任永誌1，崔亨哲（zhé）1，郭軍1，李維堯2
遼寧省能源研究所 遼寧 營口 115000；遼寧省寬甸縣農村能源辦公室，遼寧 寬甸 118200
摘要：
本文針對生物質氣（qì）化機發電係統中（zhōng）的燃氣發電機組的實驗測試結果分析了（le）其（qí）運行特性，結果表（biǎo）明，低熱值生物（wù）質氣化產出氣（qì）能夠（gòu）滿足內燃（rán）式燃氣發電機的運行要求，隻是在能夠實現的*大輸出功率方麵受到限製；生物質氣化機發電係統的尾氣排放（fàng）能（néng）夠滿足環保的要求；內燃式（shì）發電機與生物質氣化機組間具有良好的匹（pǐ）配性。
關鍵詞：生物質；氣化；內燃（rán）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（néng）源化（huà）利用的一項（xiàng）有效途徑在國內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”科技攻關計劃項目“50kW生物質氣化發電機（jī）組研製”的執行過程中，在所建設的生物質氣化發（fā）電係統示範（fàn）點針對生物質氣化機組和燃氣發電機組分（fèn）別（bié）進行了實驗測（cè）試（shì），本文根據（jù）燃（rán）氣發電機組的測試結果對其（qí）運行特性進行了分析，以驗證內燃式發電機與生物質氣化（huà）機組間的可匹配性並評估以生物質氣化產出氣為燃料時，燃氣（qì）發電機尾氣對於環境的影響（xiǎng）。
2. 係統組成和技術指（zhǐ）標
如圖一，生物質（zhì）氣化發電（diàn）係統由（yóu）螺旋輸送機、下吸式氣化爐、旋風除塵（chén）器等（děng）淨化設備、羅（luó）茨鼓風（fēng）機、**水封、專用灶具（jù）、內燃式發電機、濕法儲氣櫃以及地下（xià）管網等組成，係（xì）統在保證居民生活用氣的同時，將（jiāng）富裕（yù）的產出氣用於（yú）發（fā）電（diàn），實現氣電聯產。
1.螺旋（xuán）輸送機 2.下吸式氣化爐 3.旋風除塵（chén）器 4.噴淋淨化器 5.氣水分（fèn）離器 6.生物質（zhì）過（guò）濾器 7.羅茨鼓風機 8.**水封 9.專用灶（zào）具 10.內燃式發電機 11.濕法儲氣櫃
圖1 係統（tǒng）工藝（yì）流程圖
生（shēng）物（wù）質氣化機組原料處理量為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，通過采用不同生物質物料並控（kòng）製反（fǎn）應（yīng）條（tiáo）件得到幾種不同氣體組分的產出（chū）氣用於燃氣發電機組的（de）實驗測試，同（tóng）種原料在相同工況下得到（dào）的（de）產出氣進入儲氣櫃後充分擴散混合，保證了燃氣發電機入口可燃氣體成分的一致性。
3. 燃氣發電機（jī）的測試方案
3.1 燃氣發電機規格
測試實驗采用意大利Tessari 80kW燃氣發電機（jī）,采用六缸直列式IVECO 8210型內燃機，火花塞點火，汽缸直徑和衝程為ф137×156mm,總排氣量為13.8L，轉數為1500RPM。
3.2 燃氣發電機組測試方案
 針對（duì）不同（tóng）原料、不同工況的產出氣，測試燃氣發電機入口氣體組分焦（jiāo）油含量，燃氣發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（hào）量，從而計算不同負荷下燃氣發電機的比氣耗、效率並繪製特性曲線，考察氣（qì）體組分對於燃氣發電機功率特性（xìng）的影響；
 針對不同氣體組分的產（chǎn）出氣，測試燃氣發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（qì）中氫氣組分的含量對於（yú）燃氣發電機的影響；
 在不同時間間隔，考（kǎo）察燃氣發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（shì）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
