1、沼气发动机驱动的热泵系统构建与经济性分析集美大学机械工程学院集美大学机械工程学院吴集迎 曾杰清1 前言前言l近年来国际石油价格猛涨，世界各国都在开发石油替代品。我国石油资源相对匮乏，应该更有紧迫感。沼气具有资源广泛、废物利用、价格便宜、排放清洁等特点。随着经济的发展和国家能源政策的调整，沼气作为一种新型可再生能源，已愈来愈受到广泛重视。l沼气发动机是以沼气为燃料的燃汽机，具有低排放、低污染等优点。沼气发动机驱动的热泵（Biogas engine-driven heat pump，简称BHP）是以沼气发动机为动力源，驱动压缩式热泵系统运行的供热装置。l沼气发动机排出的废气热量及其缸套散热量均可通
2、过换热器传给热泵工质或载热介质，因此，BHP系统通过回收废气余热和缸套散热量，将显著提高一次能源利用率（PER）。说明以沼气为燃料的发动机在热泵系统中的推广应用，具有明显的节能意义和经济价值。2 沼气发动机沼气发动机2.1 沼气的燃烧特性l沼气是有机物质在一定温湿度以及厌氧条件下发酵，通过特殊的微生物作用分解生成的产物，是一种清洁环保的代用气体燃料。沼气主要成分是甲烷（CH4），约占50%70%，其余主要为二氧化碳（CO2），约占25%45%。l沼气的着火温度很高（可达645850），由于沼气中含有相当比例的二氧化碳等其它气体，对燃烧有强烈的抑制作用，因此燃烧速度较慢(0.230.25m/s)
3、。此外，沼气燃烧持续期较长，后燃严重而且排温很高，燃烧效率相对较低，所以其燃烧特性不如其它燃气。l虽然沼气的燃烧特性不甚理想，但作为可再生能源，沼气具有来源丰富、成本低、较高的热值和较好的抗爆性等特点。只要解决好其燃烧速度慢、排气温度高等一些关键问题，其应用前景广阔。2.2 沼气发动机的技术特性l沼气发动机的原机是汽油机和柴油机，大多数沼气发动机由柴油机改制而成。其原因是沼气的抗爆性好，所以它的压缩比一般较高，对提高发动机热效率有利。而汽油机受汽油容易爆燃的约束，压缩比不能太高，制约了沼气发动机的优点。l为了保证发动机能够长期可靠的燃用沼气，必须对沼气进行较严格的脱硫处理。根据沼气的燃烧特性和
4、燃气机燃用沼气的特点，在柴油机改烧沼气时可采取相应的技术措施，以保证发动机正常工作。2.3 沼气发动机的型式 l沼气发动机有双燃料式和全烧式两种型式。l双燃料式发动机是通过向燃烧室内喷入少量柴油，经压燃后引燃沼气燃烧做功。在结构上只需对柴油机的进气管和调速机构作些简单的改装。l全烧式发动机由火花塞来点燃沼气一空气混合气，无需柴油引燃。l目前，国内使用的沼气发动机以双燃料式为主，全烧式机型很少。3 沼气发动机驱动的热泵系统构建沼气发动机驱动的热泵系统构建 3.1 压缩式热泵工作原理l压缩式热泵以消耗一部分高质能（机械能或电能）为代价制取热量。l热泵压缩机消耗外功W，压缩低沸点工质气体，使工质的压
5、力和温度升高。由于工质的温度高于供热所需的温度T1，故通过冷凝器向室内暖房放出热量Q1而被冷凝。冷凝后的液态工质经过膨胀阀节流，使其降温降压。由于工质温度低于冷源的温度T2（一般为环境温度），所以在蒸发器中吸收外界热量Q2而蒸发。3.2 沼气发动机热泵（BHP）系统的构建l由于BHP系统使用沼气发动机驱动，因此，除完成和电动热泵一样的循环外，还需设置一套发动机废气排放及缸套循环水的余热回收装置。l沼气经净化处理后进入燃汽机，燃烧后释放的热能转化为机械能驱动热泵压缩机，满足热泵系统逆向热力学循环的作功需要。沼气燃烧后所产生的热能，只有一部分通过燃气机转化为机械能，其余则以余热（包括尾气排出的热量
6、和缸套冷却水带走的热量）的形式排入环境。l对于热泵系统，可将这些余热充分回收利用。图中设置了两个余热回收器，使待加热流体在压缩式热泵系统的冷凝器中升温后，再依次通过燃气机的缸套冷却水回收器和排气回收器，被继续加热升温成高温流体供用户使用。lBHP系统的构建 设备选型l燃气机选用12V190系列沼气发动机（压缩比为12:1）；压缩式热泵选用水冷螺杆式冷热水机组；缸套冷却水回收器选用板式换热器；排气回收器选用壳管式汽水换热器；其它设备包括冷却塔、循环水泵、分集水器、膨胀水箱以及各种阀门的选型与电驱动热泵类同。系统基本循环l冷却水循环：冷却水出水管接入冷却塔，在冷却塔内与空气交换热量，降低水温后从冷
