基于化學動力學分析HCNG燃燒特性（長安大學汽車學院，西安 710064）摘要：摻H2天然氣HCNG除了具有高熱能、低排放的優點外，還能提高天然氣的稀燃能力和熱效率狀況，是節能減排趨勢下重要的清潔能源之一。本文基于化學動力學軟件模擬HCNG缸內工作過程，并對不同摻H2比的天然氣的放熱規律和燃燒速率進行了分析比較，從而證實了HCNG良好的燃燒特性。關鍵字：HCNG，化學動力學，燃燒特性，分析比較1 引言隨著CNG汽車保有量增加，天然氣發動機技術已逐步成熟。由于天然氣稀燃能力差、火焰傳播速度慢等缺點，在實際使用過程中，發動機熱效率低，燃燒循環變動率大，同時，受壓縮比限制，天然氣發動機動力性低。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傳播速率，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、低排放的優點，并對發動機循環熱效率有一定的提高。隨著近年來人們對HCNG的認識和研究，HCNG在新能源的開發和利用方面具有很大潛能，成為節能減排的重要清潔能源之一。目前，山西國新能源發展集團有限公司在全國率先提出采用煤氣提氫工藝，并在山西河津地區建設了國內第一個HCNG新工藝示范項目。本文基于化學動力學軟件模擬HCNG缸內工作過程，并對不同摻H2比的天然氣的放熱規律和燃燒速率進行了分析比較，從而驗證了HCNG良好的燃燒特性。2 HCNG研究現狀國內外眾多內燃機學者一直致力于提高HCNG發動機動力性、經濟性和排放特性。主要的研究點火提前角和當量比還對不同摻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動機的點火提前角有影響，他認為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等人研究發現低負荷時燃用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的當量比與排放的關系進行研究，發現隨著當量比的降低，NOx排放增加，而HC排放有所下降；當當量比為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比時才能實現低排放特性3。Bauer等人對HCNG的稀燃極限和選擇最優摻H2比做了較深入的研究4，研究發現20% 30%摻H2比可使發動機獲得最理想的動力性、經濟性和排放特性,過高的摻H2比易使發動機爆震，功率下降，而過低的摻H2比對HCNG發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，從化學動力學角度分析HCNG燃燒過程。利用該模型的IC模塊，模擬發動機工作過程。假設初始條件為：進氣壓力1atm，氣缸工作溫度600K，轉速1500rpm，燃燒反應時間40ms，反應氣體組分包括O2、N2、CH4、H2四種物質。O2和N2作為空氣的主要成分，摩爾質量比為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燃燒（假設為理想狀態，未考慮傳熱損失）。圖1是通過模擬HCNG缸內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壓力峰值最大，HCNG的有所降低，純氫氣的壓力峰值最小；而且在ATDP-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劇烈上升的現象。因此，可以從壓力和溫度曲線的拐點來判斷混合氣燃燒發生的時刻及其持續期。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象，說明三種燃氣都在不同缸內環境下都發生了燃燒現象。但，其壓力和溫度曲線上升拐點對應的時間不同，明顯發現摻H2比高的氣體發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生了較大影響。根據甲烷的化學反應機理可知，甲烷在與空氣發生化學反應過程中H、O、OH是最為重要的活性基，不僅與CH4最初始的脫氫反應有關，并且與中間若干種重要中間產物CH3、CH2(S)、CH2、CH2O及CO都有直接的關系。H2的初始激發反應是H2+MH+H+M和H2+O2HO2+H，這兩個過程比CH4脫氫更加容易。雖然H2的初始反應僅能產生較少的H，但它為CH4的鏈式反應做出了較大的貢獻。并且隨后發生的H+O2O+OH及O+H2H+OH等氧化反應可以為CH4鏈式反應持續提供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。小負荷工況時NOx的排放差異不大，大負荷工況時，NOx排放隨摻H2比增加而增加。4 結論 HCNG作為21世紀新型能源之一，受到國內外眾多內燃機行業學者的青睞。它不僅保持了天然氣高熱能、低排放的優點，而且改善了天然氣的稀燃能力和熱效率狀況。本文基于化學動力學研究分析了HCNG的缸內放熱情況和燃燒速率。H2燃燒速度較快，它初始反應生成大量OH活性基，為CH4的鏈式反應提供了物質條件。參考文獻1 劉海全，馬凡華，殷勇.天然氣摻氫發動機的研究現狀和發展趨勢.車用發動機.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