任永志1，崔亨哲1，郭軍1，李維堯2
遼寧省能源研究所 遼寧 營口 115000；遼寧省寬甸縣農(nóng)村能源辦公室，遼寧 寬甸 118200
摘要：
本文針對生物質(zhì)氣化機發(fā)電系統(tǒng)中的燃氣發(fā)電機組的實驗測試結(jié)果分析了其運行特性，結(jié)果表明，低熱值生物質(zhì)氣化產(chǎn)出氣能夠滿足內(nèi)燃式燃氣發(fā)電機的運行要求，只是在能夠?qū)崿F(xiàn)的*大輸出功率方面受到限制；生物質(zhì)氣化機發(fā)電系統(tǒng)的尾氣排放能夠滿足環(huán)保的要求；內(nèi)燃式發(fā)電機與生物質(zhì)氣化機組間具有良好的匹配性。
關(guān)鍵詞：生物質(zhì)；氣化；內(nèi)燃機
The Performance and Analysis of SI Engine in Biomass Gasification for Power System
Ren Yong-zhi1, Cui Heng-zhe1, Guo Jun1, Li Wei-yao2
(1. Liaoning Institute of Energy Resources, Yingkou 115000, China; 2. Kuandian Office of Rural Energy, Kuandian 118200, China)
Abstract:
Experiments have been carried out with a Tessari 80kW SI engine in conjunction with a fixed bed biomass gasification unit, the results of analysis on the experiment data shows that the lower caloric value producer gas can satisfy the requirement of the SI engine for power generation except for the limit of the maximum power output; the exhausted gases of the SI engine can reach the requirement for environment protection; the SI engine matches well with the biomass gasification unit.
Key words: biomass; gasification; SI engine
1. 前言
生物質(zhì)氣化發(fā)電技術(shù)作為生物質(zhì)能源化利用的一項有效途徑在國內(nèi)外得到廣泛的研究和不同程度的應(yīng)用，遼寧省能源研究所在國家“十五”科技攻關(guān)計劃項目“50kW生物質(zhì)氣化發(fā)電機組研制”的執(zhí)行過程中，在所建設(shè)的生物質(zhì)氣化發(fā)電系統(tǒng)示范點針對生物質(zhì)氣化機組和燃氣發(fā)電機組分別進行了實驗測試，本文根據(jù)燃氣發(fā)電機組的測試結(jié)果對其運行特性進行了分析，以驗證內(nèi)燃式發(fā)電機與生物質(zhì)氣化機組間的可匹配性并評估以生物質(zhì)氣化產(chǎn)出氣為燃料時，燃氣發(fā)電機尾氣對于環(huán)境的影響。
2. 系統(tǒng)組成和技術(shù)指標(biāo)
如圖一，生物質(zhì)氣化發(fā)電系統(tǒng)由螺旋輸送機、下吸式氣化爐、旋風(fēng)除塵器等凈化設(shè)備、羅茨鼓風(fēng)機、**水封、專用灶具、內(nèi)燃式發(fā)電機、濕法儲氣柜以及地下管網(wǎng)等組成，系統(tǒng)在保證居民生活用氣的同時，將富裕的產(chǎn)出氣用于發(fā)電，實現(xiàn)氣電聯(lián)產(chǎn)。

