换过程中，以空气作为气化剂，在尾气中除了两种最终氧化物CO₂和H₂O外，还有CO、未燃尽的碳氢化合物(H_kC_i)以及高温燃烧时产生的NO_x等有害气体^[6]。燃油在汽缸里燃烧的机理，可以粗略地用用反应式（1）进行表达：

（1）

2.3尾气排放测试结果

2.3.1 CO排放情况

图1中a和b分别为生物质空气气化气和富氧气化气作为机动车燃料时，尾气中CO浓度与发动机转数的关系。由图1（a和b）可以看出，发动机转数为800―3200r/min时，发动机CO排放量变化甚微，稳定在0.5%以下；当发动机转数超过3200r/min后，CO排放量增加较快；当发动机转数超过4000r/min后，CO排放量几乎呈线性增长，但最大值低于3.5%，是GB18285-2005中规定的排放限值的5.56%。

发动机转数为800-3200r/min时，混合气的实际过量空气系数大于理论过量空气系数（即λ＞1），发动机内的燃烧属于稀薄燃烧。理论上尾气中将不存在CO，但由于各气缸内燃烧室各处的气体混合不一定均匀，会出现局部的缺氧区域，因此在排放的尾气中仍会有少量的CO产生。即使燃料和空气混合很均匀，由于燃烧后产生高温，已经生成的CO₂也会有一小部分被分解成CO和O₂。另外，尾气中的H₂和未燃尽的HC也可能将尾气中的一部分CO₂还原成CO；随着发动机转数的提高，过量空气系数λ逐渐变小，当发动机转数超过3200r/min时，混合气实际过量空气系数小于理论过量空气系数（即λ＜1），混合气燃烧不完全，导致CO排放量迅速增加；当然，燃料的氧化速率取决于可用的氧浓度、反应气的温度以及化学反应时间，而化学反应时间决定于发动机的转数。随着发动机转数的提高，化学反应时间递减排放特性，导致CO排放量有所增加。总之，过量空气系数λ对CO的排放量具有决定性作用，凡是影响过量空气系数的因素，对CO 生成量都有一定的影响。

ab

图1 CO浓度与发动机转数关系

Fig.1 CO emission VS engine revolution

通过对比可知，生物质空气气化气和富氧气化气作为机动车燃料时，CO排放趋势一致，而且排放量几乎一样。这说明，燃料（气体成分）变化没有对机动车尾气中CO排放产生影响，验证了燃料种类对CO排放影响较小的结论。

2.3.2 HC排放情况

由图2a可以看出，HC排放量呈先减后增的趋势，在发动机转速为3200r/min时达到最小值；当发动机转数超过3200r/min后，HC排放量又出现增长的趋势，最大值达到55ppm，仅为GB18285-2005中排放限值的1.11%。

由图2b可以看出，HC排放量呈递增的趋势，在发动机转速为800-3200r/min时，HC含量较低，保持在5ppm以下。当发动机转数超过3200r/min后，HC排放量递增，但最大排放量仅为35ppm。

ab

图2 HC浓度与发动机转数关系

Fig.2 HC emission VS engine revolution

通过对比可知，生物质空气气化气和富氧气化气作为机动车燃料时，HC排放趋势有所区别，这说明，燃料（气体成分）变化对机动车尾气中HC排放影响较大。使用生物质空气气化气作为燃料时，气化气热值较低，且含有大量的N₂，火焰传播不充分，容易发生室壁冷激效应，导致HC燃烧不完全。当发动机转数达到3200r/min时排放特性，过量空气系数λ＝1，燃料燃烧完全，HC排放达到最小值；使用生物质富氧气化气作为燃料时，气化气热值高，可燃成分增多，且N₂含量少，其过量空气系数λ达到1的时间点有所滞后，导致发动机预混不良。发动机在低转数时，过量空气系数λ＞1时，HC燃烧充分。但是，随着发动机转数的升高过量空气系数λ＜1，HC燃烧不充分，排放量有所增加。但总体上，生物质空气气化气作为机动车燃料的HC排放量大于生物质富氧气化气作为机动车燃料论文网站大全。

2.3.3 NOx排放情况

众所周知，NOx生成机理相对复杂，在实际处理过程中一般把NOx的生成分成热力NOx、 快速NOx和燃料NOx等三种类型。针对本试验，NOx生成是三种反应类型共同作用的结果，而影响三类NOx生成的主要因素为温度、压力、过量空气系数和停留时间等因素^[7]。根据捷里道维奇机理可知，在温度、压力和停留时间不变的情况下，过量空气系数和燃料类型是影响NOx生成的主要因素。由图3a可知，NO_x排放量呈先增后减的趋势，在发动机转数为3200r/min时达到最大值。这是因为：经计算，以空气气化气为燃料时，当发动机转数达到3200r/min时，过量空气系数λ接近1，NOx排放达到最大值。这也说明了燃料与空气预混良好；而以富氧气化气作为燃料时，当发动机转数达到4800r/min时，过量空气系数λ仍小于1，所以排放特性，NOx排放呈递增趋势，与图3b一致。

a b

图3 NOx浓度与发动机转数关系

Fig.3 NOx emission VS engine revolution

通过对比可知，使用生物质空气气化气作为机动车燃料时，尾气中NOx排放量总体上高于使用生物质富氧气化气作为燃料；而NOx排放的最大值却出现在富氧气化气作为燃料时。这是因为：在燃料类型、温度、压力和停留时间均不变的情况下，过量空气系数决定NOx排放量；而在温度、压力和停留时间不变的情况下，燃料类型和过量空气系数共同作用下，燃料类型起主导作用。另外，生物质空气气化气中大量的N2也可能为NOx生成提供了额外氮源。

3 结论

⑴生物质气化气与内燃机有良好的适应性，使用富氧气化气可以较好的弥补空气气化气存在的动力、加速性能等不足；

⑵生物质空气气化气行驶里程是富氧气化气的1/3；生物质富氧气化气的行驶里程是天然气的1/3，动力性、加速性能和最大速度与天然气有较大差距；

⑶过量空气系数λ对CO的排放量具有决定性作用，凡是影响过量空气系数的因素，对CO 生成量都有一定的影响；

⑷生物质气化气作为机动车燃料，其尾气排放量远远低于GB18285-2005中规定的排放限值，其中CO，HC排放仅为排放限值的5.56%和1.11%，很好地体现了其清洁性。

⑸在燃料类型、温度、压力和停留时间均不变的情况下，过量空气系数决定NOx排放量；而在温度、压力和停留时间不变的情况下，燃料类型和过量空气系数共同作用下，燃料类型起主导作用。另外，生物质空气气化气中大量的N2也可能为NOx生成提供了额外氮源。

[参考文献]
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[2]Ren Yongzhi，Cui Hengzhe，Guo Jun，etal. The Performance andAnalysis of SI Engine in Biomass Gasification for Power System[J].RenewableEnergy Resources，2006(2): 19-22
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[7]周祖光.汽车尾气的产生机理与净化技术[C].中国环境科学学会学术年会优秀论文集，2006，（2441-2444）2
[8]岑可法，姚强，骆仲泱，等.燃烧理论与污染控制[M].北京：机械工业出版社，2008.3