压缩天然气用于汽车发动机的互换性分析

在车用压缩天然气中,甲烷的平均含量在87%左右,还含有数量不等的乙烷、丙烷、丁烷和少量的二氧化碳、氢等。这些甲烷以外数量不等的成分对天然气的性能影响很大。根据GB184047-2000,虽属同类气体,但沃泊指数W和燃烧速度指数CP变化很大,因此引起发动机的性能和排放发生变化。其中丁烷对沃泊指数W影响最大;乙烷对燃烧速度指数CP影响最大。     

燃气特性对发动机性能参数的影响

燃气发动机使用天然气、瓦斯、焦炉煤气等燃料,其动力性、经济性、可靠性很大程度取决于所用气体燃料的成分及特性。各种燃气成分的差异,导致混合气低热值、甲烷值、沃泊指数和燃烧势不同,从而影响燃气发动机的工作过程,导致输出功率、爆震、压缩比、燃烧速度以及点火正时的差异。本文介绍了常见可燃气体的组成成分,分析可燃气体的特性及对发动机性能参数的影响,并为气体发动机的工程运用提供依据。     

天然气小知识

天然气是轻烃类气体，主要成分以甲烷为主，甲烷含量80％～90％，其次含有少量的乙烷、丙烷、丁烷及戊烷和微量的二氧化碳、氮、硫等。天然气（甲烷）火焰温度1900℃～2100℃，     

烷烃催化燃烧的数值模拟

对甲烷、乙烷在表面涂有催化剂的微元管内的催化燃烧进行了模拟．讨论了微元管入口速度、直径、入口温度以及混合气中甲烷与氧气的摩尔比对甲烷催化燃烧特性的影响;分析了单体式蜂窝块中甲烷的着火温度及单个微元管中气体温度、主要气相组分与表面组分的质量分数的变化趋势．分析了不同混合气及不同混合气摩尔比下乙烷的催化燃烧特性,数值模拟结果与实验结果基本一致;提出了碳原子数为3或大于3的烷烃催化反应简化机理的建立方法．为在内燃机中实现催化燃烧以降低氮氧化合物、未燃碳氢化合物及一氧化碳的排放,及扩展燃烧极限提供了理论依据．     

臭氧对CH4/空气稀混合气滞燃期影响规律研究

为提高气体机稀薄燃烧时的燃烧性能,解决天然气发动机在稀薄燃烧情况下点火能量高以及火焰传播速度慢的问题,提出利用强氧化性的臭氧对燃料进行改质,进而提高天然气燃烧性能的思路。通过Chemkin软件研究臭氧添加对甲烷滞燃期的影响,并对改善燃烧的化学机理进行了初步探索。试验结果表明添加臭氧后,某些重要基元反应的温度敏感性、自由基和中间物质的浓度和出现时间发生较大变化,进而改善了甲烷的点火特性。     

烷烃燃料微小平板催化燃烧的火焰特性

对微平板燃烧器内4种烷类燃料（C₁ ~ C₄）进行铂催化燃烧实验,获得其点火过程和静态火焰的特征,并进行对比分析。当量比相同时,点火过程火焰传播速度大小顺序为甲烷 > 乙烷 > 丁烷 > 丙烷。随着当量比增大,火焰传播速度加快,稳态火焰根部位置向气流上游移动。观察可见光、430 nm（OH*光谱）、516 nm（C₂*光谱）成像火焰发现,当量比越大,火焰亮度越大,OH*和C₂*浓度越高。当量比相同时,乙烷的OH*、CH*和C₂*浓度最高,而甲烷和丙烷的则较低。     

多气源天然气管网掺氢位置研究

利用相对完善的天然气管网输送氢气,是现阶段实现氢气低成本运输的有效途径之一。为了确定多气源天然气管网的最优掺氢位置,文章采用沃泊热值指数、A.G.A指数、韦弗指数3种判定方法分析了氢气和天然气的互换性,确定了满足天然气互换性要求的最大掺氢比例。为了满足天然气管网掺氢后的水力工况,采用Pipeline Studio软件对掺氢后的天然气管道和某20节点天然气管网系统的运行工况进行仿真,从天然气管网节点压力和节点气质两个方面分析了掺氢比例对管网输送工况的影响,从而确定了天然气管网中的最优掺氢位置。研究结果表明：不同判定方法对掺氢比例的要求不同,需要综合考虑多种判定方法允许的掺氢比例;某20节点多气源天然气管网系统的最优掺氢位置为节点N14。     

氢气/甲烷扩散火焰特性实验研究

燃烧的基本特性如抬举高度、层流燃烧速度以及射流出口速度等与燃烧装置的设计有关。对纯氢气火焰、氢气/甲烷、氢气/甲烷/CO2扩散火焰的抬举高度和射流出口速度进行了实验研究,并对层流燃烧速度进行了分析。研究认为,抬举高度随着射流出口速度的增加而线性增加。层流燃烧速度随氢气体积分数的增加呈指数增长,特别当氢气体积分数40%以后,层流燃烧速度随氢气体积分数显著增加。     

