气体燃料对气体发动机性能影响初探

气体燃料对气体发动机性能影响初探
关磊
（北京时代桃源环境科技有限公司北京100085）
摘要：对于填埋气、瓦斯等甲烷含量不稳定、杂质含量较多的气体进行内燃机发电利用时，燃气的物理
化学性质直接影响了发动机的运行状态。

本文探讨了发动机前处理系统的主要功能及实际应用的效果，说
明对燃气进行合适的处理后，能使发电系统更加稳定、有效地工作。

关键词：气体发动机；气体处理；发动机性能；低热值气体
1，前言
气体燃料发动机工作性能，即动力性、经济性、工作平顺性等，很大程度取决于所用气
体燃料的成分及特性。

由于气体燃料成分、特性差异大，所以当气体燃料成分发生变化时，
发动机输出功率及燃料消耗量将会发生显著变化；其次，由于气体燃料组分的变化改变了燃
料辛烷值和混合气的空燃比，发动机的工作性能还将受到影响。

目前实际应用的气体发动机已经发展了将近一百年，应用于沼气、瓦斯等热值偏低气体
燃料的也有几十年的历史，随着技术的不断更新与完善，主要发动机厂商都部分采用了增压
中冷技术、天然气缸内直接喷射技术、层状进气稀簿燃烧技术、预燃室技术等。

但是国内填
埋气、沼气等生物质气的内燃发电利用还刚刚开始，还存在很多的问题。

2，生物质气发电的问题
到目前为止，对于厌氧发酵过程还很难做到有效的控制，其产气特性通常也只能得到大
致的曲线。

由于生物质气体中主要成分甲烷和二氧化碳的比例会不断地变化，如前所述，这
对于内燃机来说就要求有较强的燃料适应能力，但一般发电机组在设计时只能针对某种气体
进行，当燃料成分发生偏差时，机器的效率势必会受到影响。

城市垃圾填埋气的主要成分中甲烷与二氧化碳是份额最多、变化最大的部分（参见表1），
真实气体中甲烷组分的变化将更大，在某个项目中甲烷的浓度甚至超过了70％，其直接影
响就是超过了发动机预设的空燃配比极限，不得不重新定制混合器方才解决问题。

表1：城市垃圾填埋气主要成分及特性
成分体积百分比
甲烷 45~60 二氧化碳 40~60
氮气 2~5
氧气 0.1~1.0 硫化氢 0~1.0
氨气 0.1~1.0 氢气 0~0.2 一氧化碳 0~0.2
微量气体 0.001~0.006
温度 37.8~48.9 比重 1.02~1.06 含水率饱和
高热值（MJ/m3） 14.9~20.5 目前国内很多垃圾场都处于产气前期，甲烷浓度最高的将近65％，有可能会造成进空
气量难以达到要求，而由于考虑到产气末期的浓度下降，发动机在设计时又不能以较高的燃
气浓度为准。

如果改变目前填埋气的抽气观念，在产气高峰时期，加大抽气量，使得部分空
气进入从而降低甲烷的浓度，而当甲烷浓度下降时减少抽气量，这样就可以延长机组的使用
时间。

金属表面受周围介质的化学或电化学的作用而被破坏称为金属的腐蚀。

酸性气体尤其是
硫化氢溶于水后不仅对对机组零部件的腐蚀，而且会腐蚀润滑油。

无论是对哪一部件的腐蚀，就目前国内运行的经验来看，腐蚀发生的都比较快，如不做
好处理，机组的正常运行将会大打折扣。

另外，生物质气体一般都含有饱和水蒸气以及多种微量杂质成份如：硫化氢、氨气、硅
氧烷等等。

这不仅影响了发动机的效率，而且给机组的运行带来较多的隐患：
水蒸气的危害
真实的填埋气往往含有大量的水份，甚至在极端的情况下，渗滤液也会进入到抽气系统
中，严重地影响气体的抽取和利用。

而水对发动机的影响主要来自于为酸性介质提供了环境，
加大了腐蚀，增加耗功、降低效率等几个方面，其表现为：
发动机点火困难；
降低燃烧室温度，降低内燃机的效率；
水蒸气将增大内燃机尾气排气量，从而降低了内燃机效率；
由于水蒸气等无功气体的存在，增压耗功增大，降低内燃机的效率；
降低燃烧室温度，导致了二噁英等剧毒物质生成的可能性大幅度上升，严重污染环境；
水蒸气与其他酸性物质的化合产生中间产物，对机组机本身产生腐蚀，缩短设备的使用寿命，降低装置的可靠性。