在燃氣發電機入口布（bù）置溫度、壓力和流量測點，測量可燃（rán）氣體的（de）溫度T1、壓力P和流量F1、F2以及發電機入口可燃氣的成分G2（VARIAN GC3800 氣相（xiàng）色（sè）譜儀）和焦油含量（GB12208-90）；在燃氣發電機尾氣出口布置取（qǔ）樣探頭以測試燃氣發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，通過相應的傳感（gǎn）器（qì）測試發電機的轉數和機油溫度，除此之（zhī）外，連接於兩個分別為50kW和30kW的負載箱的測功儀將測試燃氣發電機的實際輸出功率（lǜ）。
圖2 燃氣發電機（jī）組測點布置示意圖
4. 測試結果（guǒ）及分析
4.1 氣體組分分析和計算結果
表1氣（qì）體組分分析和計算結果
氣樣編號 1 2 3 4 5
產出氣氣（qì）體（tǐ）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Qdw（KJ/Nm3） 3752.5 3913 4051.1 4323.85 5002.8
在燃氣發電（diàn）機入口測（cè）得的產出氣中焦油含量與生物質氣化機組（zǔ）出口基本一致，均小於（yú）17mg/Nm3；由於以空氣為氣化劑，產出（chū）氣中含有大量N2，產出氣被稀釋，屬於（yú）低熱值燃氣，表格（gé）中N2含量普遍比生物質氣化機組所取氣樣中N2含量（liàng）高，可以確（què）定供氣管路存在微小漏（lòu）氣點，由於燃氣發電機運行的抽氣作用而吸入少量空氣（qì），造成所（suǒ）取氣樣N2含量高，熱值偏低於實際（jì）值。
4.2 燃氣發電機（jī）的功率特性（xìng）分（fèn）析
燃氣（qì）發電機啟動容易，發電準備（bèi）時間（jiān）短，運行平穩，轉（zhuǎn）速基本穩定在1500RPM，發電（diàn）頻率穩定在50Hz，由（yóu）於燃氣（qì）發電（diàn）機的供氣管存在輕微泄露，本次測試燃氣發電機（jī）所實現的*高輸出功率為72kW，沒有達到其（qí）銘牌功（gōng）率。采用不同組分產出氣（qì）所得到的比氣耗和發電機（jī）效率曲線（xiàn）如圖3所（suǒ）示。
圖3 比氣耗與（yǔ）效率（lǜ）
隨著燃氣發電（diàn）機發電功率的增加，發電比氣耗（hào）逐漸減小，根據不同產出（chū）氣熱值，在中高負荷下，一般為2.5～3Nm3/kW，同時效率（lǜ）逐（zhú）漸提高，在低（dī）負荷情況下，其效率較低，由此看來，根據用戶（hù）負（fù）荷情況選擇容量適合的燃氣發電機是必要的，雖然燃氣（qì）發電機前（qián）測出的產出氣組分不同且熱值（zhí）相差較大，但從燃氣熱值為3752.5kJ/Nm3到5002.8kJ/Nm3，發電機均能（néng）夠（gòu）平穩運行，同樣發電負荷下燃氣發電機的效率相差（chà）不（bú）多，均能（néng）達到30%，但是在所能實現的*高輸出功（gōng）率（lǜ）方麵，低熱值氣體（tǐ）在發電機負（fù）荷到一定數量時不能維持（chí）內燃機的正常運轉，出現發電機轉數和發電頻率變化大並*終（zhōng）在不能滿足符合情況下停機的現象。
4.3 燃氣發電機尾氣排放分析
從（cóng）實際運（yùn）行（háng）的效果看，燃氣發電機（jī）尾氣煙度很低，表明可燃氣體與空氣的混合充分，這是由於以分子狀態存在的氣體，相對於燃油（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（rán）燒較完全，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(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
本身稀薄的產出氣加上（shàng）輕微空氣被發電機吸入，因此表2顯示排煙側測得的空燃比λ（過量空（kōng）氣係數）均大於1，較高的空燃（rán）比有（yǒu）助於CO和HC（碳氫化合物）的（de）燃盡（jìn），5個氣樣測出的尾氣中CO和HC均含量很小，相對而言，CO和（hé）HC的含量在低負荷時較高，中高負（fù）荷時較低；表2中給出氣樣1和氣樣5的NOx測試結果，可（kě）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（gāo），當燃氣熱值高時，NOx含量（liàng）高，這是由於（yú）中高負荷時和燃氣（qì）熱值高時內燃機的燃燒溫度高，促進了NOx的生成，文獻4中指明，在空燃比稍大於1.0處，NOx的濃度將隨負（fù）荷增加迅速增加（jiā），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（shì）當提高空燃比，使混合（hé）氣中燃料含量減少，成為稀薄燃燒（shāo），發動（dòng）機的燃燒溫度將降低，可以有效地控製NOx的生成（chéng），本次實驗沒（méi）有進行調節空燃（rán）比的嚐試。
