生物燃油燃烧机的设计及实验研究

田仲富，王述洋

(东北林业大学 机电工程学院，哈尔滨　150040)



生物燃油燃烧机的设计及实验研究

田仲富，王述洋

(东北林业大学 机电工程学院，哈尔滨150040)

摘要：从工业用生物燃油燃烧机的机理、基本结构、燃油供给系统、雾化喷嘴、雾化角、配风系统以及点火装置等方面对工业用生物燃油燃烧机进行了计算和设计。利用FLUENT流体力学软件分别从生物燃油的雾化和燃烧效果对所设计的燃烧机进行了仿真实验。结果表明：所设计的生物燃油燃烧机能够满足一般工业的用热需求。

关键词：生物燃油；燃烧机；仿真实验；雾化效果

近年来，我国的经济处于快速发展阶段，各类能源的消耗量也居于世界前列，已严重影响我国经济的可持续发展。因此，多方寻求能源供给渠道、开发挖掘使用各种可再生能源已成为解决这一问题的有效方式。其中生物燃油最有可能替代传统化石燃料在工业生产中进行供热和供能。然而，现在市面上的燃油燃烧机多以化学燃料为主，因为不同燃油的理化特性差别较大，则在同样的条件下，生物燃油不能在常规的燃油燃烧机中进行充分的燃烧，这将是能源的巨大浪费；另外，由于生物燃油在80°以上的温度下，其黏度和温度之间成正比关系，若这时温度进一步提高，在相应的化学条件具备时，生物燃油各组分之间将发生聚合反应，进而形成分子量更大的化合物，其黏度会瞬间增大，随着时间的累积形成结焦，最终将导致燃烧机油管堵塞甚至使整机燃油系统瘫痪。因此，开发一种能够充分燃烧生物燃油、尽量避免燃油的特性对机器造成损坏的燃烧机显得十分重要。

1工业用生物燃油燃烧机的机理

生物燃油燃烧机和普通燃油燃烧机的基本结构和工作原理相似，都是由供油系统、配风系统、点火装置和附属机构等组成。在燃油燃烧的过程中，首先将燃油喷成雾滴状射流，在旋流或者静止空气介质中燃烧，整个过程等同于气体燃料的扩散燃烧过程。由于生物燃油的性质和化石液体燃料存在较大差别，其燃烧过程更复杂、燃烧更困难。为了使其能够充分燃烧、节约能源、降低环境污染物的排放，设计一款适合生物燃油燃烧的工业用生物燃油燃烧机具有较大的社会、经济意义。

1.1生物燃油燃烧机基本结构

为了满足生物燃油高效、清洁燃烧的要求，生物燃油燃烧机的雾化能力相比传统燃烧机要高，其结构更紧凑，布局更合理。生物燃油燃烧机的工作原理与一般的燃油燃烧机相似。本研究参考国内外先进的燃油燃烧机，设计了适合生物燃油燃烧的大功率工业用生物燃油燃烧机，其总体结构如图1所示。该生物燃油燃烧机主要由燃油供给系统、喷嘴总成、配风系统、点火装置、动力单元以及附属机构等组成。

1.底座 ；2.点火系统；3.回流室；4.稳焰装置；5.喷头总成；6.固定盘；7.旋流器；8.一次风管道；9.阀门；10.二次风管道；11.燃油供给系统；12.电动机；13.风机

图1工业用生物燃油燃烧机的结构

1.2生物燃油燃烧机主要技术参数

在工业用生物燃油燃烧机设计过程中对节能减排和使用安全性等方面进行了全面的考量。该生物燃油燃烧机主要技术参数如表1所示。

表1　生物燃油燃烧机的技术参数

2燃油供给系统的设计

2.1燃烧机油泵和油管设计

油管在生物燃油燃烧机中起到将油泵抽出的燃油输送到喷嘴的作用，一般位于燃烧机内部。由于生物燃油燃烧机在工作时燃油的压力和流速都不大，并且考虑到成本的因素，本文选择软管作为燃烧机的主油管，其内径d的计算公式为

(1)

