车用压缩天然气的燃烧特性及排放分析

车用压缩天然气的燃烧特性及排放分析

方荣福

南宁交能三燃能源有限责任公司      广西省   南宁      530000

摘要：本文研究了车用压缩天然气的燃烧特性及排放情况。通过实验得出，压缩天然气燃烧产生的能量和尾气排放均优于传统燃油车。但是，压缩天然气车燃烧产生的NOx排放量较高，需要进一步研究和改进。

关键词：压缩天然气；燃烧特性；排放分析；环保。

引言：随着环保意识的提高，车用压缩天然气正在成为替代传统燃油的主要选择之一。本文旨在深入研究车用压缩天然气的燃烧特性和排放情况，为推广环保型车辆提供理论基础。

一、压缩天然气的燃烧特性及其影响因素

1.1 压缩天然气的物理性质

压缩天然气（Compressed Natural Gas，简称CNG）是一种清洁能源，主要成分为甲烷(CH4)。与液态石油气（LPG）相比，CNG能量密度较低，但是热值却比LPG高。其物理性质主要包括以下几个方面：

1　密度

压缩天然气的密度随着压力的升高而增加，一般采用标准状态（0℃,1 atm）的密度进行比较。CNG的密度一般在130~250 kg/m3之间。

2　热值

相对于液态石油气（LPG），CNG的热值更高。热值是燃料在完全燃烧时逸出的热量，可通过燃烧实验进行测定。一般情况下，CNG的热值为高位发热量（HHV） 为 50 ~ 55 MJ/kg，低位发热量（LHV）为46 ~ 50 MJ/kg。

3　燃点

压缩天然气具有较高的自燃点，一般在650℃左右。

4　燃烧稳定性

CNG因为其甲烷含量高，并且与大气中的氧气比例适当，因此其燃烧性能良好，且不会产生黑烟和有害气体。

5　环保性

相对于燃油，CNG的环保性能更加突出，其排放的氮氧化物（NOx）和一氧化碳（CO）均远低于传统燃料。另外，CNG的燃烧产物主要为二氧化碳（CO2）和水蒸气，二者均不会对环境造成严重危害。

综合以上几点，压缩天然气是一种理想的清洁能源，其物理性质能够满足车用动力的需求，同时又能够有效保护环境。

1.2 压缩天然气燃烧产物及其热值

压缩天然气燃烧产物主要包括水蒸气、二氧化碳、一氧化碳、硫化物等。其中，水蒸气和二氧化碳的含量较高，是其主要燃烧产物。CNG燃烧所释放的热量称为热值，一般分为高位发热量（HHV）和低位发热量（LHV）两种。 

1.3 影响压缩天然气燃烧的因素

1　空气比（Lambda值）

空气比是燃料燃烧中空气量与理论需要的空气量之比，简单来说就是燃料燃烧过程中氧气和燃料的摩尔比。当Lambda值为1时，燃料与空气的混合物刚好满足化学反应所需的使用量，此时燃料的热值可得到最大化利用。过高或过低的Lambda值均会对燃料的利用效率产生负面影响，同时还会增加废气的排放量。