由于发动机内部中冷器的存在，过高的水蒸气含量可能会导致气体露点过高，水蒸气会在发动机内部凝结、积水，造成设备故障，降低设备寿命和可用率。

硫化物的危害
.H2S：硫化氢是无色、有臭鸡蛋气味的毒性气体。

当空气中硫化氢的体积分数过0.1%
时，就能引起头疼晕眩等中毒症状，易燃性气体，比空气重。

硫化氢属于甲类火灾危险性物
质，与空气混合能形成爆炸性混合物，遇高热和明火能引起燃烧爆炸，燃烧分解产物为氧化
硫。

硫化氢是强烈的神经毒物，硫化氢及其燃烧生成的产物二氧化硫有毒性，危害人体，硫
化氢对钢材可引起氢脆和硫化物应力腐蚀，对润滑油的性能也会产生一定的影响。

硫化氢的
燃烧反应式如下：
2H2S+O2—2S+2H2O, 2H2S+3O2—2SO2+2H2O
在填埋气中，硫化氢是一种易燃易爆、并具有强烈恶臭的污染物质，即使被人体少量吸
入，也会产生强烈不适。

填埋气中的硫化物与发动机组的润滑油系统接触，导致润滑油乳化，
增加机组磨损，降低设备使用寿命。

设备润滑不畅，导致机组震动加大，严重威胁人员及设
备的安全；硫化物在氧化作用下，产生二氧化硫，排放后与大气中的水蒸气作用，是形成酸
雨的主要来源，将严重污染大气；另一方面，亚硫酸（H2SO3↔ SO2＋H2O）在低温条件
下（发动机排气管尾部）对设备具有强烈的腐蚀性，严重影响设备的可靠性和使用寿命。

硅氧烷类化合物的危害
硅氧烷：含有结构的有机硅化合物。

聚硅氧烷是由许多含
键的单体聚合成的链状、环状或网状的高分子化合物，通常称为硅酮。

它的结构特点是含有一个硅、氧原子交替排列的基本骨架，每个硅原子上都连着有机基团。

聚硅氧烷中的硅氧键具有高稳定性。

聚硅氧烷的种类很多，按产品的化学结构和性能主要分为三类：①硅油，为低分子量线型结构聚合物。

无色或浅黄色透明液体,具有高的沸点和低的凝固点,对热分解和对水或氧化剂特别稳定；可用作液压油、高级润滑油、表面处理剂和破乳剂，也可用作纺织物、纸和其他许多物质的防水剂,是良好的电绝缘体。

②硅橡胶,是分子量很大的线型结构聚合物。

经加填料、硫化后，可得弹性体，即硅橡胶。

硅橡胶具有电绝缘性、化学稳定性、生理惰性和在广泛温度范围内保持良好的弹性等特点；主要用于制造在高温或低温下使用的橡胶制品和整形术中需要的人造器官。

③硅酮树脂，是含有活性基团，可进一步固化的线型结构聚合物。

可制耐热的高级电绝缘漆（硅漆）、耐热塑料（硅塑料）、层压玻璃布和保护涂层等。

硅氧烷燃烧后生成碳氧化物和二氧化硅，二氧化硅是主要引起内燃机汽缸、活塞严重磨损的杂质组分。

固体杂质的危害
粉尘是大气环境中涉及面最广、危害最严重的一种污染物。

粉尘是发动机明确限制的杂质，它主要影响在于：
堵塞管路，流通不畅，加大压损，增加运行费用；
增大机械磨损，降低设备使用寿命。

其他危害物质
NH3：易溶于水、易液化。

我国有相当数量在线运行的发电机采用直接水冷方式进行冷却，有的采用单水内冷，有的采用双水内冷。

对于它的腐蚀性，国内外都进行过大量的试验研究和现场测试工作，对影响铜导线腐蚀的许多重要因素有了较深入的了解，并采取过一些相应的预防措施，即使如此，运行中的电机铜导线的腐蚀事故仍然时有报导。

硫醇：硫醇、硫酚的性质与醇、酚相似。

硫醇和硫酚都有强烈的臭味，乙硫醇在空气中的浓度达到500亿分之一时，即可闻到臭味。

硫醇、硫酚是弱酸，其酸性比相应的羟基化合物强，比乙酸弱。

它们与氯化汞反应生成不溶性的汞盐，也容易被各种氧化剂氧化成二硫化物。

3，气体前处理的解决方案
针对发动机对气体的要求进行模块化设计，解决上述种种问题，我们认为这是解决目前生物质气体发电利用中问题的必须的、有效的办法。

气体发动机前处理系统解决了气源侧与用气侧天然的矛盾，主要实现下面几个功能：3.1降低气体相对湿度
水份的脱除，考虑到具体的情况，简单分为凝结水的脱除以及未凝结水脱除两大部分，前者可以采用汽水分离器来实现，后者的实现较为复杂，目前主要有下面几种方式：
1.低温除湿：通过制冷设备降低气体的温度，使得其中的水蒸气凝结，然后排除系统，
2.吸附：采用对水有较强烈吸附作用的吸附剂，将气体中的水份析出，
3.膜过滤：采用特殊结构的膜材料，在特定的条件下将水从气体中分出。

