引言：随着新时代的到来，我国对于环境保护的重视程度不断增加，因此，在研究生物质气化发电机组相关技术时，要保证所排放的尾气能够满足国家环境保护相关规定数值，这也是此项技术的研究的基础要求。在实验中我们发现，内燃机可以良好的应用市政污泥、禽畜粪便、餐厨垃圾协同厌氧消化反应器产生的气体，并且没有产生排斥行为，可以看出二者具有良好的匹配性。
一、系统组成和技术指标
生物质是一种可再生能源，市政污泥、禽畜粪便、餐厨垃圾协同厌氧消化反应进行气化发电正是利用消化反应产生的生物质能源来完成的。国际国内针对厌氧消化反应气化发电的相关研究数不胜数，并且在不同领域得到了不同程度的应用。基于本工程当地原材料特性，笔者对市政污泥、禽畜粪便、餐厨垃圾协同厌氧消化反应器产生的气体在内燃机内燃烧展开了研究，并且作出一系列相应的实验项目。本文将以上述实验结果为研究基础，对内燃机的特性展开针对性分析，以此来判断所排放的尾气是否符合环境标准，是否符合国家相关要求，以及对环境的具体影响。
对于本次实验项目，协同厌氧消化反应发电系统由预处理系统、给料系统、厌氧反应器、气体净化装置、储气装置、内燃发电机组、配套管网等组成。协同厌氧消化系统主要用于处理该地区污水处理厂生化反应池产生的生化污泥、农村地区产生的禽畜粪便、城镇居民产生的餐厨垃圾，上述物质的主要成分为有机物，有机物在厌氧消化反应器内反应会产生中低热值的生物质气，该气体可以用于民用生活燃气、车辆用气、工业用气、发电等，具有较好的经济效益。
二、燃气发电机测试方案
1、测试原料
本次的内燃机实验，选取了纯市政污泥、纯禽畜粪便、纯餐厨垃圾、市政污泥+禽畜粪便、市政污泥+餐厨垃圾、禽畜粪便+餐厨垃圾、市政污泥+禽畜粪便+餐厨垃圾6中不同的组合进行厌氧发酵反应，测试不同的发酵气体对内燃机的影响。
2、试验主要设备
本次试验的气体发生设备为混合式厌氧反应器；收集设备为膜式气囊；气体净化设备为水浴脱酸器；气体输送设备为容积式增压风机；发电设备选用六缸直列式IVECO8210型内燃机，总排放气量为13.8L。内燃机组针对气体燃料进行设计，可适应的燃烧气体主要成分为CH4、CO、CmHn等，符合试验要求和试验目的。
3、试验的主要步骤
正确的试验步骤可以使实验结果更加符合应用实际，具有一定的参考意义，还能够保证试验数据的准确性，保证此次试验能够应用到我国生物质气化发电系统上，为其发展提供一定的新路径[1]。具体的试验步骤为：
（1）将试验物料按上述比例分为6组，并保证干基各组质量相同，分别放入不同的厌氧反应器内；
（2）通过容积式风机将将厌氧反应器内的气体抽出并分别送至不同的膜式气囊中；
（3）对上述气体进行取样，送检测机构进行检测分析；
（4）当膜式气囊形成一定的压力后，打开气囊出口阀门将气体通入水浴脱酸反应器内；在气体通入内燃机后进行点火操作，观察内燃机工作状态，记录发电功率、读取气体流量、用集气囊收集内燃机排气并送检；在每组反应完成后，观察机油滤清器和火花塞积碳情况，并更换新的机油滤清器和火花塞。
（5）结果分析：计算不同气体的气耗、不同工况的气耗、分析气体成分、分析不同工况下的废气成分、分析气体杂质对内燃机机油寿命的影响和火花塞寿命的影响，绘制相应图表。
三、测试结果及分析
（一）气体组分析结果
在实验结束后对实验结果进行归纳整理，并对取样的原始气体数据进行分析、归纳、整理，得出气体的主要成分如下：
CH4 >60%
CO2 <39%
H2S 少量（2000mg/m3）
H2、CO <1%
气体物化特性如下：
高 热 值 24.045 MJ/m3
低 热 值 21.670 MJ/m3
分 子 量 26.96
摩尔容积 22.323 m3/kmol
气体密度 1.209 kg/m3
相对密度 0.935
华白指数 24.865 MJ/m3
爆炸下限 8.22 %
爆炸上限 24.91 %
