基于化學(xué)動力學(xué)分析HCNG燃燒特.doc

基于化學(xué)動力學(xué)分析HCNG燃燒特性（長安大學(xué)汽車學(xué)院，西安 710064）摘要：摻H2天然氣HCNG除了具有高熱能、低排放的優(yōu)點外，還能提高天然氣的稀燃能力和熱效率狀況，是節(jié)能減排趨勢下重要的清潔能源之一。本文基于化學(xué)動力學(xué)軟件模擬HCNG缸內(nèi)工作過程，并對不同摻H2比的天然氣的放熱規(guī)律和燃燒速率進(jìn)行了分析比較，從而證實了HCNG良好的燃燒特性。關(guān)鍵字：HCNG，化學(xué)動力學(xué)，燃燒特性，分析比較1 引言隨著CNG汽車保有量增加，天然氣發(fā)動機技術(shù)已逐步成熟。由于天然氣稀燃能力差、火焰?zhèn)鞑ニ俣嚷热秉c，在實際使用過程中，發(fā)動機熱效率低，燃燒循環(huán)變動率大，同時，受壓縮比限制，天然氣發(fā)動機動力性低。HCNG（Hydrogen enriched Compressed Natural Gas）是氫氣和壓縮天然氣CNG按照一定比例混合的燃料，又名氫烷（Hythane），它可以提高天然氣火焰?zhèn)鞑ニ俾?，改善天然氣的稀燃能力。合適的摻H2比也可以保持天然氣的高熱值、低排放的優(yōu)點，并對發(fā)動機循環(huán)熱效率有一定的提高。隨著近年來人們對HCNG的認(rèn)識和研究，HCNG在新能源的開發(fā)和利用方面具有很大潛能，成為節(jié)能減排的重要清潔能源之一。目前，山西國新能源發(fā)展集團(tuán)有限公司在全國率先提出采用煤氣提氫工藝，并在山西河津地區(qū)建設(shè)了國內(nèi)第一個HCNG新工藝示范項目。本文基于化學(xué)動力學(xué)軟件模擬HCNG缸內(nèi)工作過程，并對不同摻H2比的天然氣的放熱規(guī)律和燃燒速率進(jìn)行了分析比較，從而驗證了HCNG良好的燃燒特性。2 HCNG研究現(xiàn)狀國內(nèi)外眾多內(nèi)燃機學(xué)者一直致力于提高HCNG發(fā)動機動力性、經(jīng)濟(jì)性和排放特性。主要的研究點火提前角和當(dāng)量比還對不同摻H2比的HCNG燃燒性能的影響1。Nagalinyam等人試驗證明了摻氫后的天然氣對發(fā)動機的點火提前角有影響，他認(rèn)為HCNG最佳點火提前角的延遲是由于H2的燃燒速度較快的原因，這使得火焰溫度下降，從而對降低NOx排放十分有利。Yusuf等人研究發(fā)現(xiàn)低負(fù)荷時燃用HCNG與燃用CH4相比，NOx的排放增加，未燃HC和CO的排放降低。Hoekstra和Lynch等人對不同摻H2比的HCNG的當(dāng)量比與排放的關(guān)系進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)隨著當(dāng)量比的降低，NOx排放增加，而HC排放有所下降；當(dāng)當(dāng)量比為1.6時，摻H2比為28%和36%的HCNG的NOx排放最低2。Sierens和Rosseel等人研究了CNG/H2體積混合比為100/0、90/10和80/20的HCNG燃燒排放特性，證實只有HCNG在較低的摻H2比時才能實現(xiàn)低排放特性3。Bauer等人對HCNG的稀燃極限和選擇最優(yōu)摻H2比做了較深入的研究4，研究發(fā)現(xiàn)20% 30%摻H2比可使發(fā)動機獲得最理想的動力性、經(jīng)濟(jì)性和排放特性,過高的摻H2比易使發(fā)動機爆震，功率下降，而過低的摻H2比對HCNG發(fā)動機的性能和排放改善不理想。3 模型與分析本文運用零維模擬軟件，從化學(xué)動力學(xué)角度分析HCNG燃燒過程。利用該模型的IC模塊，模擬發(fā)動機工作過程。假設(shè)初始條件為：進(jìn)氣壓力1atm，氣缸工作溫度600K，轉(zhuǎn)速1500rpm，燃燒反應(yīng)時間40ms，反應(yīng)氣體組分包括O2、N2、CH4、H2四種物質(zhì)。O2和N2作為空氣的主要成分，摩爾質(zhì)量比為21:79，不計其它成分；天然氣用CH4表示， H2所占CH4與H2總和的摩爾比即為摻H2比。燃燒模式為絕熱均質(zhì)燃燒（假設(shè)為理想狀態(tài)，未考慮傳熱損失）。圖1是通過模擬HCNG缸內(nèi)工作過程分析不同摻H2比的天然氣燃燒壓力隨時間的變化關(guān)系。