羅福強(qiáng)，湯東，梁昱

(江蘇大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江 212013)

　　摘要：沼氣作為以柴油引燃的雙燃料發(fā)動機(jī)的主要燃料，發(fā)動機(jī)發(fā)電，為養(yǎng)豬場提供照明及加工電力，用雙燃料發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)的傳熱及發(fā)動機(jī)排氣加熱混合水箱的水，用熱水加熱沼氣池內(nèi)沼液，組成動力及供熱復(fù)合裝置CHP，可提高產(chǎn)氣率4倍左右。

　　1前言

　　沼氣是各種有機(jī)生物質(zhì)在隔絕空氣的條件下，保持一定的溫度、濕度、酸堿度，經(jīng)過細(xì)菌的發(fā)酵分解作用而產(chǎn)生的可燃?xì)怏w，其主要成份為甲烷(CH₄)，熱值高，是一種干凈清潔的綠色能源。農(nóng)村農(nóng)作物的秸桿、動物糞便，生活垃圾中的有機(jī)物質(zhì)及污泥等均可產(chǎn)生沼氣，但所產(chǎn)生的沼氣量及其成份隨季節(jié)、生物質(zhì)成份等因素有較大變化。

　　沼氣是一種干凈的燃料，其燃燒產(chǎn)物的廢氣成分比燃用汽油或柴油要低。由于其產(chǎn)自各種廢棄的生物質(zhì)，加強(qiáng)其利用不僅可減少廢棄生物質(zhì)對環(huán)境的污染，還可減少在國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中廣泛應(yīng)用的發(fā)動機(jī)對石油資源的依賴性，同時減少了發(fā)動機(jī)的廢氣排放，因此在車用發(fā)動機(jī)領(lǐng)域的應(yīng)用前景光明。

　　國際上燃用沼氣的發(fā)動機(jī)最新發(fā)展的方向之一是將沼氣發(fā)動機(jī)冷卻水、機(jī)油、排氣的熱量充分利用，建成動力與供熱復(fù)合裝置CHP(Combined Heatand Power)，燃料的熱量利用率大為增加^[1]。如美國用中、小型CHP裝置發(fā)電及供暖。丹麥、瑞典、德國、奧地利等國是沼氣應(yīng)用技術(shù)較先進(jìn)的國家。丹麥利用大中型畜牧場動物糞便制氣，用儲氣罐貯存，CHP在發(fā)電的同時給畜牧場供暖并加熱動物糞便，大大提高動物糞便的產(chǎn)氣率。送集中貯存、并用管路供應(yīng)給用戶作生活燃。這些國家的政府大力支持沼氣的應(yīng)用，提供免稅的優(yōu)惠政策促進(jìn)其發(fā)展。

　　我國沼氣發(fā)動機(jī)經(jīng)過多年的發(fā)展，主要作為固定動力源，已發(fā)展了汽油機(jī)、柴油機(jī)改裝的單燃料沼氣發(fā)動機(jī)及用柴油引燃的雙燃料發(fā)動機(jī)。浙江大學(xué)等單位對單燃料沼氣發(fā)動機(jī)做了大量的研究開發(fā)及應(yīng)用工作。但單一燃料沼氣發(fā)動機(jī)存在冷起動較慢、負(fù)荷突變時響應(yīng)較慢、火花塞點(diǎn)火能量要求較大、壽命較短等問題。

　　用柴油引燃的雙燃料發(fā)動機(jī)對柴油機(jī)改動小，只需對進(jìn)氣管和調(diào)速作一些改動，并具有良好的靈活性，可以用柴油-沼氣雙燃料運(yùn)行，也可以用柴油作單燃料運(yùn)行。