动力粘度 1.247E-005Pa.s
运动粘度 1.032E-005m2/s
燃 烧 势 19.4
气体常数 387.30 J/kg.K
（二）试验气对对内燃机的运行影响
气体中不可避免的带入少量的杂质，杂质在内燃机连续运行中会在高温条件下与内燃机气缸的润滑油发生反应，降低机油的使用寿命，造成运行费用增加，检修频繁，无法满足机组连续运行的要求。如不及时更换机油，严重时会造成内燃机拉缸事故。本次试验使用的是15W-40CD柴油机油（GB11122-2006），气体中的杂质主要为H2S及甲硫醚、氨气等抽气，如不加处理直接通入内燃机内燃烧，将引起机油快速变黑，润滑性能降低，噪音增大等故障。试验得出当H2S含量≤200mg/Nm3；NH3含量≤20mg/Nm3；颗粒物≤5μm，颗粒物含量≤30mg/m3时，机组可以较为长时可靠的运行。
内燃机对于燃料的水分含量有一定的要求，过量的水分会降低燃气的热值，部分水分会在高温燃烧后分解产生H2，引起气缸爆震，水分过多也会降低机油润滑效果，严重时会使机油失效。燃气气量的波动影响内燃机的功率，过快的变化速率因机械动作的滞后性会导致空然比失调，造成燃料消耗量增大，尾气燃烧不完全CO含量上升等问题，严重的会导致内燃机的熄火。内燃机对于不同的燃气有不同的适应程度，本次试验针对上述问题进行了分析，结论如下：
机组稳定运行时，燃料气中不含游离水或其它游离杂质，水分含量≤40g/Nm3；在距离机组燃气进气调压阀前1米内，温度不超过40℃，压力2.5～10kPa，压力变化速率≤1kPa/min；变化速率≤5%/min；气体中甲烷体积含量不低于45%，浓度变化率≤2%/min。
（三）内燃机尾气排放分析
根据内燃机的排气取样分析报考可知，燃气发电机所排放尾气含有的固体颗粒物浓度较低，NOx浓度＞1000mg/m3，SO2排放约1mg/m3。从上述结果可知，在前脱硫的条件下，内燃机的SO2排放情况良好，可以满足国家标准的要求。但NOx浓度排放较高，需要进行尾部脱硝才能达到国家相关标准规范的要求。
（四）C/O比对内燃机的影响
内燃机燃烧的不完全会使气缸内产生积碳效应，导致火花塞打火故障，无法使内燃机的高效、平稳运行，降低发电机的发电功率，造成电网波动，影响电网设备的安全稳定运行，严重时会使内燃机本体生机械故障，造成检修频繁[2]。为了避免这种现象，应该控制合适的进入空气量使燃料完全燃烧，通常需要通入过量的空气，根据试验结果分析，比较适宜的C/O比为1：2.2~1：2.4。
（五）外界环境对内燃机的影响
根据气体状态方程可知，大气压力和环境温度影响内燃机的实际进气量。内燃机存在一个额定输出功率对应的额定空气进气量。大气压和环境温度的变化一般不能影响进气量超过10%为宜，这样才能保证相对合理的空然比，以利于燃气的燃烧完全。本次试验的设备在标准环境状况下（大气压力100kPa，环境温度：25℃，空气相对湿度30％，增压中冷介质温度25℃）能稳定输出额定功率。
经试验测试得出外界环境对内燃机的影响为：在环境温度-20℃～+40℃，相对湿度＜90%（20℃时），海拔高度≤2000m的环境条件下，本设备能稳定、可靠、连续地运行。
结论：综上所述，市政污泥、禽畜粪便、餐厨垃圾协同厌氧消化反应产生的气体可以应用内燃机进行发电并获得稳定的输出功率，尾气需进行脱硝处理方可进行工程应用，同时本次试验验证了气体品质、杂质、压力、C/O比、外界环境对内燃机组的影响，对工程的具体实施具有一定的指导意义。
参考文献：
[1]祝文强,刘国斌,曹进辉,等. 基于300 MW燃煤电站的生物质气化耦合技术研究与应用[J]. 中国资源综合利用,2021,39(05):35-37.
[2]刘启军,赵兴春. 生物质气化与燃煤机组耦合发电系统中生物质能供电量的计算方法研究[J]. 吉林电力,2020,48(06):14-16+28.