圖1 不同摻氫比的HCNG的示功圖天然氣的燃燒放熱量接近甲烷的燃燒放熱量，約為890.3KJ/mol，而氫氣的燃燒熱為285.8KJ/mol，由此可見，等體積的天然氣與氫氣相比，放熱量較大，但HCNG的放熱量有所增加。如圖1所示，在明顯燃燒期5，氫氣燃燒速度最快，壓力最先升高，而HCNG比純天然氣的燃燒速度快，壓力也提前上升，這是由于氫氣的燃燒極限比較寬，氫氣的燃燒可以誘發(fā)天然氣燃燒。此外，從圖1也可以看出天然氣燃燒過程中缸內(nèi)壓力峰值最大，HCNG的有所降低，純氫氣的壓力峰值最?。欢以贏TDP-25CA附近，天然氣的壓力升高率較大；補燃期，天然氣和HCNG燃燒壓力變化沒有太大差異，均高于氫氣。圖2 不同摻H2比的HCNG的燃燒壓力隨反應(yīng)時間的變化情況圖2是不同摻H2比的HCNG的燃燒壓力隨反應(yīng)時間的變化情況一般混合氣燃燒開始會伴隨劇烈放熱，從而導(dǎo)致氣體溫度和壓力迅速升高，使氣體的溫度和壓力曲線出現(xiàn)劇烈上升的現(xiàn)象。因此，可以從壓力和溫度曲線的拐點來判斷混合氣燃燒發(fā)生的時刻及其持續(xù)期。如圖2所示，隨著時間的推遲各氣體溫度和壓力都存在明顯升高的現(xiàn)象，說明三種燃?xì)舛荚诓煌變?nèi)環(huán)境下都發(fā)生了燃燒現(xiàn)象。但，其壓力和溫度曲線上升拐點對應(yīng)的時間不同，明顯發(fā)現(xiàn)摻H2比高的氣體發(fā)生著火所需時間更短，這表明H2的加入對天然氣的燃燒確實產(chǎn)生了較大影響。根據(jù)甲烷的化學(xué)反應(yīng)機理可知，甲烷在與空氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)過程中H、O、OH是最為重要的活性基，不僅與CH4最初始的脫氫反應(yīng)有關(guān)，并且與中間若干種重要中間產(chǎn)物CH3、CH2(S)、CH2、CH2O及CO都有直接的關(guān)系。H2的初始激發(fā)反應(yīng)是H2+MH+H+M和H2+O2HO2+H，這兩個過程比CH4脫氫更加容易。雖然H2的初始反應(yīng)僅能產(chǎn)生較少的H，但它為CH4的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)做出了較大的貢獻(xiàn)。并且隨后發(fā)生的H+O2O+OH及O+H2H+OH等氧化反應(yīng)可以為CH4鏈?zhǔn)椒磻?yīng)持續(xù)提供OH活性基。此外，氫氣特有的燃燒特性使其摻入天然氣后, 發(fā)動機的燃燒和排放特性有著明顯的變化。隨摻H2比增加，燃燒相位提前，缸內(nèi)最高壓力和最高平均溫度增加，熱效率提高。由于氫氣壁面激冷距離比天然氣小，壁面淬熄產(chǎn)生的HC排放降低，且混合燃料H/C比值增加，有助于降低HC排放。小負(fù)荷工況時NOx的排放差異不大，大負(fù)荷工況時，NOx排放隨摻H2比增加而增加。4 結(jié)論 HCNG作為21世紀(jì)新型能源之一，受到國內(nèi)外眾多內(nèi)燃機行業(yè)學(xué)者的青睞。它不僅保持了天然氣高熱能、低排放的優(yōu)點，而且改善了天然氣的稀燃能力和熱效率狀況。本文基于化學(xué)動力學(xué)研究分析了HCNG的缸內(nèi)放熱情況和燃燒速率。H2燃燒速度較快，它初始反應(yīng)生成大量OH活性基，為CH4的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)提供了物質(zhì)條件。參考文獻(xiàn)1 劉海全，馬凡華，殷勇.天然氣摻氫發(fā)動機的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢.車用發(fā)動機.2006.8.第4期.2 Fuiton J, Lynch F. Hydrogen for Reducing Emissions from Alternative Fuel VehiclesC, SAE Paper 931813, 1993.3 Sierens R, Rosseel E. Variable Composition Hydrogen/natural Gas Mixtures for Increased Engine Efficiency and Decreased EmissionsJ. Transactions of the ASME, Journal of Engineering for Gas Turbines and Power, 2000, 122(1): 135-140.4 Bauer C G, Forest T W. Effect o