椰壳下吸式气化合成气在双燃料发动机中的性能评估与能效优化研究

《Biomass and Bioenergy》：Performance evaluation of a dual-fuel engine using syngas produced from downdraft gasification of coconut shells

本研究针对可再生能源转化效率与化石燃料替代问题，系统评估了椰壳下吸式气化合成气在可变压缩比（VCR）双燃料发动机中的性能表现。通过工业分析、GCV测试及发动机台架试验，证实椰壳合成气（含9.125% CO、7.10% H2、3.355% CH4）具有52.42%的冷燃气效率（CGE），在压缩比18时实现BTE提升和BSFC降低，噪声水平较柴油模式降低2-4dB，为生物质能源高效利用提供重要技术支撑。

　　

在全球能源转型和碳中和目标推动下，生物质能作为唯一的可再生碳源正受到前所未有的关注。据统计，生物质能目前贡献了全球约10%的初级能源供应，其开发利用不仅有助于平衡能源需求，还能显著降低温室气体排放。然而，生物质能的高效转化与规模化应用仍面临技术瓶颈，特别是如何将农业废弃物转化为可直接利用的清洁燃料。

椰壳作为热带地区丰富的农业废弃物，传统处理方式往往造成资源浪费和环境污染。印度理工学院的研究团队注意到这一问题，创新性地将椰壳气化产生的合成气应用于双燃料发动机，相关研究成果发表在能源领域权威期刊《Biomass and Bioenergy》上。

为系统评估椰壳合成气的发动机应用性能，研究人员采用了多学科交叉的研究方法。首先通过工业分析和GCV测试表征椰壳燃料特性，随后利用下吸式气化炉（WBG-10型）进行热化学转化，采用便携式多气体分析仪实时监测合成气成分。发动机试验采用单缸水冷VCR柴油机，通过涡流测功机施加2-10kg负载，在1500rpm固定转速下测试不同压缩比（14、16、18）的性能参数。

3.1. 表征结果

工业分析显示椰壳样品具有61.79%的挥发分和25.67%的固定碳，GCV达到4320kJ/kg，较高的固定碳含量有利于气化过程中的焦炭转化，但2.26%的灰分含量可能引起反应器结渣问题。

3.2. 合成气成分分析

使用泵增强气化时，合成气平均成分为CO（9.125%）、CO₂（9.97%）、CH₄（3.355%）和H₂（7.10%）。与文献报道相比，H₂含量与棉秆气化结果（8.2%）接近，而CH₄含量略优于报道值（3.1%）。

3.3. 冷燃气效率

通过LHV_syngas = Σx_i×LHV_i公式计算合成气低位热值，结合气化速率计算得到CGE为52.42%，符合文献中当量比优化时CGE提升至60%的规律。

3.4. 噪声水平测量

采用SC-310声级计按ISO/DIS 9614-1标准测量，双燃料模式（DFM）噪声为83-87dB，低于柴油模式（83-89dB）。最大缸压记录显示柴油模式（46.31bar）压力上升速率更快，导致更强的燃烧噪声。

3.5. 性能分析

BTE随负载增加而提升，且在较高压缩比下更为显著，这与厨房废弃物合成气研究结论一致。BSFC随负载增加而降低，压缩比18时改善最明显，证实高压缩比有利于提升燃料经济性。

研究结论表明，椰壳作为下吸式气化原料具有显著可行性，其合成气在双燃料发动机应用中表现出良好的性能特性。通过优化压缩比（18）和负载条件，实现了燃烧效率提升和特定燃料消耗降低，同时噪声水平较传统柴油模式有所改善。这项研究为农业废弃物的能源化利用提供了技术范例，特别适用于分布式能源系统建设，对减少化石能源依赖和促进碳循环具有重要意义。未来研究可重点关注长期运行对发动机磨损的影响以及全生命周期排放特征，为规模化应用提供更全面的技术支撑。