用于内燃机的生物合成气-氢气混合物的性能与排放评估

《Journal of Cleaner Production》：Performance and emission assessment of biogenic syngas -hydrogen blends for internal combustion engines

本研究探讨生物废料合成的合成气与不同比例氢气混合作为内燃机燃料的潜力，通过定制气体混合器测试30%-100%氢气比例，发现高氢含量提升热效率与燃烧稳定性，但延长燃烧周期并增加循环不稳定性，同时降低NOx排放。该研究为分散式热电系统提供灵活燃料解决方案，但需解决点火稳定性与能量密度问题。

　　

Karsten Wittek|Afonso Santos|Geovane Prante|Eliseu Monteiro|Abel Rouboa

海布隆大学机械工程系，马克斯-普朗克街39号，74081海布隆，德国

摘要

对可持续能源解决方案日益增长的需求正在加速寻找内燃机（ICEs）的替代燃料，氢气和热解产生的气体已成为有前景的候选者。本研究探讨了由生物废弃物产生的合成气（富含不同比例的氢气）作为内燃机燃料的潜力。实验在一个经过改装以适应氢气运行的涡轮增压四缸直喷（DI）发动机上进行，以评估多种热解气体-氢气混合物的性能。为了确保测试的准确性和可重复性，开发并验证了一种定制的气体混合器，用于在运行过程中动态控制燃料组成。研究重点关注了含有30-100%体积氢气的混合物的燃烧行为、热效率以及排放特性，采用了lambda扫描和负载削减测试方法。结果表明，氢气含量较高的混合物具有更好的热效率和燃烧稳定性，这归因于氢气的有利特性，包括其高的火焰速度和宽的易燃极限。结果还表明，减少氢气比例会延长燃烧时间并增加循环变异性，而NO_x排放量会因峰值温度降低而减少。本研究强调了与低热值燃料混合物相关的关键挑战，特别是在点火稳定性和能量密度方面，但发动机在广泛的组成范围内表现出很强的适应性。这种灵活性对于分散式热电联产系统的实际应用至关重要，因为燃料的组成可能会发生变化。

引言

自19世纪末以来，内燃机在交通运输、工业过程和发电中发挥了核心作用（Heywood, 2019）。这些发动机将储存在燃料中的化学能转化为机械功，最常用的是柴油或汽油。历史上，化石燃料的可用性和成本波动——例如第二次世界大战期间、20世纪70年代的石油危机以及2008年的金融危机——刺激了对替代燃料的研究（Couto et al., 2013）。内燃机被广泛应用于各种领域，包括移动性和分散式电力生产。技术进步不断提高了发动机效率，从而减少了特定能源输出下的燃料消耗和有害排放（Stone, 1999）。然而，对化石燃料的依赖显著增加了全球温室气体排放，尤其是二氧化碳（CO₂）和氮氧化物（NO_x），加剧了全球变暖（政府间气候变化专门委员会（IPCC），2023）。

随着气候变化缓解成为全球优先事项，各国政府和国际组织正在推动脱碳和向可持续能源系统的转型。在这方面，已经研究了多种替代燃料来替代或补充传统化石燃料（Speight, 2015; Kant et al., 2025）。这些燃料可以大致分为以下几类：

•

使用可再生能源电力生产的氢气。

•

气体生物燃料，如生物甲烷和热解气体。

•

液体生物燃料，包括从生物原料中提取的生物柴油和酒精。

•

合成燃料，如通过费托合成生产的甲醇和长链烃。

其中，氢气因其高比能量和无碳燃烧特性而受到特别关注（Monteiro and Brito, 2023）。分子氢（H₂）是最简单且最丰富的元素，主要通过电解产生，该过程利用电力将水分解为氢气和氧气（Hafis et al., 2025; Zhou et al., 2025）。当电解由可再生能源驱动时，可以提供零直接排放的绿色氢气生产途径。

热解气体，也称为合成气，通常由一氧化碳（CO）、二氧化碳（CO₂）、氢气（H₂）、甲烷（CH₄）、氮气（N₂）、水蒸气（H₂O）以及微量污染物（如焦油和灰分）组成（Monteiro et al., 2024）。正如Tezer（Tezer et al., 2022）所指出的，热解气体作为一种可再生替代品，具有供应多样性、原料多样性和可持续性的优势。例如，生物甲烷可以从精制的热解气体中获得。

液体生物燃料如生物柴油是通过酯交换反应从脂质原料中生产的（Ge et al., 2025），而基于酒精的燃料（如乙醇、丁醇）通常通过玉米和甘蔗等作物的发酵或费托合成等催化转化途径获得（Surisetty et al., 2011）。类似地，合成甲醇和长链烃可以通过使用可再生能源输入的氢气和捕获的大气CO₂结合生产（Rodriguez-Pastor et al., 2025）。

