任永誌1，崔亨哲1，郭軍1，李維堯2
遼寧省（shěng）能源研究所 遼（liáo）寧 營口 115000；遼寧省寬甸縣（xiàn）農村能源辦公室，遼寧 寬甸 118200
摘要：
本文針對生物質氣化機發電（diàn）係統中的燃氣發電機組的實（shí）驗測試結果分析了其運（yùn）行特性，結（jié）果表明，低熱（rè）值生物質氣化產出氣能夠滿足內燃式（shì）燃氣（qì）發電機的運（yùn）行要求，隻是在能夠實現的*大輸出功率方麵受到限製；生物質氣化（huà）機發電係統的尾氣排放能夠滿足環保的要求；內燃式發電機與生（shēng）物質氣化機組間具有良（liáng）好的匹配性。
關鍵詞：生物質；氣化；內燃機
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（yán）
生物質氣化發電技術作為生物質能源（yuán）化利用的一項有效途徑在國內外得到廣泛的研究和不同程度的應用，遼寧省能源研究所在國家“十（shí）五”科技攻關計劃項目“50kW生物質（zhì）氣化發電機組（zǔ）研製”的執行過程中，在所建設的生物質氣化發電（diàn）係統示範點針對生物質氣化機組和燃氣發電機組（zǔ）分別進行了實驗測試（shì），本文根據燃氣發電機組的測試結果（guǒ）對其運行特性（xìng）進行（háng）了分析（xī），以（yǐ）驗證內燃式發電機與生物質氣（qì）化機組間（jiān）的可匹配性並評估以生（shēng）物質氣化產（chǎn）出氣為燃料（liào）時，燃氣發電機尾氣對於環境的影響。
2. 係統組成和技術指標
如圖一，生物（wù）質氣化發電係統由螺旋輸送機、下吸式氣化（huà）爐、旋風除塵（chén）器等淨化設備（bèi）、羅茨鼓風機、**水封、專用灶具（jù）、內（nèi）燃式發電（diàn）機、濕法儲（chǔ）氣（qì）櫃以及地下管網等組成，係（xì）統在（zài）保證居民生活（huó）用氣的同時，將（jiāng）富裕的產出氣（qì）用於發電，實現氣電聯產。
1.螺旋輸送（sòng）機 2.下吸式氣化爐 3.旋風除塵器 4.噴淋淨化器 5.氣水（shuǐ）分離器 6.生物質過濾器 7.羅茨鼓風機 8.**水封 9.專用灶具 10.內燃式發電機 11.濕法儲氣櫃（guì）
圖（tú）1 係統工藝流（liú）程圖
生物質氣化機組原（yuán）料處理量為150～190kg/h,產氣量300～380Nm3/h,氣化效率72～75%，產出氣中焦油和灰含量≤17mg/Nm3，通過采用不同生物（wù）質物料並控製反應條（tiáo）件得到幾種不同（tóng）氣體（tǐ）組分的產出氣用於燃氣發電機組的實驗測試，同種原料在相同（tóng）工況下得到的產出（chū）氣進入儲氣（qì）櫃後充分擴散混合，保證了燃氣發電機入口可燃氣體成分的一致（zhì）性。
3. 燃氣發電機的測試方案
3.1 燃氣發（fā）電機規格
測試實驗采用意大利Tessari 80kW燃氣發電機,采用（yòng）六缸直列式IVECO 8210型內燃機（jī），火花塞（sāi）點（diǎn）火，汽缸直徑和衝程為ф137×156mm,總排氣量（liàng）為13.8L，轉數為1500RPM。
3.2 燃氣（qì）發電機（jī）組測試方案
 針對不同原料、不同工況的產出氣（qì），測試燃氣發電機入口氣體組分焦油含量，燃氣發電機組的輸出功率在10kW、20kW、30kW、40kW、50kW、60kW、70kW、80kW工（gōng）況下的氣體耗耗量，從而計算不同負荷下燃（rán）氣發電機的（de）比氣耗、效率並（bìng）繪製特性曲線，考察氣體組分對於燃氣發電機功率特性的影響；
 針對不同氣體組分的產出氣，測（cè）試燃氣發電（diàn）機組的（de）輸出功率（lǜ）在10kW、20kW、30kW、40kW、50kW、60kW、70kW、80kW工況下的（de）尾氣中NOx、CO2、CO等成（chéng）分；
 考（kǎo）察產出氣中氫（qīng）氣組分的含量對於燃氣發電機的影響；
 在不同時（shí）間間隔，考（kǎo）察（chá）燃氣（qì）發（fā）電機氣體入（rù）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，測試燃氣發電機的*長連續穩定運行時間；
3.3 燃氣發電機組測點布置及說明
在燃氣（qì）發電機入口布置溫度、壓力和流量測點，測（cè）量可燃（rán）氣體的溫度T1、壓（yā）力P和（hé）流量F1、F2以及（jí）發電機（jī）入口可燃氣（qì）的成分G2（VARIAN GC3800 氣相色（sè）譜儀）和焦油含量（GB12208-90）；在燃氣發電機尾（wěi）氣出口布置取樣探頭以測試燃氣發電機尾氣中一氧化碳（tàn）等組分G1（意（yì）大利Tecnotest MULTIGAS 488型尾氣（qì）測試儀）的含量，同（tóng）時（shí），通（tōng）過相應的傳感器測試發電機的轉數（shù）和機油溫度，除此之外，連接於兩個分別（bié）為50kW和30kW的負載箱的測功儀將測試（shì）燃氣發電機的實際輸出功率。