1.螺旋輸送機 2.下吸式氣化爐 3.旋風(fēng)除塵器 4.噴淋凈化器 5.氣水分離器 6.生物質(zhì)過濾器 7.羅茨鼓風(fēng)機 8.**水封 9.專用灶具 10.內(nèi)燃式發(fā)電機 11.濕法儲氣柜
圖1 系統(tǒng)工藝流程圖
生物質(zhì)氣化機組原料處理量為150～190kg/h,產(chǎn)氣量300～380Nm3/h,氣化效率72～75%，產(chǎn)出氣中焦油和灰含量≤17mg/Nm3，通過采用不同生物質(zhì)物料并控制反應(yīng)條件得到幾種不同氣體組分的產(chǎn)出氣用于燃氣發(fā)電機組的實驗測試，同種原料在相同工況下得到的產(chǎn)出氣進入儲氣柜后充分擴散混合，保證了燃氣發(fā)電機入口可燃氣體成分的一致性。
3. 燃氣發(fā)電機的測試方案
3.1 燃氣發(fā)電機規(guī)格
測試實驗采用意大利Tessari 80kW燃氣發(fā)電機,采用六缸直列式IVECO 8210型內(nèi)燃機，火花塞點火，汽缸直徑和沖程為ф137×156mm,總排氣量為13.8L，轉(zhuǎn)數(shù)為1500RPM。
3.2 燃氣發(fā)電機組測試方案
 針對不同原料、不同工況的產(chǎn)出氣，測試燃氣發(fā)電機入口氣體組分焦油含量，燃氣發(fā)電機組的輸出功率在10kW、20kW、30kW、40kW、50kW、60kW、70kW、80kW工況下的氣體耗耗量，從而計算不同負荷下燃氣發(fā)電機的比氣耗、效率并繪制特性曲線，考察氣體組分對于燃氣發(fā)電機功率特性的影響；
 針對不同氣體組分的產(chǎn)出氣，測試燃氣發(fā)電機組的輸出功率在10kW、20kW、30kW、40kW、50kW、60kW、70kW、80kW工況下的尾氣中NOx、CO2、CO等成分；
 考察產(chǎn)出氣中氫氣組分的含量對于燃氣發(fā)電機的影響；
 在不同時間間隔，考察燃氣發(fā)電機氣體入口過濾器清潔情況和火花塞積炭情況；
 選擇*佳工況和*差工況，測試燃氣發(fā)電機的*長連續(xù)穩(wěn)定運行時間；
3.3 燃氣發(fā)電機組測點布置及說明
在燃氣發(fā)電機入口布置溫度、壓力和流量測點，測量可燃氣體的溫度T1、壓力P和流量F1、F2以及發(fā)電機入口可燃氣的成分G2（VARIAN GC3800 氣相色譜儀）和焦油含量（GB12208-90）；在燃氣發(fā)電機尾氣出口布置取樣探頭以測試燃氣發(fā)電機尾氣中一氧化碳等組分G1（意大利Tecnotest MULTIGAS 488型尾氣測試儀）的含量，同時，通過相應(yīng)的傳感器測試發(fā)電機的轉(zhuǎn)數(shù)和機油溫度，除此之外，連接于兩個分別為50kW和30kW的負載箱的測功儀將測試燃氣發(fā)電機的實際輸出功率。

圖2 燃氣發(fā)電機組測點布置示意圖
4. 測試結(jié)果及分析
4.1 氣體組分分析和計算結(jié)果
表1氣體組分分析和計算結(jié)果
氣樣編號 1 2 3 4 5
產(chǎn)出氣氣體成分（%） CO2 15.36 16.36 17.09 15.87 13.92
C2H4+C2H2 0.38 0.41 0.33 0.30 0.45
C2H6 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00
H2 10.42 10.62 12.15 12.94 13.42
O2 1.54 0.79 0.48 0.45 0.00
N2 56.00 54.70 52.61 51.11 49.27
CH4 1.38 1.44 1.43 1.25 1.57
CO 14.92 15.68 15.90 18.08 21.38
產(chǎn)出氣熱值Qdw（KJ/Nm3） 3752.5 3913 4051.1 4323.85  5002.8
