羅福強，湯東，梁昱

(江蘇大學汽車與交通工程學院，江蘇鎮江 212013)

　　摘要：沼氣作為以柴油引燃的雙燃料發動機的主要燃料，發動機發電，為養豬場提供照明及加工電力，用雙燃料發動機冷卻系統的傳熱及發動機排氣加熱混合水箱的水，用熱水加熱沼氣池內沼液，組成動力及供熱復合裝置CHP，可提高產氣率4倍左右。

　　1前言

　　沼氣是各種有機生物質在隔絕空氣的條件下，保持一定的溫度、濕度、酸堿度，經過細菌的發酵分解作用而產生的可燃氣體，其主要成份為甲烷(CH₄)，熱值高，是一種干凈清潔的綠色能源。農村農作物的秸桿、動物糞便，生活垃圾中的有機物質及污泥等均可產生沼氣，但所產生的沼氣量及其成份隨季節、生物質成份等因素有較大變化。

　　沼氣是一種干凈的燃料，其燃燒產物的廢氣成分比燃用汽油或柴油要低。由于其產自各種廢棄的生物質，加強其利用不僅可減少廢棄生物質對環境的污染，還可減少在國民經濟建設中廣泛應用的發動機對石油資源的依賴性，同時減少了發動機的廢氣排放，因此在車用發動機領域的應用前景光明。

　　國際上燃用沼氣的發動機最新發展的方向之一是將沼氣發動機冷卻水、機油、排氣的熱量充分利用，建成動力與供熱復合裝置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裝置發電及供暖。丹麥、瑞典、德國、奧地利等國是沼氣應用技術較先進的國家。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氣率。送集中貯存、并用管路供應給用戶作生活燃。這些國家的政府大力支持沼氣的應用，提供免稅的優惠政策促進其發展。

　　我國沼氣發動機經過多年的發展，主要作為固定動力源，已發展了汽油機、柴油機改裝的單燃料沼氣發動機及用柴油引燃的雙燃料發動機。浙江大學等單位對單燃料沼氣發動機做了大量的研究開發及應用工作。但單一燃料沼氣發動機存在冷起動較慢、負荷突變時響應較慢、火花塞點火能量要求較大、壽命較短等問題。

　　用柴油引燃的雙燃料發動機對柴油機改動小，只需對進氣管和調速作一些改動，并具有良好的靈活性，可以用柴油-沼氣雙燃料運行，也可以用柴油作單燃料運行。

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

　　本文采用以柴油引燃的雙燃料發動機進行實驗。研究沼氣—柴油雙燃料發動機冷卻系統產生的熱量及排氣熱量加熱沼氣池中的生物質，提高產氣率，并保證沼氣池在冬季也有足夠的產氣率。

　　3 CHP裝置

　　圖1為動力及供熱裝置示意圖。用雙燃料發動機冷卻系統的傳熱及發動機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沼液，組成動力及供熱復合裝置CHP。

　　發動機冷卻系統為蒸發冷卻式，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，發動機排氣通入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。因此排氣管應耐高溫及耐腐蝕。

　　CHP混合水箱中的熱水用水泵泵入預先安裝在沼氣池中的金屬管路，流經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耐高溫及耐腐蝕。

　　本實驗沼氣池為處理豬場糞污的沼氣池，容積為20m³，用柴油機改裝成沼氣-柴油雙燃料發動機，發動機驅動發電機，發電機功率為3kW。

　　4實驗結果分析

　　沼氣池產氣量用流量計測量，沼氣壓力用U形管測量，大氣環境溫度及沼氣池沼液的溫度用溫度計測量。沼氣池產氣率根據壓力及溫度換算成標準狀態下的產氣率。

　　未采用發動機余熱加熱發酵液前，根據4～6月連續三個月的測量，該沼氣池的產氣率在環境溫度為10～28℃時為0.05～0.21Nm³·m^-3d^-1，平均產氣率為0.12Nm³·m^-3d^-1，在氣溫最低的1月，該沼氣池因產氣率太低而不能正常使用。

　　利用沼氣-柴油雙燃料發動機余熱實驗開始后，初期由于混合水箱水溫較低，發動機排氣中出現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，利用發動機余熱加熱沼液，該沼氣池沼液溫度在80分鐘左右由28℃增加到50℃并達到穩定，不再增加，在充分穩定后，經測量，此溫度條件下的產氣率為0.48Nm³·m^-3d^-1。

　　5結論

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

　　參考文獻：

　　[1]陳澤智.生物質發電技術[J].環境保護，2000(10)：41-42.

　　[2]夏來慶，等.火花點火式沼氣發動機高效燃燒的研究[J].浙江大學學報(工學版)，1997(3)：293-299.

　　[3]陳勇，等.我國的沼氣發動機現狀[J].中國沼氣，1998(1)：33-34.

　　[4]黃勤樓，等.不同池型沼氣池產氣性能及運行效果比較[J].福建農業科技，2003(6)：49-50.