圖2 燃氣發電機組測點布置示意圖（tú）
4. 測試結果（guǒ）及分析
4.1 氣（qì）體組分分析和計算結果
表1氣體組分（fèn）分析和計算結果
氣樣編號 1 2 3 4 5
產出氣氣（qì）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
產出氣熱值（zhí）Qdw（KJ/Nm3） 3752.5 3913 4051.1 4323.85 5002.8
在燃氣發電機入口測得的產（chǎn）出（chū）氣中焦油含（hán）量與生物質氣化機組出口基本一致，均小於17mg/Nm3；由於以空氣為氣化劑，產出氣中含有大量N2，產出氣被稀釋，屬於低熱值燃氣，表格中（zhōng）N2含量普遍比生物（wù）質氣化機組所取氣樣中N2含量高，可以確定供氣管路存在（zài）微小漏氣點（diǎn），由於燃氣發電機運（yùn）行的抽氣作用而吸入少量空氣（qì），造成所取氣樣N2含量高，熱值偏低於（yú）實（shí）際（jì）值（zhí）。
4.2 燃氣發電（diàn）機的功率（lǜ）特性分（fèn）析（xī）
燃氣發電機啟動容易，發電準備時間（jiān）短（duǎn），運（yùn）行平穩，轉速基本穩定在1500RPM，發電頻率穩定在50Hz，由於燃氣發電（diàn）機的供氣管存在輕微泄露，本次測試燃氣發電機所實現的*高（gāo）輸出功率為72kW，沒有達到其銘牌功率。采用不同組分產出氣所得到的比（bǐ）氣耗和發電機效率曲線如圖3所示。
圖（tú）3 比氣耗與效率
隨著燃氣發電機發電功率的增（zēng）加，發（fā）電（diàn）比氣耗逐漸（jiàn）減小，根據不同產出氣（qì）熱值（zhí），在（zài）中高負荷下，一般為（wéi）2.5～3Nm3/kW，同時效（xiào）率（lǜ）逐漸提高，在低負荷情況下，其效率較低，由（yóu）此看來，根據用戶負荷情況選擇容量適合的燃氣發電機是必要的，雖然燃氣發電機前（qián）測出（chū）的產出氣組分不同且熱值相（xiàng）差較大，但從燃氣熱值為3752.5kJ/Nm3到5002.8kJ/Nm3，發電機均能夠平穩運行，同樣發電（diàn）負荷下燃氣發（fā）電（diàn）機（jī）的（de）效率相差（chà）不多，均能（néng）達（dá）到（dào）30%，但是在所能實現（xiàn）的*高輸出功率方麵，低熱值氣體在（zài）發電機負荷到一定數量時不能維持內燃機的正常運轉，出現發電機轉數和發電頻率變化大（dà）並*終在不能滿足符合情況下停（tíng）機的（de）現象。
4.3 燃氣發電機尾氣排放分析
從實際運行的效果看，燃氣發電機尾氣煙度很低，表明可燃氣體與空氣的（de）混合充分，這是由於以分子狀態存在的氣體，相對於燃油（yóu）（盡管也經過霧化）擴散性好，並且由於氣體稀薄，可燃組分少，燃燒（shāo）較完全，保證了燃氣發電機的效率。
表2發電機尾氣成分測試結果
輸出功率（lǜ）(kW) 尾氣成分（%）
CO(%) CO2(%) HC(ppm) O2(%) NOx(ppm) λ
怠（dài）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
本身稀薄的產出氣加上輕微空氣被發電機吸入，因此表2顯示排煙（yān）側測得的空燃比λ（過量空氣係數）均大於1，較高的空燃比有助於CO和HC（碳氫化（huà）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（ér）言，CO和HC的含量在低負荷時較（jiào）高，中高負荷時較（jiào）低；表2中給出氣樣1和氣樣（yàng）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（dī），中高負荷時較高，當（dāng）燃氣熱值高時，NOx含量高，這是由於中高負荷時和燃氣熱值高時內燃機的燃燒溫度高，促（cù）進了（le）NOx的生成，文獻4中指（zhǐ）明，在空燃比稍大於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（yīn），因此，在保證燃氣熱值的條件（jiàn）下，適當提高空（kōng）燃比，使（shǐ）混合氣（qì）中燃料（liào）含量（liàng）減少，成為稀薄燃燒，發動機的燃燒溫度將（jiāng）降低，可以有效地控製（zhì）NOx的生成，本次實驗沒有進行調節（jiē）空燃比的嚐試。
