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[行业技术文章]生物质气化发电机组中内燃机的运行特性分析
更新时间:2013-04-04 发布:www.1024sj.com

  摘要:本文针对生物资气化机发电系统中的燃气发机电组的实验测试成效分析了其运行特征,成效讲明,低热值生物资气化产出气能够知足内燃式燃气发机电的运行要求,只是在能够实现的年夜输出功率方面遭到限制;生物资气化机发电系统的尾气排放能够知足环保的要求;内燃式发机电与生物资气化机组间具有秀的匹配性。

  1. 前言
  生物资气化发电技术作为生物资能源化哄骗的一项有用途径在国内外获得普遍的研究和分歧水平的运用,辽宁省能源研究所在国家“十五”科技攻关计划项目“50kW生物资气化发机电组研制”的执行进程中,在所建设的生物资气化发电系统示范点针对生物资气化机组和燃气发机电组划分进行了实验测试,本文凭据燃气发机电组的测试成效对其运行特征进行了分析,以验证内燃式发机电与生物资气化机组间的可匹配性并评估以生物资气化产出气为燃料时,燃气发机电尾气对于情况的影响。
  2. 系统组成和技术指标
  如图一,生物资气化发电系统由螺旋输送机、下吸式气化炉、旋风除尘器等净化装备、罗茨鼓风机、平安水封、用灶具、内燃式发机电、湿法储气柜和地下管网等组成,系统在保证居平易近生活用气的同时,将敷裕的产出气用于发电,实现气电联产。

  1.螺旋输送机 2.下吸式气化炉 3.旋风除尘器 4.喷淋净化器 5.气水份离器 6.生物资过滤器 7.罗茨鼓风机 8.平安水封 9.用灶具 10.内燃式发机电 11.湿法储气柜
  图1 系统工艺流程图
  生物资气化机组原料处置为150~190kg/h,产气300~380Nm3/h,气化效率72~75%,产出气中焦油和灰含≤17mg/Nm3,经由过程采用分歧生物资物料并控制反应条件获得几种分歧气体组分的产出气用于燃气发机电组的实验测试,同种原料在不异工况下获得的产出气进进储气柜后充实扩散夹杂,保证了燃气发机电进口可燃气体成份的一致性。
  3. 燃气发机电的测试方案
  3.1 燃气发机电规格
  测试实验采意图年夜利Tessari 80kW燃气发机电,采用六缸直列式IVECO 8210型内燃机,火花塞焚烧,汽缸直径和冲程为ф137×156mm,总排气为13.8L,转数为1500RPM。
  3.2 燃气发机电组测试方案 
   针对分歧原料、分歧工况的产出气,测试燃气发机电进口气体组分焦油含,燃气发机电组的输出功率在10kW、20kW、30kW、40kW、50kW、60kW、70kW、80kW工况下的气体耗耗,从而计较分歧负荷下燃气发机电的比气耗、效率并绘制特征曲线,考查气体组分对于燃气发机电功率特征的影响;
  针对分歧气体组分的产出气,测试燃气发机电组的输出功率在10kW、20kW、30kW、40kW、50kW、60kW、70kW、80kW工况下的尾气中NOx、CO2、CO等成份; 
   考查产出气中氢气组分的含对于燃气发机电的影响; 
   在分歧时间距离,考查燃气发机电气体进口过滤器清洁情况和火花塞积炭情况;
  选择好工况和差工况,测试燃气发机电的长接连稳定运行时间;
  3.3 燃气发机电组测点安插及说明
  在燃气发机电进口安插温度、压力和流测点,丈可燃气体的温度T1、压力P和流F1、F2和发机电进口可燃气的成份G2(VARIAN GC3800 气相色谱仪)和焦油含(GB12208-90);在燃气发机电尾气出口安插取样探头以测试燃气发机电尾气中一氧化碳等组分G1(意年夜利Tecnotest MULTIGAS 488型尾气测试仪)的含,同时,经由过程响应的传感器测试发机电的转数和机油温度,除此之外,毗连于两个划分为50kW和30kW的负载箱的测功仪将测试燃气发机电的现实输出功率。

  4. 测试成效及分析
  4.1 气体组分分析和计较成效
  表1气体组分分析和计较成效
气样编号 1 2 3 4 5
产出气气体成份(%) 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
产出气热值Qdw(KJ/Nm3) 3752.5 3913 4051.1 4323.85 5002.8
在燃气发机电进口测得的产出气中焦油含与生物资气化机组出口基本一致,均小于17mg/Nm3;由于以空气为气化剂,产出气中含有年夜N2,产出气被稀释,属于低热值燃气,表格中N2含普遍比生物资气化机组所取气样中N2含高,可以肯定供气管路存在细小漏气点,由于燃气发机电运行的抽气作用而吸进少许空气,造成所取气样N2含高,热值偏低于现实值。
  4.2 燃气发机电的功率特征分析
  燃气发机电启动容易,发电准备时间短,运行平稳,转速基本稳定在1500RPM,发电频率稳定在50Hz,由于燃气发机电的供气管存在轻细泄露,本次测试燃气发机电所实现的高输出功率为72kW,没有到达其铭牌功率。采用分歧组分产出气所获得的比气耗和发机电效率曲线如图3所示。