氮气稀释气对天然气燃烧特性的影响

为获得氮气稀释气对天然气燃烧特性的影响规律,在定容燃烧反应器中对不同当量比与初始压力下天然气的火焰传播特性、燃烧稳定性及燃烧特性进行了试验测试,并分析了氮气稀释度对天然气火焰传播特性、燃烧稳定性及燃烧特性的影响规律。研究结果表明:随着初始压力与氮气稀释度的升高,火焰前锋面将出现细小裂纹,火核逐渐向定容燃烧反应器上部漂移,火焰稳定性变差;随着初始压力的提高,马克斯坦长度明显变短,火焰稳定性变差,无拉伸火焰传播速度与层流燃烧速度明显降低,但最大燃烧压力显著升高。随着当量比的提高,层流燃烧速度与最大燃烧压力出现先增加后降低的趋势,两者的最大值出现在当量比为1.0时。马克斯坦长度随氮气稀释度的增加逐渐变短,表明火焰逐渐趋于不稳定;同时,无拉伸火焰传播速度、层流燃烧速度与最大燃烧压力随氮气稀释度的增加显著降低。     

湍流射流点火对天然气发动机燃烧特性影响的试验研究

湍流射流点火（Turbulent Jet Ignition,TJI）是一种有效的燃烧增强技术,可提供更高的点火能量,使发动机稳定着火,且可以提高燃烧压力和燃烧速率,缩短燃烧持续期,是实现发动机稀薄燃烧的有效手段。基于一台带有预燃室的点燃式单缸试验机,开展了TJI模式下天然气发动机性能的试验研究。首先,研究了不同过量空气系数下TJI对天然气发动机动力性能、排放性能及燃烧特性的影响,并与火花塞点火（Spark Ignition,SI）模式进行对比;其次,在稀燃条件下分别探究了进气增压和预燃室喷氢对天然气发动机动力性、经济性及燃烧过程的优化作用。结果表明：TJI的使用可有效拓展天然气发动机的稀燃极限,且燃烧滞燃期和燃烧持续期均更短,放热率更高;过量空气系数1.5为甲烷TJI最佳稀燃工况,此时燃油消耗率最低,且可实现氮氧化物近零排放;此外,采用进气增压的方式可以提高TJI发动机在高负荷下的经济性;TJI模式下,相较于预燃室喷甲烷,预燃室喷氢气可进一步缩短滞燃期和燃烧持续期,提高放热率,达到提升TJI性能的效果。     

Cu-Promoted Cobalt Oxide Film Catalyst for Efficient Gas Emissions Abatement

Thin film catalysts have been recently reported as promising catalysts owing to their good catalytic activity and reduced material amount, leading to low-cost efficient catalysts for gaseous emissions control. Here, we report the slight loading of Cu in cobalt spinel using a one-step pulsed-spray evaporation chemical vapor deposition(PSE-CVD) synthesis technique for efficient short-chain volatile organic compounds(VOCs) emissions treatment. Crystalline structure and morphology analyses revealed nano-crystallite sizes and open-like morphology. The catalytic performance was evaluated through the complete oxidation of C_3H_6, as a short-chain representative model of VOCs, at a high gas hourly space velocity(GHSV). Very good activity was obtained towards the complete abatement of C_3H_6 at low temperature and no carbon monoxide(CO) was formed during the oxidation process. Slightly-promoted Co_3O_4 catalyst with Cu introduction resulted in high catalytic activity comparing to the performance of the catalysts in the literature, due to the high dispersion of Cu and high active surface oxygen amount. Moreover, to evaluate the capability of the used catalysts under near realistic reaction conditions, CO_2 effect on the catalytic activity was performed and the catalyst exhibited very good results. Thus, the adopted slightly-doping strategy to tailor a high active catalyst at low temperature could establish a very promising route to strongly enhance the activity of such other catalysts towards gas emissions abatement at low temperature.     

在电喷发动机上燃用LPG的试验研究

我国的LPG中C4H10(丁烷)含量比较大。在电喷发动机上使用汽油、纯C，H8(丙烷)和75％C3H8 25％C4H10三种燃料进行对比试验。当用纯C3H8代替汽油时发动机功率下降10％，但有害排放物下降5090％。在LPG中当提高C4H10的比例为25％时，发动机功率下降幅度减少，同时有害排放物可继续下降。在我国作为清洁燃料，LPG在电喷发动机上的应用具有广阔的前景。     

柴油机燃烧多环芳香烃前驱体等物质的化学动力学研究

为了揭示混合气浓度对柴油机排放的影响规律,采用正庚烷氧化详细反应机理及化学动力学分析软件对不同燃空当量比下柴油机燃烧初级碳烟粒子前驱体等重要反应中间产物或自由基的形成及发展历程进行了数值模拟．模拟结果表明,降低混合气浓度可以实现低温燃烧,使燃烧温度远离“碳烟形成温度窗”,大幅度降低柴油机碳烟排放．混合气浓度对反应中间产物或自由基有重要影响,通过改变混合气浓度可以控制燃烧过程中多环芳香烃(PAH)前体物乙炔(C2H2)、炔丙基(C3H3)及其他重要物质羟基(OH)、过氧羟自由基(HO2)、过氧化氢(H2O2)、甲醛(CH2O)和一氧化碳(CO)等的生成量,从而实现控制柴油机排放．     