下表中从几个方面比较了这几种方法的优缺点：
表2
制冷除湿吸附膜过滤技术成熟度高高一般
除湿效果一般高高
设备初投资一般较高高
安装调试周期快较快一般系统耗电高低高
运行维护费用低较高较高系统占地一般大较大
3.2降低气体杂质成分含量
气体中的杂质是比较复杂的成分，由于是针对发动机的利用，所以对杂质的判断主要以发动机的要求为准，主要有下面几种：
3.2.1硫的去除：
以硫化氢为主的硫化物的去除主要有物理、化学以及生物三种方式。

其中物理方法主要指物理吸附方式脱硫，这种方式操作简便，但往往需要占地较大的设备，而且吸附剂需要再生。

化学方式指以化学反应的方式将硫固化下来，目前有干法及湿法，其差别主要是反应物的物理形态是固体还是液体的差别。

生物法脱硫是目前比较新兴的一种方式，其主要原理是在反应罐中培养出合适的菌种，这些菌种以硫化物为养料，将其中的硫固定下来。

目前检测到的垃圾场填埋气的数据显示，气体中硫化物的体积含量一般都在600ppm以下，多数在200pp m～350ppm，属于硫含量不高的气体，采用物理吸附或者干法脱硫一般比较经济实用，而且操作简便。

3.2.2粉尘（颗粒物）：
通常采用过滤的方式将颗粒物限制在一定的范围内。

另外，某些颗粒可以在吸附的环节去除掉，其实，在做这一系统设计的时候同时还应该注意各个环节之间的联系。

为达到较好的去除效果，一般对气体中的颗粒物分级处理，设置不同精度的过滤器，逐级将颗粒物处理到系统最终的要求，这样不仅可以降低精密过滤的成本，也可以增加系统运行的可靠性。

3.2.3硅氧烷的去除：
国外有文献提出将填埋气冷却到－60℃以下，硅氧烷会凝聚成固态物质，然后去除，但这种方式由于需要制造较低的温度，投资很大，并且运行费用很高，目前尚难以推广。

我们采用的是通过制冷冷却部分去除，同时选择专业的活性炭去除。

3.3稳定的供气压力及温度
目前主流的发动机均对进气压力及温度提出较高的要求，压力的波动会影响发动机的配气系统，过高或者过低的压力都有可能引起发动机跳机。

目前尚不能增加发动机信号反馈回供气系统，所以必须设置相应的压力平衡机构，以适应发动机的进气要求。

3.4快速的反应及适应能力
内燃发动机是一种负荷反应很快的设备，在目前难以发电上网运行的条件下，发电机组必须跟随场内负荷快速变化，而气源为生物发生过程，有着比较大的时间周期，供气系统必须平衡这种矛盾，不仅要在设备上，而且要在控制系统中实现承上起下的功能。

4．案例分析
我公司在04年为某垃圾填埋气发电项目提供了一套预处理系统，运行至今。

下表是采用预处理系统后发动机运行改善情况的一些数据。

项目厂家要求（承诺）实际更换润滑油间隔时间 35 49天
更换火化塞间隔时间 8000 14000小时年运行时间 8000 >8600小时
中修间隔时间 20000 >20000小时从表中的数据可以看出，由于对硫化物、水等去除的比较干净，所用润滑油更换周期延长了，达到了49天，因此，对于一台500kw的机组，每年就可以节省3.9万元的润滑油费用。

同时，由于对硅氧烷、固体粉尘等有进一步的去除，火花塞达到了最长14000小时更换，这一项单台机组又可以节省5万多的火花塞费用；而且，在机组到了20000小时例行中修的时侯发现，由于气体品质较好，机组的缸套、活塞等磨损较小，不需要更换，原来一台机组预计40万的中修费用仅花了不到20万，又节省了20多万元。

另外，由于气体品质好，压力、流量等比较稳定，发动机组运行的也很稳定，可用率很高，一年的可用时间超过了8600小时，比厂家承诺的8000小时多了600小时，如果一度电按照0.6元计算，一台500kw的机组，每年发电收益多了18万元。

综上所述，如果对填埋气进行预处理，提高气体品质，那么，为一个装机容量仅500kw 的发电站每年带来的收益就超过了45万元（这还不算CDM的收益），如果更大的电站，收益将更加可观。

5，结论
填埋气的气体品质不仅影响到发动机组的年发电时间、发电效率等直接发电收益，同时也很大程度上影响到了机组的寿命、运行费用等间接收益。

对气体进行前处理，尽可能的提高发动机组的进气品质，可以进一步提高电站的经济收益，是十分有价值的。

目前，国内的填埋气发电还处在一个刚刚发展的阶段，很多项目仍处在粗放式的经营管理下，虽然收益也很可观，但仍存在着能源和资金的极大浪费。

一个填埋气电站一般可以使用15年以上，我们在建设电站时也应该抱着长远的目光去计算一笔细帐，科学、理性的投资建设，这样才能使我们能够充分利用这些来之不易的能源，让总体的收益达到最大，实现可持续性发展。

参考文献：
[1] 赵振国吸附作用应用原理北京化学工业出版社 2005.9。