5kW沼气发电机的研究与开发

　　0　引　言

　　多种有机物尤其是废弃的有机物如城市生活垃圾和污水、工厂有机废料和下料、农村动植物废弃物和人畜排泄物等都是制取沼气的最好原料。利用上述物质制取沼气具有多重效益:①实现了垃圾、废物的利用,减少了环境污染,是城市垃圾处理的最好途径;②利用废弃物生产出了宝贵的能源;③避免了有机垃圾的露天存放或焚烧,减少了排向大气的甲烷或二氧化碳量,缓解了大气温室效应;④生产出优质的肥料。所以研发沼气发电机具有很好的社会、经济效益。

　　沼气的燃烧速度很慢(约为23 cm/s),这样使得活塞式内燃机燃用沼气时,急燃期燃烧的沼气量少,后燃期燃烧的量增多,整个燃烧期加长,甚至有部分燃料在排气过程中燃烧[1]。沼气燃烧的另一个特点是着火温度高,着火延迟期长,因此在沼气发动机中产生末端气体自燃的情况少,且沼气具有很好的抗爆性。综上所述可知,沼气燃烧速度慢,是造成沼气发动机燃持续期长、燃烧效率低、后燃严重、可靠性与经济性差的根本原因[2-3]。

　　本研究采用快速燃烧系统等措施,解决沼气发动机燃烧速度慢、后燃严重、排气温度高与热负荷大等问题,开发火花点火式全沼气发电机。

　　1　系统的布置方案

　　系统布置示意图如图1所示。笔者研发的沼气发电机采用活塞式发动机作为动力源驱动,在整个系统中还设置了截止电磁阀、水容式阻火器、防爆阀等安全设施。电磁阀只有在发动机运转的时候才打开,以确保燃气不会泄漏,保证安全。

　　在本研究中水容式阻火器结构如图2所示,利用该装置可实现沼气的进气口与出气端的水隔离,万一发动机回火,利用容器内的水能有效地隔断火焰的曼延,避免了火焰意外点燃沼气源而发生爆炸,确保了供气的安全。另外,系统还设置了防爆阀,当系统内意外发生压力过高情况,燃气可以从防爆阀泻出,避免爆炸。

　　2　沼气发动机的改装

　　本研究以5 kW汽油发电机组为基础来研发沼气发电机组,原汽油发电机组的参数如表1所示。沼气作为燃料在内燃机上使用,很多性能都和汽油相似,因此把汽油机改装成燃用沼气的发动机比较方便。用膜片式稳压装置把从稳压筒出来的沼气的压力控制在0.11MPa左右。发动机具体的改装工作有:去除原机的燃料供给系统,包括油箱、汽油滤清器、化油器等,增加电磁阀、空气/沼气混合器等,就可将一台汽油发动机改装成燃用沼气的发动机(如图1所示)。

　　其工作过程:沼气通过流量计计量沼气的消耗率;过滤器滤去杂质;然后通过阻火器确保不会发生回火;进入稳压筒把沼气压力控制在0.11MPa;经稳压后的沼气,通过混合器与空滤器过来的新鲜清洁空气按合理比例混合均匀进入发动机中燃烧做功。混合器是采用文丘里管的结构原理而设计的,具体是把经稳压后的沼气导入环形的供气内腔,再经环形分布的小孔进入混合器混合室。根据发动机功率、气体燃料的热值,以计算混合器的喉管及喷孔的尺寸,而后再通过试验加以确定[4]。