在燃氣發(fā)電機入口測得的產(chǎn)出氣中焦油含量與生物質(zhì)氣化機組出口基本一致，均小于17mg/Nm3；由于以空氣為氣化劑，產(chǎn)出氣中含有大量N2，產(chǎn)出氣被稀釋，屬于低熱值燃氣，表格中N2含量普遍比生物質(zhì)氣化機組所取氣樣中N2含量高，可以確定供氣管路存在微小漏氣點，由于燃氣發(fā)電機運行的抽氣作用而吸入少量空氣，造成所取氣樣N2含量高，熱值偏低于實際值。
4.2 燃氣發(fā)電機的功率特性分析
燃氣發(fā)電機啟動容易，發(fā)電準(zhǔn)備時間短，運行平穩(wěn)，轉(zhuǎn)速基本穩(wěn)定在1500RPM，發(fā)電頻率穩(wěn)定在50Hz，由于燃氣發(fā)電機的供氣管存在輕微泄露，本次測試燃氣發(fā)電機所實現(xiàn)的*高輸出功率為72kW，沒有達到其銘牌功率。采用不同組分產(chǎn)出氣所得到的比氣耗和發(fā)電機效率曲線如圖3所示。

圖3 比氣耗與效率
隨著燃氣發(fā)電機發(fā)電功率的增加，發(fā)電比氣耗逐漸減小，根據(jù)不同產(chǎn)出氣熱值，在中高負荷下，一般為2.5～3Nm3/kW，同時效率逐漸提高，在低負荷情況下，其效率較低，由此看來，根據(jù)用戶負荷情況選擇容量適合的燃氣發(fā)電機是必要的，雖然燃氣發(fā)電機前測出的產(chǎn)出氣組分不同且熱值相差較大，但從燃氣熱值為3752.5kJ/Nm3到5002.8kJ/Nm3，發(fā)電機均能夠平穩(wěn)運行，同樣發(fā)電負荷下燃氣發(fā)電機的效率相差不多，均能達到30%，但是在所能實現(xiàn)的*高輸出功率方面，低熱值氣體在發(fā)電機負荷到一定數(shù)量時不能維持內(nèi)燃機的正常運轉(zhuǎn)，出現(xiàn)發(fā)電機轉(zhuǎn)數(shù)和發(fā)電頻率變化大并*終在不能滿足符合情況下停機的現(xiàn)象。
4.3 燃氣發(fā)電機尾氣排放分析
從實際運行的效果看，燃氣發(fā)電機尾氣煙度很低，表明可燃氣體與空氣的混合充分，這是由于以分子狀態(tài)存在的氣體，相對于燃油（盡管也經(jīng)過霧化）擴散性好，并且由于氣體稀薄，可燃組分少，燃燒較完全，保證了燃氣發(fā)電機的效率。
表2發(fā)電機尾氣成分測試結(jié)果
輸出功率(kW) 　尾氣成分（%）　
CO(%) CO2(%) HC(ppm) O2(%) NOx(ppm) λ
怠速 0.31 18.7 9 2.52 34 39 1.059
0  0.26 15.5 9 5.5 48 14 1.168
11  0.33 13.8 9 7.6 19 14 1.26
20  0.19 16.3 9 4.7 29 39 1.139
32  0.19 17.4 9 4.1 39 78 1.112
41  0.14 17.5 0 3.49 48 126 1.096
52  0.13 19 0 2.54 53 268 1.063
63  0.12 19.5 0 1.91 58 351 1.046
68  0.11 19 0 1.75 374 1.043
70  0.18 19.9 0 0.63 388 1.012
72  0.11 19.5 0 0.48 400 1.008
本身稀薄的產(chǎn)出氣加上輕微空氣被發(fā)電機吸入，因此表2顯示排煙側(cè)測得的空燃比λ（過量空氣系數(shù)）均大于1，較高的空燃比有助于CO和HC（碳氫化合物）的燃盡，5個氣樣測出的尾氣中CO和HC均含量很小，相對而言，CO和HC的含量在低負荷時較高，中高負荷時較低；表2中給出氣樣1和氣樣5的NOx測試結(jié)果，可以看出，尾氣中的NOx含量在低負荷時較低，中高負荷時較高，當(dāng)燃氣熱值高時，NOx含量高，這是由于中高負荷時和燃氣熱值高時內(nèi)燃機的燃燒溫度高，促進了NOx的生成，文獻4中指明，在空燃比稍大于1.0處，NOx的濃度將隨負荷增加迅速增加，解釋了氣樣5的NOx含量偏高的原因，因此，在保證燃氣熱值的條件下，適當(dāng)提高空燃比，使混合氣中燃料含量減少，成為稀薄燃燒，發(fā)動機的燃燒溫度將降低，可以有效地控制NOx的生成，本次實驗沒有進行調(diào)節(jié)空燃比的嘗試。