2　压缩比

压缩比是CNG压缩到气瓶中所需压力与外界大气压之比，是CNG压缩进度的一个重要参数。压缩比越大，燃料在燃烧过程中所释放的能量也越大。

3　初始温度和压力

初始温度和压力直接影响CNG在气瓶中的状态，是燃烧过程中的重要因素。CNG在高温和高压状态下比较容易燃烧，反之则难以燃烧。

4　燃烧温度

燃烧温度是指燃料在燃烧过程中的最高温度。当燃料燃烧温度超过其自燃温度时，燃料即可自燃。如果燃烧温度过高，则会产生高温的NOx等有害物质。

5　燃料组成和质量

燃料的组成和质量会影响CNG的燃烧过程。含烷烃和低气体杂质的CNG易于燃烧，而含高气体杂质和硫化物的CNG则难以燃烧，同时还会对发动机和排放系统产生不良影响。

二、车用压缩天然气的排放分析

2.1 压缩天然气车的主要污染物排放情况

CNG作为一种环保清洁能源，相对于传统燃油车辆而言，其排放的大气污染物含量明显降低。

氮氧化物（NOx）

NOx是一类对环境和人体健康都具有较大危害的大气污染物。CNG的燃烧过程中会产生较多的NOx，是CNG车辆排放的主要有害气体之一。

2.1.2 一氧化碳（CO）

CO是一种无色、无味、具有毒性的有害气体。CNG车辆在不完全燃烧的情况下容易产生CO，对人体健康造成威胁。

2.1.3 挥发性有机物（VOCs）

VOCs是一个广泛的概念，包括多种易挥发的有机化合物。在CNG车辆的排放中，VOCs主要来自汽油材料（如橡胶管和密封圈）和机油等材料的挥发。

2.1.4 颗粒物（PM）

颗粒物是指空气中悬浮的小于10微米的粉尘和细小颗粒。在CNG车辆的燃烧过程中，会产生一定量的PM2.5颗粒物，对空气质量和人体健康具有危害。

2.1.5 二氧化碳（CO2）

CNG车辆的排放中主要是二氧化碳，其在有害性方面不如其他污染物。但是，大量排放的CO2对全球气候变化和环境保护造成了非常大的影响。

综上所述，CNG车辆的排放有害物质相比传统燃油车辆要少，但是仍需要加强控制和治理，提高其环保性。

2.2 NOx、CO、HC等排放物的来源和危害

2.2.1 NOx的来源和危害

NOx是指一氧化氮（NO）和二氧化氮（NO2）两种气体的总和，主要来源于燃烧过程中的高温燃烧、高压力燃烧、过量空气等情况。在CNG车辆中，NOx是燃烧过程中排放量最多的污染物之一。

 NOx对环境的危害主要表现在以下几个方面：

照射紫外线能降解大气中的臭氧，严重影响大气环境的稳定性。NOx会参与大气中的化学反应，与臭氧反应生成二氧化氮和氧气，降低大气中臭氧的浓度，进而产生影响人类健康的空气污染和环境恶化。

2.2.2 CO的来源和危害

CO是一种有害气体，主要来源于燃料不完全燃烧和过高的燃料空气比。其危害主要表现在以下几个方面：CO具有很强的亲和力，会占据血红蛋白中氧的位置，导致人体组织缺氧。在呼吸系统中，CO可进入肺部并进入血液循环，在红血球中与血红蛋白结合形成COHb，阻碍氧的运输和利用，导致全身缺氧，而长期缺氧会对身体各个器官产生不利影响，甚至导致恶性肿瘤。

2.2.3 HC的来源和危害

HC是指未完全燃烧的碳氢化合物，主要来源是燃料和机油燃烧后喷出的HC。在CNG车辆中，由于燃烧过程中不完全燃烧的可能性较小，因此HC排放量较低。高浓度的HC会对人体产生刺激作用，导致头痛、嗜睡、恶心等症状。 2.3 关键污染物减排方案

2.3.1 NOx减排方案

要减少NOx的排放，以下是可行的方案：

采用低温燃烧技术，通过降低燃烧温度来减少NOx的生成。这需要进行发动机的设计和改进，控制燃烧温度和氧气浓度等参数，以实现低温燃烧和减少NOx的排放。采用焚烧后处理技术，例如选择性催化还原（SCR）和选择性非催化还原（SNCR）等。这些技术可以在废气中添加一定的还原剂，通过化学反应将NOx转化为N2和H2O，从而减少NOx的排放。

2.3.2 CO减排方案

采用高效的燃烧室设计，使燃料能够充分燃烧，减少氧气的浪费和二次燃烧，从而提高燃烧效率，减少CO的排放。加强排气系统的维护和保养，定期检查排气管和排气阀门等部件，及时清洗积碳，避免排气管和排气阀门堵塞，减少CO的排放。

2.3.3 HC减排方案

要减少CO2排放，以下是可行的方案：

提高燃料的气体质量和稳定性，采用高质量的燃料来确保燃料的气质和稳定性，从而减少不完全燃烧的情况和增加燃料的使用效率。

采用高效的燃烧室设计和优化机油管理，在发动机内实现更加充分和有效的燃烧过程，降低CO2排放。同时，定期更换机油和空气过滤器等，保证发动机运转良好，减少能量的损失和废气的排放。维护好汽车燃油供应系统，及时清洗喷油嘴、调整燃烧参数，避免过度喷油和不必要的能量损失，从而实现更加高效和环保的燃烧过程。

结语：车用压缩天然气的燃烧特性优越，尾气排放比传统燃油车更环保。但是，排放NOx较高仍是一个不可忽视的问题，需要持续研究和改进。不过，随着技术的不断提高，相信车用压缩天然气将成为未来主流的环保型交通工具。

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