國家火電廠大氣汙染物排放標準（GB13223 —2003）中的規定NOx指標為：
燃（rán）煤鍋爐：450～1100 mg/m3 (220～537ppm)
燃油鍋（guō）爐: 200 mg/m3 (98ppm)
燃氣輪機組（zǔ）: 80～150 mg/m3 (39～73ppm)
通過調整空燃比，以生物質（zhì）氣化產出氣為燃料的內燃機發電，應該能夠達（dá）到燃油鍋爐的尾氣排放標準。
4.4 焦油含量及氫氣（qì）的含量對於（yú）燃氣發電機的影響
生（shēng）物質氣化氣（qì）中的焦油和灰分含量（liàng）過（guò）多會使火（huǒ）花塞積炭而不能（néng）打火，總計約110個小時實驗（yàn）結束後，拆下火花塞和發電機（jī）供氣管入口的電磁（cí）閥觀察，非常清潔，見圖4和圖5，表明焦油和灰份（fèn）含量（liàng）小於17mg/Nm3的產出氣使火（huǒ）花塞積炭的可能性很小，能夠滿（mǎn）足發電機組（zǔ）的可靠運行。
圖4 火花塞積炭情況
圖5 燃氣發電機氣體入口過濾（lǜ）器
由於產出氣中H2的甲烷值*低，為（wéi）0，實驗前認為H2組分增加（jiā）時會出現內燃機汽缸內爆震（zhèn）的現象，從燃氣發電機前氣體取樣分析（xī）的結果看，H2組分含量*多為13.42%，*少為10.42%，實驗期間沒（méi）有爆震現象（xiàng），由於以空氣為氣化介質的生物（wù）質氣化氣中的N2的組分普遍在40%以上，加上CO2、CO（甲（jiǎ）烷值為73）的（de）存在（zài），起（qǐ）到了惰性作用（yòng）；文獻2采用高達34% H2的生物質兩步法氣化產出氣進（jìn）行了內燃機發電實驗，經過（guò）調整空燃比和壓縮比，解決了爆震問題。
圖6 當量空氣係數與產出氣成（chéng）分關係
如圖6所示，空氣氣化的*佳當量比在0.28左右，此條件下（xià），產出氣中H2的含量在20%左右，事實上，為了（le）得到焦油（yóu）含量較少的產出氣，往往（wǎng）需要提高（gāo）反應溫度（dù），因提高反應溫度（dù）而提高當量比，當量（liàng）比提高的同時，產（chǎn）出氣中H2的含量也就相應的（de）減少了。由此看來，以空氣為氣化（huà）介質的生物質氣化產出氣能夠滿足燃氣發電機（jī）的匹配要求。
5. 結論
上述分析表明，不同組分、不同熱值的生物質氣化產（chǎn）出氣在一定範圍內均可以作（zuò）為內燃式燃氣發電機（jī）燃料並保證可靠運行，但所（suǒ）能夠（gòu）實現的*大發（fā）電功率卻不（bú）同；隨著燃氣發電機發電功率的（de）增加，發電比氣耗（hào）逐漸減小，在中高負荷（hé）下，一般為2.5～3Nm3/kW，在低負荷情況下，燃氣發電機效率較低；燃用生物質氣化產出氣（qì）的發電機尾（wěi）氣中CO和HC均含量很（hěn）小，通過合理調整空燃比，尾氣（qì）中（zhōng）NOx含量應該能夠達到燃油鍋爐的尾氣排放標準；焦油含量及氫氣的含量對於燃氣發電（diàn）機的影響比預想小，這些均（jun1）表明，生物質氣化機組與內燃式燃氣發電機具有良好的（de）匹（pǐ）配性，其集成係統是環境友好的生物質能源（yuán）利用係統。
參考文獻：
［1］ 任永誌，劉洪剛，崔亨哲等. 50kW固定床生物質（zhì）氣化熱電聯（lián）供係統的研究[A]. 21世紀太陽能新技術[C]. 上海：上海交通大學出版社，2003. 709-712
［2］ Jesper Ahrenfeldt, Troels Pedersen, Jesper Schramm. FORD VSG 411 FUELED BY PRODUCER GAS FROM A TWO-STAGE GASIFIER[A]. Proceedings of 1st World Conference on Biomass for Energy and Industry[C]. London, UK：James & James (Science Publishers) Ltd，2000
［3］ 王明華. 內燃機節（jiē）能手冊[M]. 北京：化學工業出版社，1987
［4］ 蔣（jiǎng）德明. 內燃機原（yuán）理[M]. 北京：中國農業機械出版社，1981
［5］ T.B. Reed. Biomass Gasification Principles and Technology[M]. New Jersey, USA: Noyes Data Corporation, 1981
基金項目：國家“十五”科技攻關項目（2001BA403B0305）
作者簡介：任永誌（1968-），男，副研究員，從事生物質氣（qì）化技術的研究和開發工作。