國家火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)（GB13223 —2003）中的規(guī)定NOx指標(biāo)為：
燃煤鍋爐：450～1100 mg/m3 (220～537ppm)
燃油鍋爐: 200 mg/m3 (98ppm)
燃氣輪機組: 80～150 mg/m3 (39～73ppm)
通過調(diào)整空燃比，以生物質(zhì)氣化產(chǎn)出氣為燃料的內(nèi)燃機發(fā)電，應(yīng)該能夠達到燃油鍋爐的尾氣排放標(biāo)準(zhǔn)。
4.4 焦油含量及氫氣的含量對于燃氣發(fā)電機的影響
生物質(zhì)氣化氣中的焦油和灰分含量過多會使火花塞積炭而不能打火，總計約110個小時實驗結(jié)束后，拆下火花塞和發(fā)電機供氣管入口的電磁閥觀察，非常清潔，見圖4和圖5，表明焦油和灰份含量小于17mg/Nm3的產(chǎn)出氣使火花塞積炭的可能性很小，能夠滿足發(fā)電機組的可靠運行。

圖4 火花塞積炭情況

圖5 燃氣發(fā)電機氣體入口過濾器
由于產(chǎn)出氣中H2的甲烷值*低，為0，實驗前認為H2組分增加時會出現(xiàn)內(nèi)燃機汽缸內(nèi)爆震的現(xiàn)象，從燃氣發(fā)電機前氣體取樣分析的結(jié)果看，H2組分含量*多為13.42%，*少為10.42%，實驗期間沒有爆震現(xiàn)象，由于以空氣為氣化介質(zhì)的生物質(zhì)氣化氣中的N2的組分普遍在40%以上，加上CO2、CO（甲烷值為73）的存在，起到了惰性作用；文獻2采用高達34% H2的生物質(zhì)兩步法氣化產(chǎn)出氣進行了內(nèi)燃機發(fā)電實驗，經(jīng)過調(diào)整空燃比和壓縮比，解決了爆震問題。

圖6 當(dāng)量空氣系數(shù)與產(chǎn)出氣成分關(guān)系
如圖6所示，空氣氣化的*佳當(dāng)量比在0.28左右，此條件下，產(chǎn)出氣中H2的含量在20%左右，事實上，為了得到焦油含量較少的產(chǎn)出氣，往往需要提高反應(yīng)溫度，因提高反應(yīng)溫度而提高當(dāng)量比，當(dāng)量比提高的同時，產(chǎn)出氣中H2的含量也就相應(yīng)的減少了。由此看來，以空氣為氣化介質(zhì)的生物質(zhì)氣化產(chǎn)出氣能夠滿足燃氣發(fā)電機的匹配要求。
5. 結(jié)論
上述分析表明，不同組分、不同熱值的生物質(zhì)氣化產(chǎn)出氣在一定范圍內(nèi)均可以作為內(nèi)燃式燃氣發(fā)電機燃料并保證可靠運行，但所能夠?qū)崿F(xiàn)的*大發(fā)電功率卻不同；隨著燃氣發(fā)電機發(fā)電功率的增加，發(fā)電比氣耗逐漸減小，在中高負荷下，一般為2.5～3Nm3/kW，在低負荷情況下，燃氣發(fā)電機效率較低；燃用生物質(zhì)氣化產(chǎn)出氣的發(fā)電機尾氣中CO和HC均含量很小，通過合理調(diào)整空燃比，尾氣中NOx含量應(yīng)該能夠達到燃油鍋爐的尾氣排放標(biāo)準(zhǔn)；焦油含量及氫氣的含量對于燃氣發(fā)電機的影響比預(yù)想小，這些均表明，生物質(zhì)氣化機組與內(nèi)燃式燃氣發(fā)電機具有良好的匹配性，其集成系統(tǒng)是環(huán)境友好的生物質(zhì)能源利用系統(tǒng)。
參考文獻：
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基金項目：國家“十五”科技攻關(guān)項目（2001BA403B0305）
作者簡介：任永志（1968-），男，副研究員，從事生物質(zhì)氣化技術(shù)的研究和開發(fā)工作。