國（guó）家火（huǒ）電廠大氣汙染物排放標準（GB13223 —2003）中的規定NOx指標為：
燃煤鍋（guō）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)
通過調整空燃比，以生物質氣化產出（chū）氣為燃料的內燃機發電，應該能夠達到燃油（yóu）鍋爐的尾氣排（pái）放標準。
4.4 焦油含量（liàng）及（jí）氫（qīng）氣的含量對於燃氣發電機的影響
生物質（zhì）氣化（huà）氣中的焦油和灰分含量過（guò）多會使火花塞積炭（tàn）而不能打火，總（zǒng）計約110個小時（shí）實驗結束後，拆下火花塞和發電機（jī）供氣管入口的電磁閥觀察，非（fēi）常清潔，見圖4和圖（tú）5，表明焦油和灰（huī）份含量小於17mg/Nm3的產出氣使火花塞積炭的可能性很小，能夠滿足（zú）發電機組的可靠運行。
圖4 火花塞積炭情況（kuàng）
圖5 燃氣發電機氣體入口過濾器
由（yóu）於產出氣中H2的甲烷值（zhí）*低，為0，實驗前認為H2組分增加時會出現內燃機汽缸內爆震的（de）現象，從（cóng）燃（rán）氣發電機前（qián）氣體（tǐ）取樣分析的結果看，H2組分含量*多為13.42%，*少為10.42%，實驗期間沒有爆震現象，由於以空（kōng）氣為氣化介質的生物質（zhì）氣化氣中的（de）N2的組分（fèn）普（pǔ）遍（biàn）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的生物質兩步法（fǎ）氣化（huà）產出氣進（jìn）行了內（nèi）燃機發電實驗，經過調（diào）整（zhěng）空燃比（bǐ）和壓縮比，解決了爆震問題。
圖6 當量空氣係數（shù）與（yǔ）產出氣成分關係
如圖6所示，空氣氣化的*佳當量（liàng）比在0.28左右，此條件下，產出氣中H2的含量在20%左右，事實上，為了得到焦油含量較少的產出氣，往往需要提高反應溫度，因提高反應溫度而提（tí）高當量比（bǐ），當量（liàng）比提（tí）高的同時（shí），產出氣中（zhōng）H2的含量也就相（xiàng）應的減少了。由此看來，以空氣（qì）為氣化介（jiè）質的生物質氣化產出（chū）氣能夠滿足燃氣發電機的匹配（pèi）要求。
5. 結論
上述分析（xī）表明，不同組分、不同熱值的生物質氣化產出氣（qì）在一定範圍（wéi）內均可以作為內燃式燃氣（qì）發電機燃料並保證可靠運行，但所能夠實現的*大發電功率卻不同；隨著燃氣發（fā）電機發電功率的增加，發電比氣耗逐漸減小，在中高負荷下，一般為2.5～3Nm3/kW，在低負荷情況下，燃氣發電機效率較低；燃（rán）用生物質氣化產出氣的發電機尾氣中CO和HC均含量很小，通過合理（lǐ）調整空（kōng）燃比，尾氣中（zhōng）NOx含量應該能夠達到（dào）燃油（yóu）鍋爐的尾氣（qì）排放標準；焦油含量及氫（qīng）氣的含量對於燃（rán）氣發電（diàn）機的影響比預（yù）想小，這些均（jun1）表（biǎo）明，生物質氣化機組與內燃式燃氣發（fā）電（diàn）機具（jù）有良好的匹配性，其集成係統是環境友好的生物質能源利用係統。
參（cān）考文獻：
［1］ 任永誌，劉洪剛，崔亨哲等. 50kW固定床生（shēng）物質氣化熱電（diàn）聯（lián）供係統的研究[A]. 21世紀太陽（yáng）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（jī）節能手（shǒu）冊[M]. 北京：化學工業（yè）出版社，1987
［4］ 蔣德明. 內燃機原理[M]. 北京：中國農（nóng）業機械出（chū）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（rèn）永誌（1968-），男，副（fù）研究員，從事生物（wù）質氣化技術（shù）的研究和開發工作。