  随着燃气发机电发电功率的增加,发电比气耗逐渐减小,凭据分歧产出气热值,在中高负荷下,通常是2.5~3Nm3/kW,同时效率逐渐提高,在低负荷情况下,其效率较低,由此看来,凭据用户负荷情况选择容适合的燃气发机电是需要的,虽然燃气发机电前测出的产出气组分分歧且热值相差较年夜,但从燃气热值为3752.5kJ/Nm3到5002.8kJ/Nm3,发机电均能够平稳运行,一样发电负荷下燃气发机电的效率相差不多,均能到达30%,可是在所能实现的高输出功率方面,低热值气体在发机电负荷到一定数目时不能维持内燃机的正常运转,泛起发机电转数和发电频率变化年夜并终在不能知足合适情况下停机的现象。
  4.3 燃气发机电尾气排放分析
  从现实运行的效果看,燃气发机电尾气*度很低,讲明可燃气体与空气的夹杂充实,这是由于以份子状态存在的气体,相对燃油(虽然也经过雾化)扩散性好,而且由于气体稀薄,可燃组分少,燃烧较完全,保证了燃气发机电的效率。
  表2发机电尾气成份测试成效
  输出功率(kW) 尾气成份(%) 
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
  自己稀薄的产出气加上轻细空气被发机电吸进,是以表2显示排*侧测得的空燃比λ(过空气系数)均年夜于1,较高的空燃比有助于CO和HC(碳氢化合物)的燃尽,5个气样测出的尾气中CO和HC均含很小,相对而言,CO和HC的含在低负荷时较高,中高负荷时较低;表2中给出气样1和气样5的NOx测试成效,可以看出,尾气中的NOx含在低负荷时较低,中高负荷时较高,当燃气热值高时,NOx含高,这是由于中高负荷时和燃气热值高时内燃机的燃烧温度高,促进了NOx的生成,文献4中指明,在空燃比稍年夜于1.0处,NOx的浓度将随负荷增加迅速增加,诠释了气样5的NOx含偏高的缘由,是以,在保证燃气热值的条件下,适当提高空燃比,使夹杂气中燃料含削减,成为稀薄燃烧,发念头的燃烧温度将下降,可以有用地控制NOx的生成,本次实验没有进行调理空燃比的测验考试。
国家火电厂年夜气污染物排放尺度(GB13223 —2003)中的划定NOx指标为:
燃煤汽锅:450~1100 mg/m3 (220~537ppm)
燃油汽锅: 200 mg/m3 (98ppm)
燃气轮机组: 80~150 mg/m3 (39~73ppm)
经由过程调整空燃比,以生物资气化产出气为燃料的内燃机发电,应当能够到达燃油汽锅的尾气排放尺度。
  4.4 焦油含及氢气的含对于燃气发机电的影响
  生物资气化气中的焦油和灰分含过会使火花塞积炭而不能打火,总计约110个小时实验竣事后,拆下火花塞和发机电供气管进口的电磁阀观察,很是清洁,见图4和图5,讲明焦油和灰份含小于17mg/Nm3的产出气使火花塞积炭的可能性很小,能够知足发机电组的靠得住运行。


  由于产出气中H2的甲烷值低,为0,实验前认为H2组分增加时会泛起内燃机汽缸内爆震的现象,从燃气发机电前气体取样分析的成效看,H2组分含多为13.42%,少为10.42%,实验时代没有爆震现象,由于以空气为气化介的生物资气化气中的N2的组分普遍在40%以上,加上CO2、CO(甲烷值为73)的存在,起到了惰性作用;文献2采用高达34% H2的生物资两步法气化产出气进行了内燃机发电实验,经过调整空燃比和压缩比,解决了爆震问题。

   空气气化的好当比在0.28左右,此条件下,产出气中H2的含在20%左右,事实上,为了获得焦油含较少的产出气,往往需要提高反应温度,因提高反应温度而提高当比,当比提高的同时,产出气中H2的含也就响应的削减了。由此看来,以空气为气化介的生物资气化产出气能够知足燃气发机电的匹配要求。
  5. 结论
  上述分析讲明,分歧组分、分歧热值的生物资气化产出气在一定范围内都可以作为内燃式燃气发机电燃料并保证靠得住运行,但所能够实现的年夜发电功率却分歧;随着燃气发机电发电功率的增加,发电比气耗逐渐减小,在中高负荷下,通常是2.5~3Nm3/kW,在低负荷情况下,燃气发机电效率较低;燃用生物资气化产出气的发机电尾气中CO和HC均含很小,经由过程合理调整空燃比,尾气中NOx含应当能够到达燃油汽锅的尾气排放尺度;焦油含及氢气的含对于燃气发机电的影响比预想小,这些均讲明,生物资气化机组与内燃式燃气发机电具有秀的匹配性,其集成系统是情况友好的生物资能源哄骗系统。
  参考文献:
[1] 任永志,刘洪刚,崔亨哲等. 50kW固定床生物资气化热电联供系统的研究[A]. 21世纪太阳能新技术[C]. 上海:上海交通年夜学出书社,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] 王明华. 内燃机节能手册[M]. 北京:化学工出书社,1987
[4] 蒋德明. 内燃机原理[M]. 北京:中国农机械出书社,1981
[5] . Reed. Biomass Gasification Principles and Technology[M]. New Jersey, USA: Noyes Data Corporation, 1981


  基金项目:国家“十五”科技攻关项目(2001BA403B0305)
  作者简介:任永志(1968-),男,副研究员,从事生物资气化技术的研究和开发工作。

 

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