半焦与垃圾衍生燃料混烧的排放特性

在非均匀布风流化床中进行了半焦与垃圾衍生燃料（RDF）的混合燃烧实验,研究了不同半焦混烧率对烟气组分的影响以及二者混烧的可行性与经济性．实验结果表明,随着半焦混烧率的增加,H2O（气态）、CO、HCl、NO及C3H6含量均呈下降趋势,而CO2、SO2含量则呈增加趋势．同时发现,在燃烧过程中增加C1元素含量,可以促进NO的生成．     

再燃中超细煤粉热解机理及挥发份释放的数值模拟

在煤粉再燃还原NO的过程中,挥发份的释放过程对其再燃还原NO有重要影响。对立式管式携带炉内再燃还原NO过程中超细煤粉热解化学机理及挥发份的释放进行了分析和数值模拟研究。再燃煤粉为100目筛下和320目筛下两种粒度的混煤煤粉。计算结果表明:在相同的条件下,粒度较细的煤粉升温速率较高;挥发份释放总量大;各挥发份组成物质释放早,在50ms内都已经基本释放完毕,其中CO2 释放速率最快,其次是CH4,再其次是C2H4、CO、HCN、H、NH,C2H6 释放速率最慢。使用超细煤粉作为再燃燃料,较常规煤粉更有利。图4表4参13     

生物质快速热解气相成分析出规律

利用恒温沉降炉对秸秆、稻壳、木屑及一种烟煤煤粉在900、1000、1100℃ 3个温度进行了快速热解试验,对4种燃料在快速热解过程中气相成分析出的规律进行了研究.生物质成分中高的挥发分、氧、H/C决定了其快速热解会取得比煤粉高的气相产率,木屑的气相产物产量最多,秸秆次之,稻壳最低.4种燃料热解气相产物中的主要成分是CO、H_2、CO_2、CH_4,少量的G_2H_4、C_2H_6、NO、HCN、COS,生物质和煤粉在快速热解及短的停留时间内,其析出的氮前驱物为HCN.快速热解析出的气相成分产量及组分分布与燃料种类、热解温度、热解停留时间相关.几种物料共同的规律是随停留时间的延长,气相产物的量不断地增加,当气相产物的产量趋于平稳时,相应的气相产物的各组分趋于恒定,这一停留时间标志着热解过程的结束,相同温度条件下煤粉的热解速率要慢于3种生物质.     

基于互换性原理的生物质燃气配制方法

对生物质低热值燃气的互换性配气方法进行了研究和探讨,比较并分析了不同的配气组合.研究发现:对于生物质类低热值燃气,按照控制燃烧特性关键参数的原则,需要根据基准燃气的具体特点,选用CH_4、H_2、N_2或C_3H_8、H_2、N_2等不同组合,实现精确配气;其互换性控制参数,一般选择华白数和燃烧势两个指标,进行生物质燃气的配气设计就可达到相当精度.     

外二次风旋流数对燃烧室内湍流燃烧与NOx生成的影响

建立了采用分级进风方式的旋流燃烧室实验装置。在此实验装置上分别对天然气进行了湍流旋流燃烧的实验研究。在保持过量空气系数不变的条件下,测量了在不同外二次风旋流数下,燃烧室内烟气的时均温度场,O2,CO2,CO和NO浓度场的分布。由实验结果分析讨论了二次风旋流数对旋流燃烧室内湍流燃烧及NOx生成的影响。     

Experimental evaluation of methanol steam reforming reactor heated by catalyst combustion for kW-class SOFC

The distributed power generation of methanol steam reforming reactor combined with solid oxide fuel cell (SOFC) has the characteristics of outstanding economic advantages. In this paper, a methanol steam reforming reactor was designed which integrates catalyst combustion, vaporization and reforming. By catalyst combustion, it can achieve stable operation to supply fuel for kW-class SOFC in real time without additional heating equipment. The optimal operating condition of the reforming reactor is 523–553 K, and the steam to carbon ratio (S/C) is 1.2. To study the reforming performance, methanol steam reforming (MSR), methanol decomposition (MD), water-gas shift (WGS) were considered. Operating temperature is the greatest factor affecting reforming performance. The higher the reaction temperature, the lower the H₂ and CO₂, the higher the CO and the methanol conversion rate. The methanol conversion rate is up to 95.03%. The higher the liquid space velocity (LHSV), the lower the methanol conversion rate, the lowest is 90.7%. The temperature changes of the reforming reactor caused by the load change of stack takes about 30 min to reach new balance. Local hotspots within the reforming reactor lead to an excessive local temperature to test a small amount of CH₄ in the reforming gas. The methanation reaction cannot be ignored at the operating temperature. The reforming gas contains 70–75% H₂, 3–8% CO, 18–22% CO₂ and 0.0004–0.3% CH₄. Trace amounts of C₂H₆ and C₂H₄ are also found in some experiments. The reforming reactor can stably supply the fuel for up to 1125 W SOFC.