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新能源天然气的物理特性

作者:西安油改气 日期:2011/8/24 9:28:49 人气:
导读:作为内燃机燃料,主要是利用不同的燃料所发出的热能在内燃机内转换成为有用功。液体燃料如汽油、柴油等是在炼油厂中按照燃料标准的物理、化学的规定,由原油炼制…

作为内燃机燃料,主要是利用不同的燃料所发出的热能在内燃机内转换成为有用功。液体燃料如汽油、柴油等是在炼油厂中按照燃料标准的物理、化学的规定,由原油炼制而成,其物理、化学性质有严格规定,因而比较稳定。气体燃料由于来自不同的油田和气田,或来自各个炼油厂,其间无论其成分还是性质都有较大的区别。作为汽车用的天然气燃料,有一些基本要求,特别要注意以下几个方面的性质。

一、组分

天然气的主要成分是烷烃中的轻组分,基本由田烷CH4(82%~98%)和不多的乙烷C2H6(6%)、丙烷C3H8(1.5%)和丁烷C4H10(约1%)组成。一般油、气田的天然气中的甲烷含量差别相当大。我国四川气田天然气中的甲烷含量多在95%以上,而油田的伴生天然气中的甲烷含量则为70%~80%。有的甲烷含量更低,并且含有较重的烃类,如丁烷、戊烷和已烷等。

作为车用天然气燃料,液化天然气(LNG)的条件最好。因为LNG是天然气在低温深冷(常压下为-162℃)下液化生成的,可以说是纯甲烷,是车用燃料中最受欢迎的燃料。CNG中主要成分应该是甲烷和极度少量的乙烷。如果用油田伴生气作为车用燃料应将所含高碳烃脱除。LPG的主要成分为丙烷和丁烷,但由于其来源不同又有所区别。

如果是从油、气田轻烃回收装置中得到的LPG,则以丙烷、丁烷为主,很少有烯烃存在,适于做车用燃料。而从炼油厂中得到的副产品LPG,除了丙烷、丁烷以外还含有不少丙烯C3H6、丁烯C4H8和丁二烯C4H8等烯烃成分。烯烃密度略小,热值较低,发火性能差。由于是不饱和烃,容易氧化产生胶质,使燃料系统的蒸发器、混合器的膜片胶结、腐蚀而影响发动机的工作。此外,燃烧不完全,容易产生积炭,加速机件的磨损。因而炼油厂副产品的LPG不适宜做车用燃料。除非单独加以 处 理,使其烯烃含量在规定数值以内。

此外,在CNG和LPG中还含有一些杂质,其含量应符合国家有关标准的要求。目前车用CNG的行业标准正在制订中。LPG已有油、气田液化石油气和石油产品燃料中的液化石油气(LPG)两个国标,但都未规定烯烃的含量,因此还应制订车用LPG的标准以便使用。

二、热值

燃料的热值是指单位燃料在量热计中燃烧后测得的热量数值。由于燃料燃烧产物中的H2O在冷凝的过程中会放出潜热包括在量热计所测的数值中,所以测出的数值称为高热值。这部分潜热在发动机中是无法利用的,因此要将这部分热量从高热值中减去。燃料在气缸中燃烧后发出的有效热量称为低热值。在计算天然气燃料的发热量时要按低热值计算。按单位质量气态烃所测得的热值相差不太多。C1的热值稍多些,随着碳数的增加热值略有减少。由于气体燃料用容积作单位便于计量,而碳数少的烃密度小,所以按单位体积计量的热值就比较少了。气体燃料是各种轻烃的混合物,所以天然气的热值可以用下式计算: HU=Σr iHui/100式中HU--天然气的低热值,KJ/Nm3; Hui_第i个可燃组分的低热值,kJ/Nm3 ri_--I个可燃缓分的容积(或摩尔)百分数,% 由于各个天然气燃料的产地、气候等条件的不同,气体燃料 的成分有一定的变化,利用上式可以计算出分析后的气体燃料的低热值。

三、抗爆性

汽油作为发动机燃料有一个很重要的品质,这就是它的抗爆性。现在汽油的牌号就是抗爆性能指标--辛烷值的数值天然气在汽车发动机中,特别是在汽油机改装的天然气发动机中,类似于汽油,即在汽缸外部燃料与空气形成可燃混合气,送到汽缸后,再用外源(电火花)点着,因此也会遇到与汽油类似的抗爆性能高低的问题。所谓抗爆性是指燃料抵抗爆震燃烧的能力。

什么是爆震燃烧呢?在汽油机中电火花点火后,在汽缸中火焰开始在均匀的可燃混合气中传播。火焰前面的未燃混合气因受到已经燃烧的混合气的压缩和辐射传热使温度、压力升高,加速了其化学变化,即所谓的焰前反应。离火焰 中心越远,未燃混合气的焰前反应越深。如果火焰面及时传到,把它燃着,就是正常燃烧。如果在正常火焰尚未到达之前,未燃混合气的化学准备过程已经完成,就会产生自然,形成新火焰中心并以高达1500~2000m/s的速度进行火焰传播。这种带有爆炸性质的燃烧进行得非常迅速,使来不及膨胀的推进,产生撞击并发出尖锐的金属敲击声。与此同时,排气冒黑烟,发动机功率明显下降,这种现象称为爆震燃烧,简称爆燃或爆震。

影响爆震的因素很多,如结构上的压缩比、燃烧室形状、运行时的转速、负荷等等。但发动机已经制造好,则使用的燃料本身的性质,如自燃点的高低、氧化反应的速度等对爆震的产生起着决定性作用,这就是燃料的抗爆性。由于异辛烷的抗爆性最好,所以将它的抗爆性定为100,也就是辛烷值为100。其它的燃料与异辛烷比较,如93号汽油的抗爆性是异辛烷的93%,这种汽油的辛烷值就定为93。对于抗爆性能超过异辛烷的甲烷、乙烷就较难直接测得。现在发表的甲烷、乙烷等气体燃料的抗爆性,即辛烷值都是近似值。奥地利的李斯特内燃机及测试设备公司于60年代,用类似体燃料抗爆性能的指标,叫做甲烷值(Methane Number)。即以甲烷的抗爆能力为100来衡量其它气体燃料的抗爆性,以便将各种气体燃料按不贩使用条件用于发动机工作。美国库伯公司也提出了一个正丁烷值(NBN)作为衡量气体燃料抗爆性 的参数。目前,世界上还没有一个统一的衡量气体燃料抗爆性的指标和方法。

但是,从这个参考的辛烷值中可以看到,甲烷、乙烷等天然气燃料的抗爆性能非常好。因而相应的极度限压缩比比较高,这就是天然气发动机压缩比可以比汽油机高的原因,而压缩比高,则发动机的热效率高,也就省燃料。

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