式中 ：Q为油管中燃油流量(m3/s)；ν为油管的允许流速(m/s)。

已知燃烧机喷油量为625 kg/h，生物燃油的密度为1 200 kg/m3，油管中燃油流量的计算公式为

(2)

式中： m为燃烧机喷油量(kg/h)； ρ为生物燃油的密度(kg/m3)。

将数据代入式(2)可得Q=1.446 8×10-4m3/s。对于软管来讲，其允许的流速不应大于1.5m/s，本文选取1m/s。将以上数据代入式(1)可得油管的内径为13.53mm。查技术手册，选取内径为15.7mm、外径为21.3mm的镀锌不锈钢软管。

供油系统总的动力来源于油泵，因此油泵工作效率的好坏直接影响燃烧机燃油系统的稳定。根据燃烧机所需要燃烧的能力，选取泊泰邦公司生产的2CY-1.08型齿轮油泵，其主要技术参数如表2所示。

表2　2CY-1.08型齿轮油泵主要技术参数

2.2生物燃油预热系统设计

由于生物燃油自身的特性导致其直接进行雾化燃烧比较困难，所以其在进入喷油泵之前需要预热，将其由室温(25 ℃左右)升高到70～80 ℃后再由喷嘴喷出燃烧。本文主要采用电阻丝式加热方法对其进行预热。预热系统结构如图2所示，主要包括热电偶、自动控温仪以及加热器等。

图2　生物燃油电阻丝式预热系统示意图

预热器所做的功主要包括容器内生物燃油加热需求热量Q1、生物燃油经过容器表面和保温层后损失的热量Q2、容器自身加热需求热量Q3，即初始加热所需要的热量为

(3)

本文设计的预热油箱尺寸为1 200 mm×1 200 mm×600 mm，故预热油箱内生物燃油加热需求热量为：

Q1=C1M1ΔT

(4)

式中:C1为生物燃油的比热，为2.408 1 kJ/kg·K；M1为生物燃油的质量(kg)；ΔT为生物燃油的温差(K)。

在油箱中生物燃油质量为864 kg，预热后的生物燃油前后温差为318 K，代入式(4)可知预热油箱内生物燃油需求热量为661 633.6 kJ。已知铁的比热为0.504 kJ/kg·℃，油箱质量为200 kg，同理可得容器自身加热需求热量为4 536 kJ。生物燃油经过容器表面和保温层后损失的热量比例约为20%，所以生物燃油经过容器表面和保温层后损失的热量为132 326.71 kJ，故初始加热所需的热量为798 496.27 kJ，即初始加热的功率为 221 kW。

为保证生物燃油燃烧机正常运行，生物燃油经预热后每小时需要输出625 kg生物燃油，同时补充相同质量的生物燃油进入预热油箱，所以每小时加热补充的生物燃油所需要的热量为478 611 kJ，即连续预热工作过程中需要的功率为132 kW。初始加热的功率大于工作时需要的功率，加热器选择的功率至少为221 kW。综上，选择加热器的功率为221 kW。

2.3雾化喷嘴的设计

喷嘴是实现燃油雾化最简单的装置，是燃油燃烧机的关键设备之一，因此喷嘴的设计是燃烧机设计的关键。雾化喷嘴的直径是其主要的工作参数，对喷嘴性能的影响也最大，其计算公式为

(5)

式中：dp为雾化喷嘴直径(mm)；Bp为燃油流量(kg/s)；wp为燃油喷出速度(m/s)；ρ为生物燃油密度，取1 200 kg/m3。

生物燃油从雾化喷嘴喷出的速度wp计算方法为

(6)

式中：μ为生物燃油流速系数，取0.2；P0为燃油在喷嘴处的压力(Pa)。

燃油通过油泵从油箱中被抽出，经油管被送入喷嘴时有压力的损失，所以燃油喷出的压力P0应为

(7)

式中：P为燃油初始压力，取300 kPa；ΔP为压力损失(Pa)。

燃油的压力损失分为沿程压力损失ΔP1和局部压力损失ΔP2，即

(8)

