混合燃料生物質燃燒機的研究與設計
摘 要：在我國不僅能源消耗巨大，而且能源利用率低、能源消費結構失衡，這使得環境污染嚴重，節能環保新能源越來越得到人們的重視。隨著生物質熱裂解制取生物質清潔燃油技術的不斷發展，開發出一種高效、穩定的工業用生物質燃燒機迫在眉睫。然而傳統的燃燒生物油的燃燒機，由于燃燒不充分等問題很難達到技術要求。因而設計出一臺混合燃料生物質燃燒機，該燃燒機能夠通過調節生物油及可燃不凝氣的比例，使其充分混合并燃燒，進而達到高的燃燒效率，為工業生產提供有力的支持。并給出了混合燃料生物油燃燒機的整體結構設計、霧化噴嘴結構及尺寸設計計算以及生物質燃油和可燃不凝氣通過霧化噴嘴烘燒的模擬仿真。
可以說生物質能是能與三大傳統化石能源相媲美的、不可多得的可再生能源，并且在整個能源系統中是不可或缺的口]。據相關調研數據顯示，生物質能將成為未來可持續發展能源系統中的重要組成能源之一。到下世紀初，運用生物質提取、裂解的替代燃料將占全球能源總能耗的50%以上‘陽。在工業生產中，使用生物油來代替傳統的化石燃料的措施就是把生物油作為主要的可燃性液體燃料進行充分的燃燒來供熱、供能。因此，研究設計出一種能夠充分地燃燒生物油混合燃料的燃燒機，并且能夠達到盡量避免生物油的自身特性對燃燒機造成損壞的目標任務迫在眉睫。相信這種混合燃料生物質燃燒機的研制成功，不僅會進一步地推動生物油技術的發展，還會讓工業化生產向綠色環保邁出重要的一步，也使得工業化生產得到健康有序的發展。
1 混合燃料生物質燃燒機的結構設
 計及工作原理
1.1 混合燃料生物質燃燒機的結構設計
  混合燃料生物質燃燒機主要由：電動機、配風器、供油泵、供混合燃料霧化噴頭管路、配風口組成。其結構如圖1所示，ProlE效果圖見囹2。
 1．配風室外殼；2．穩焰器；3．燃燒室外壁；4．供混合燃料管路；5．固定底座；6．電動機；7．燃料混合霧化噴嘴；8．配風渦輪；9．配風口；10．油泵傳動軸；11．油泵；12．連接法蘭。
1.2 混合燃料生物質燃燒機的工作原理
  在混合燃料生物質燃燒機點火工作前，先打開風門開啟配風器，由渦輪配風器對燃燒室內滯留的燃料燃燒殘渣及可燃氣體進行清理，以防止其影響混合燃料生物質燃燒機正常工作。預清理完成后，繼續進行供氣，使燃燒室內通入足夠的空氣。然后先由混合燃料噴頭霧化管路通入可燃不凝氣，并經點火裝置點燃，使燃燒室達到生物油的著火點，再調節混合燃料噴頭霧化管路通入設定比例的兩種混合燃料，使混合燃料與空氣充分混合均勻，達到生物油的燃燒條件。實現混合燃料生物油燃燒機的正常運作，供給工業化的生產需求。
2 混合燃科生物質燃燒機的主要設
 計原則及參數設計
2.1 混合燃料生物質燃燒機的設計原則
  混合燃料生物質燃燒機的主要燃料是生物油和可燃不凝氣。其中，生物油是通過生物質中的纖維素、半纖維素和木質素等，在中溫550～650℃、隔絕氧氣的條件下將其加熱裂解，再迅速冷凝而制得的一種棕黑色油狀液體。可燃不凝氣是在裂解制取生物油的過程中得到的熱值較高、產量較大的易燃混合氣體。不僅如此，在石油化工過程中產生的可燃不凝氣也可在此作為混合燃料。與傳統的三大化石燃料相比，生物油具有含水量高、黏度大、含氧量高、pH值較低，碳、氫元素含量低的特點。其比重為1.15N1.25，密度為1.2kg．L-l，黏度為58mm2．S-l，閃點為87℃，熱值為17～25MJ．kg-l，含水量為20%～25%[”6]。混合燃料燃燒機的設計必須遵循以下原則L7-S]：
  1)生物油在燃燒前必須進行多級霧化處理。由于生物油黏度大、含水量大、密度大，為了讓生物油充分燃燒，采用多級霧化處理。
  2)生物油、可燃不凝氣必須進行均勻混合。為了讓兩種不同燃料充分混合，對混合燃料霧化噴嘴的結構設計方案采用供可燃不凝氣管路內套供油管路，在霧化噴嘴出口處用高壓的可燃不凝氣將生物油霧化打散，以實現兩種燃料充分混合。
  3)合理且充足的配風、配氣。為了保證燃燒機穩定、安全的工作，必須對燃燒室進行充足的配風、配氣。但又要保證混合燃料在可燃溫度以上，不至有過量的空氣帶走過多的熱量。所以應配有稍微過量的空氣以保證燃料的充分燃燒，且使燃燒室溫度在著火點以上。
  4)烘燒機的整體結構滿足結構簡單，制造簡易，工作可靠，維修方便等機械設計制造要求。
2.2 混合燃料生物質燃燒機的主要參數設計