这些酒精与富氢的硼基燃料添加剂一起使用，以减少内燃机的排放并提高燃烧效率。Yakin和Gülcan（2025）研究了甲基胺-硼烷对点火发动机燃烧行为、排放特性和性能的影响。他们的结果表明，CO排放显著减少，HC和CO₂排放也有所下降，表明燃烧效率有所提高。然而，观察到NO_x排放增加，这归因于燃烧峰值温度的升高。在相关研究中，Yakin等人（2024）评估了不同浓度的氨-硼烷与汽油混合对发动机性能和排放的影响。作者报告称热效率降低，同时NO_x、HC和CO排放显著减少。此外，Yakin等人（2022）研究了在点火发动机中使用硼氢化钠（NaBH₄）作为燃料添加剂的效果。测试了两种燃料混合物：ES5，由5%（体积比）NaBH₄-乙醇溶液与95%汽油混合；MS5，由5%（体积比）NaBH₄-甲醇溶液与95%汽油混合。结果表明，与纯汽油相比，废气温度更低，制动特定燃料消耗和制动热效率有所提高。总体而言，添加NaBH₄在减少CO和NO_x排放方面有效。

最近的研究工作还集中在改进富氢热解气体的生产及其技术经济潜力上。弗劳恩霍夫UMSICHT研究所（Neumann et al., 2016）在这一领域取得了显著进展，特别是通过热催化重整（TCR）技术，该技术将中间热解与后催化重整相结合，从有机废弃物中生产高价值的气体和液体生物燃料。

TCR包括两个连续的关键阶段：（i）中间热解和（ii）重整。在第一阶段，原料在Hornung和Apfelbacher开发的专利中间热解反应器（英国知识产权局，2010）中进行处理。该系统是一个水平方向的双螺杆反应器，工作压力高达10巴，旨在最大化回收生物炭和生物质蒸汽之间的停留时间和热传递（Ouadi et al., 2013）。在这种配置中，内部螺杆驱动生物质与回收的炭的移动和混合，保持温度在400至500°C之间，持续5-10分钟（Santos et al., 2019; Bashir et al., 2021）。该过程的典型质量产率为大约25%气体、25%炭和50%液体（Mahmood et al., 2013）。外部螺杆将炭循环回入口区域，确保受控的加热速率并防止过高的温度导致不希望的快速热解反应（Yang et al., 2014）。在第二阶段，所得的生物炭和蒸汽在固定床反应器中在500-700°C下进行催化重整，提高气体产量和产品质量（Santos et al., 2020; Neumann et al., 2015; Ouadi et al., 2019）。更高的重整器温度提高了氢气浓度和产气体的总热值。升级后的蒸汽被冷凝为三个部分：生物油（6-11%重量）、水相（21-26%重量）和气体部分（27-44%重量），其中气体通常包含37% H₂、3% CH₄、12% CO和28% CO₂，对应的低位热值（LHV）约为14.4 MJ·Nm^?3。此外，巴伐利亚最近的一项技术经济评估展示了使用当地可用的废弃物生物质原料通过TCR生产合成气的区域可行性（Hornung et al., 2022）。这些结果突显了废物利用和可再生燃料生产的双重优势，进一步证明了富氢热解气体作为下一代燃烧系统可持续能源载体的潜力。然而，大多数为热解气体设计的内燃机都是针对特定气体组成进行优化的，这大大限制了它们的操作灵活性。

因此，本研究旨在探讨不同热解气体组成对发动机燃烧行为、效率和关键性能指标的影响。此外，该研究还评估了发动机在多种热解气体-氢气混合物下的运行可行性，并提出了适应和控制发动机运行以有效管理可变合成气燃料流的策略。

章节片段

生物质原料在热解气体质量中的作用

生物质原料的可持续生产和制备是可再生燃料供应链中的基础阶段，直接影响热解气体的质量和能源转换系统的整体效率。由于其广泛的可用性、碳中性特性以及减少对化石资源依赖的潜力，生物质废弃物已成为一种非常有前景的原料（Mishra et al., 2023）。生物质废弃物包括多种

结果与讨论

测试旨在研究组成与燃烧行为之间的关系。所有测试均在1500 rpm的发电机速度下进行，这是用于发电的速度。为了了解发动机在负载下的表现，进行了负载削减测试。发动机输出的标准是IMEP，根据公式（6）计算。$\text{IMEP}=\frac{W_i}{V_{\text{engine}}}$$W_i$ 是通过积分压力与体积得到的，而$V_{\text{engine}}$ 是发动机的几何排量。热效率为

结论

本研究全面探讨了通过向热解气体中添加氢气来增加内燃机运行价值的潜力。研究结果表明，燃料混合物中氢含量的变化对燃烧特性、发动机效率和排放有显著影响。

与纯氢气运行相比，将氢气比例降低到30%时，燃烧效率有所提高

CRediT作者贡献声明

Karsten Wittek：撰写——审稿与编辑，撰写——初稿，验证，方法论。Afonso Santos：撰写——初稿，验证，软件，研究。Geovane Prante：撰写——初稿，方法论，研究。Eliseu Monteiro：撰写——审稿与编辑，资金获取。Abel Rouboa：撰写——审稿与编辑，监督，资金获取。

利益冲突声明

我（我们）证明，在题为“内燃机用生物合成气-氢气混合物的性能和排放评估”的手稿中讨论的材料与任何财务组织之间没有利益冲突。

致谢

本研究由葡萄牙国家科学技术基金会 - FCT资助，作为项目编号2022.8625.PTDC的一部分；DOI: 10.54499/2022.PTDC