7、却塔排水管经循环水泵输送至冷却水回水管流入冷热水机组，维持机组内部基本循环。冬季时，BHP系统以冷却水在机组冷凝器内被加热，作为载热介质通过分水器进入各风机盘管进行制热采暖。l冷冻水循环：夏季时，冷冻水自机组蒸发器端空调供水管流入分水器，作为载冷介质进入各风机盘管进行制冷空调。其回水经过集水器由循环水泵输送回冷热水机组，供机组循环所需。余热回收利用循环l冷却水供水经板式换热器被沼气发动机缸套循环水（约8090）加热后，再经过汽水换热器被发动机排出的高温废气（约400500）进一步加热，水温可达到95110左右。这部分热水直接经专门设置的热水分水器送至各热用户使用，从而充分回收了沼气发动机排出的
8、余热，提高了整个BHP系统的能源利用效率。1.4 BHP系统一次能源利用率系统一次能源利用率计算与经济性分析计算与经济性分析4.1 一次能源利用率（PER）lPERBHP=式中：lQc冷凝器放热量，kWlQr被加热流体从发动机排出的余热中回收的热量，kWlQBG沼气燃烧产生的热量，kWBGrcQQ Ql性能系数COP lCOPBHP=式中：lQc冷凝器放热量，kWlQr 被加热流体从发动机排出的余热中回收的热量，kWlPe 热泵压缩机轴功率，kWercPQ Q l引入余热回收率的概念（为回收的余热量与总余热量之比）Qr=(1-g)QBG 则 PERBHP=gCOP+(1-g)式中：lCOP不考
9、虑余热回收的BHP性能系数lg 沼气发动机热效率l一般可取g=33%，=65%，输配电总效率为33%，电动热泵性能系数为3.5，不考虑余热回收的BHP性能系数为3.6，燃煤锅炉热效率为75%，燃气锅炉热效率为88%，分别计算不同供热方式的一次能源利用率，得出如下数据（见下表）。不同供热方式的一次能源利用率（不同供热方式的一次能源利用率（PER）比较比较 供热方式燃煤锅炉 燃气锅炉 电动热泵 BHPPER/%75 88 115.5 162.4 PER的比较/%0 17.354 116.5/84.5（相对于燃气锅炉）l从计算结果可见：BHP系统用于供热的能量是所消耗燃料能量的1.624倍，与燃煤和
10、燃气锅炉相比，一次能源利用率可分别提高116.5%和84.5%。显然，BHP系统也比电动热泵具有更高的能源利用率。4.2 BHP系统的经济性及环保效益lBHP系统的经济性l沼气是一种可再生高热值的优质燃气，据实验测定：1m3沼气完全燃烧可产生约23MJ的热量，按60%的热效率计算，相当于0.60.7kg汽油燃烧产生的热值。此外，沼气在价格方面也具有优势，其每立方米单价和每兆焦比价均低于煤气、液化石油气和天然气（见下表）。几种燃气数据比较几种燃气数据比较 燃气类别燃气类别 热值热值/kJ/m3 单价单价/元元/m3 比价比价/元元/MJ 煤气 12000 1.2 0.100 液化石油气 1000
11、00 14.0 0.140 天然气 35200 2.0 0.057 沼气 23100 0.90 0.039 lBHP与其它燃气（如天然气）发动机驱动的压缩式热泵并无实质上的区别，都具有较高的能源利用率，只是燃气的种类不同，各机械平台基本相同。由于燃料的费用对系统经济性影响最大，而沼气的单价和比价在几种燃气中都是最低的，因此，BHP系统具有较高的经济性。lBHP系统的环保效益 l相较于煤炭和石油，沼气燃烧排出的各种污染物少的多。与天然气相比，除了二氧化硫排量略高外，二氧化碳以及氮氧化物的排量也较少（见下表）。因此，使用沼气的BHP系统，对于降低温室效应，减少酸雨形成，保护环境可起到明显的正面作用
12、，具有良好的环保效益。几种燃料排污情况比较几种燃料排污情况比较 燃燃料料类别类别 SO2/%NOX/%CO2/%煤炭 100 100 100 石油 70 70 80天然气 0 40 60沼气 10 20 40 5 结论结论l通过对沼气发动机驱动的压缩式热泵(BHP)的系统构建、一次能源利用率的计算和经济性的分析，得出结论：BHP的一次能源利用率高，不仅节能，而且有利于环境保护，具有较高的经济价值和现实意义，值得推广应用。l对于BHP系统的关键原动机沼气发动机，建议作以下几方面的进一步研究和改进：改进沼气脱硫处理的方法，减少有害含硫物的排放，保证沼气发动机能够长期可靠运行。脱除部分二氧化碳，提高沼气的着火性能、燃烧速度 和热值，以达到更好的节能效果。采用高能点火系统，有效增加火焰传播速度，缩短滞 燃期，减小沼气后燃严重、排温过高的不良影响。合理组织汽缸内燃烧过程，使可燃混合气快速燃烧，提高沼气发动机的效率。谢谢指正！2006年9月