  通過對生物油、可燃不凝氣物理特性、化學特性和燃燒特性進行較為深入的研究分析，擬定混合燃料生物質燃油燃燒機可燃燒生物油為220～500kg．h-l，燃燒可燃不凝氣為300～500kg．h-l。兩種燃料的熱值分別為17——25MJ．kg-l、5～8MJ．kg-l，在擬定3種燃料燃燒量的前提下，燃燒生物油提供的熱量在60%以上，燃料燃燒效率為95%，燃燒機效率在90%以上。混合燃料生物質燃燒機的輸出功率約為3000kW。電源，三相50Hz；電機，功率1.5kW，3.7A，1400r．min-l；電容，5MF；變壓器，8kW．16mA；油泵，額定壓力0.7r_l.5MPa，額定流量220kg．h-l，功率為0.32kW[。。5]。
3 混合燃料生物質燃燒機的結構設計及理論計算
3.1 混合燃料生物油霧化噴嘴結構設計
  在混合燃料生物質燃燒機的設計過程中，生物油燃燒方式選為先用霧化噴嘴使其成為充分霧化的油滴，再經點火裝置點燃使其充分燃燒。具體過程是先經低壓泵將生物油進行加壓，然后經由霧化器肉通入的可燃不凝氣的推動將生物油霧化成細小、均勻的液滴，且完成與可燃不凝氣及足夠的空氣充分混合，經點火裝置使其燃燒。該方法也是在現代工業燃油燃燒機中，比較常用且安全可靠的燃油燃燒方式。
3.2 霧化噴嘴直徑理論計算
  一般工業化生產中，為防止霧化噴嘴堵塞，其直徑至少要大于4mm，但考慮到混合燃料在燃燒時出現結焦現象，所以霧化噴嘴的直徑應大于5mm。
3.3 霧化噴嘴其他尺寸的設計計算
  蒸氣霧化噴嘴在工作時需要較高速度的氣流，所以在耐其進行設計時應采用拉瓦爾管的原理進行參考設計。
3.4 混合燃料生物質燃燒機的供氣配風原則
  燃燒機高的燃燒效率不僅與生物油的霧化程度有關，還與合理的供氣配風密不可分。所以，混合燃料生物質燃燒機的配風配氣應遵循以下幾點原則。
  1)適量的配氣配風。對混合燃料生物油燃燒機來說，為了保證混合燃料充分、高效率地燃燒，必需保證有足夠的空氣，但一次性大量地通入常溫下的空氣，會直接導致燃燒室內的溫度降低。進而使燃料燃燒的不充分，燃燒效率下降。所以，應通過計算將適當流速的空氣通入燃燒室內，使燃料充分燃燒，以保證燃燒效率。
  2)采用渦輪旋轉式配氣。為保證混合燃料高的燃燒效率，必須使混合燃料與空氣進行充分且均勻的混和。為使混合燃科充分均勻地混合，本設計采用旋轉式配氣方式，使燃燒室內的燃料，在旋轉的空氣推動下進行充分混合。
  3)在燃燒機即將停止工作之前進行快速通風。在燃燒機即將停止工作之前進行快速通風的目的是清除燃燒室內的燃燒殘渣及剩余燃料，以保證燃燒機的使用壽命。
4 對霧化噴嘴霧化效果的模擬仿真
 研究與分析
 由于生物油的黏度較大，要實現對生物油的充分霧化，僅憑霧化噴嘴的結構設計來實現是達不到的。必須通過對霧化噴嘴內的可燃不凝氣進行加壓來帶動生物油的充分霧化，高壓的可燃不凝氣在霧化過程中起霧化劑的作用。下面利用ANSYSFluent仿真模擬進行對燃料混合霧化噴嘴的霧化效果。在通入不加高壓的可燃不凝氣條件下，燃料混合霧化噴嘴的效果如圖4和圖5所示。
經燃料混合霧化噴嘴霧化后的油霧動能逐漸減小，最終呈現一種自由狀態。進入穩定階段后，造成回流現象。回流會直接導致混合燃料的燃燒效率下降，所以僅通過混合燃料霧化噴嘴的結構設計來實現高燃燒效率不可行。
  根據計算，在通入500kPa的高壓可燃不凝氣作為霧化劑時，混合燃料的霧化效果較好。故通入500kPa的高壓可燃不凝氣作為霧化劑，進行模擬實驗，其實驗效果如圖6所示。
在通入500kPa高壓的可燃不凝氣條件下，經燃料混合霧化噴嘴霧化后的油霧里現均勻、穩定的放射流狀，不會出現回流現象，霧化效果較好。對其進行迭代計算，發現迭代100次左右時結果是收斂的。
  綜上可得：對生物油這類黏度大、含水量高的燃油制品實現充分且高效的燃燒，必須在霧化時使用高壓氣體作為霧化劑，使其充分霧化才能達到燃燒要求。同時也驗證了霧化噴嘴在500kPa高壓可燃不凝氣的條件下，具有良好的霧化效果。其油霧分布為放射流狀，有利于生物質燃油的充分燃燒。
5 混合燃料生物質燃燒機燃燒計算
 結果與分析
 混合燃料燃燒機在模擬燃燒過程中速度場分布如圖7所示。
  由圖7(a)可知，混合燃料燃燒過程中噴口處速度較大，沿軸線方向上速度逐漸減小，其中軸線附近的速度較高，速度基本都在20m．s-l以上，這保證了生物燃油與空氣能夠更加充分有效地混合，提高了混合燃料的燃燒效率。
b)燃燒溫度
  混合燃料生物質燃燒機中心截面溫度場分布所知：生物油由噴嘴噴出后，最外層的生物油霧滴與空氣迅速混合燃蟯，隨著燃燒與空氣不斷混合，為混合燃料燃燒提供充足的條件，使混合燃料迅速升溫并被點燃。燃燒機中心處的溫度將迅速提高到2000K，燃燒后的火焰溫度最高可以達到2400K，由此可以看出生物油在燃燒機出口附近基本燃燒完全。