　　沼氣發(fā)動機(jī)動力性與原發(fā)動機(jī)差別不大，但由于沼氣中含有較多的惰性氣體CO₂及N₂，燃燒較慢，其排氣溫度較原發(fā)動機(jī)高，NO_x排放較原發(fā)動機(jī)低，但CO及HC排放較原發(fā)動機(jī)高。由于沼氣中含有少量的SO_x，需進(jìn)行脫硫處理，以提高發(fā)動機(jī)的使用壽命。

　　本文采用以柴油引燃的雙燃料發(fā)動機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。研究沼氣—柴油雙燃料發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)產(chǎn)生的熱量及排氣熱量加熱沼氣池中的生物質(zhì)，提高產(chǎn)氣率，并保證沼氣池在冬季也有足夠的產(chǎn)氣率。

　　3 CHP裝置

　　圖1為動力及供熱裝置示意圖。用雙燃料發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)的傳熱及發(fā)動機(jī)排氣加熱混合水箱的水，再用混合水箱的熱水加熱沼氣池內(nèi)沼液，組成動力及供熱復(fù)合裝置CHP。

　　發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)為蒸發(fā)冷卻式，水箱中冷卻水溫度正常工作時為100℃，通過熱交換器使CHP混合水箱的水得到加熱。

　　同時，發(fā)動機(jī)排氣通入CHP混合水箱中的曲折管路(以充分利用其余熱)也可加熱混合水箱中的水。混合水箱中的水溫低時，由于冷凝作用排氣中有冷凝水，混合水箱中的水溫較高時，排氣中無冷凝水。因此排氣管應(yīng)耐高溫及耐腐蝕。

　　CHP混合水箱中的熱水用水泵泵入預(yù)先安裝在沼氣池中的金屬管路，流經(jīng)沼氣池加熱沼液后再流入CHP混合水箱。沼氣池中的金屬管路應(yīng)耐高溫及耐腐蝕。

　　本實(shí)驗(yàn)沼氣池為處理豬場糞污的沼氣池，容積為20m³，用柴油機(jī)改裝成沼氣-柴油雙燃料發(fā)動機(jī)，發(fā)動機(jī)驅(qū)動發(fā)電機(jī)，發(fā)電機(jī)功率為3kW。

　　4實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

　　沼氣池產(chǎn)氣量用流量計(jì)測量，沼氣壓力用U形管測量，大氣環(huán)境溫度及沼氣池沼液的溫度用溫度計(jì)測量。沼氣池產(chǎn)氣率根據(jù)壓力及溫度換算成標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的產(chǎn)氣率。

　　未采用發(fā)動機(jī)余熱加熱發(fā)酵液前，根據(jù)4～6月連續(xù)三個月的測量，該沼氣池的產(chǎn)氣率在環(huán)境溫度為10～28℃時為0.05～0.21Nm³·m^-3d^-1，平均產(chǎn)氣率為0.12Nm³·m^-3d^-1，在氣溫最低的1月，該沼氣池因產(chǎn)氣率太低而不能正常使用。

　　利用沼氣-柴油雙燃料發(fā)動機(jī)余熱實(shí)驗(yàn)開始后，初期由于混合水箱水溫較低，發(fā)動機(jī)排氣中出現(xiàn)冷凝水并隨排氣排出。隨后，沼氣池沼液溫度逐步增高，沼液溫度隨時間變化見圖2，由圖可見，利用發(fā)動機(jī)余熱加熱沼液，該沼氣池沼液溫度在80分鐘左右由28℃增加到50℃并達(dá)到穩(wěn)定，不再增加，在充分穩(wěn)定后，經(jīng)測量，此溫度條件下的產(chǎn)氣率為0.48Nm³·m^-3d^-1。

　　5結(jié)論

　　采用動力及供熱復(fù)合裝置技術(shù)，用沼氣-柴油雙燃料發(fā)動機(jī)冷卻系產(chǎn)生的熱量及排氣熱量加熱沼氣池中的生物質(zhì)，可在提供照明及電力和供應(yīng)熱水的同時，提高沼氣池產(chǎn)氣率4倍左右。

　　參考文獻(xiàn)：

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