经计算ΔP1和ΔP2分别为11 903 Pa和1 200 Pa，因此可以计算出燃油在喷嘴处的压力P0为

300 000-11 903-1 200=287 897Pa

将上述计算结果代入式(6)，可求得燃油在雾化喷嘴处的速度wp：

由式(5)可计算出雾化喷嘴的直径dp：

一般情况下，工业燃烧机中的雾化喷嘴为防止堵塞，其直径大于3 mm，但由于生物燃油在燃烧时易结焦，生物燃油燃烧机的雾化喷嘴的直径以不小于4 mm为宜。

2.4雾化角的设计

简单机械式雾化机的流量系数可以按式(9)计算。

(9)

式中：rp为喷嘴半径(m)；p0为喷嘴入口处油压(Pa)；ρ0为生物燃油的密度(kg/m3)；G为喷嘴的喷油量(kg/s)。

根据计算所得的参数，经查阅相关手册确定本设计中的雾化角θ为 98°。

3配风器的设计

配风器是决定燃油锅炉、工业炉燃烧机燃烧好坏的第一个关键设备，它与喷嘴的供油量大小、喷雾锥角大小及喷雾特性密切相关。在不同燃烧阶段或状态必须保持恰当的燃料-空气比，以及不同燃烧区的燃料-空气匹配才可保证燃料完全、稳定燃烧。为满足燃料燃烧的空气量要求和压力要求，本文选取离心式顺向固定叶片风机。

3.1二次风管的确定

配风器的通风量V计算公式为

(10)

式中：Q为燃烧机的喷油量(kg/h)；Tk为热空气温度，在设计时热空气温度为200～300 ℃，本研究取Tk=200 ℃。将参数代入式(10)计算得V=1.92 m3/s。

由于配风器出口风速一般在35～60 m/s范围内，选定风速为48 m/s，可以确定配风器的出口截面积F为

(11)

式中w为配风器出口风速(m/s)。将V代入式(11)可得F=0.048 m2。所以风口的直径为

(12)

需要注意，对于旋流式配风器，以上风速通常是指喉口风速，计算得出的截面积也就是喉口截面积。对于旋流式配风器，可以有一个不大的扩口。在一般情况下，扩口角度不宜大于2×15°，给定喉口距离二次风口距离为130 mm，所以二次风管的直径为320 mm。

3.2一次风管的确定

对于轴向叶片式旋流器，一次风为直通风，约占总风量的20%，所以进入一次风管的风流量为

V1=V×20%=0.384m3/s

(13)

本研究设计油管为4个喷嘴，一次风管也相应变为4个管道，每个一次风管的流量为V1/4，即0.096 m3/s。一次风的风速一般取30 m/s。将数据代入式(13)得每个风管的面积为0.004 m2，即风管入口处的直径为71 mm。为了使一次风管中的风速在拉瓦管前达到高风速，本文将风管设计为锥型，靠近拉瓦管逐渐减小，在拉瓦管端口处变为18 mm。

4点火装置的设计

点火装置在生物燃油燃烧机的设计过程中占据重要的位置，为生物燃油点燃提供了高温点火源。在各种燃烧装置中，除了内燃机的柴油机采用压燃的方式点火外，其余装置都需要专门的点火装置。目前，虽然应用于各类燃烧装置的点火方式和点火装置种类多样，但主要的点火方式仍然以直接点火和间接点火为主。本文为尽量减小燃烧室的复杂程度和有利于燃料的空气动力学特性，选择直接点火的方式。选用市场上较流行的飞达点火继电器，其技术参数如表3所示。

表3　飞达点火继电器技术参数

5生物燃油燃烧机仿真结果及分析

5.1生物燃油雾化计算结果与分析

1) 生物燃油雾化颗粒。生物燃油经喷嘴喷射出后，雾化后的雾化粒径分布效果如图3所示。由图3可以看出：生物燃油由4个喷嘴喷出；在雾化A区每个喷嘴喷出的油雾相互独立；在雾化B区各油雾之间发生相互碰撞、扩散；在雾化C区(即主燃区)，经过碰撞和扩散之后，生物燃油油滴粒径基本处于稳定状态，油雾分布均匀，颗粒大小适中，雾化效果较好。由此可以看出：本文设计的生物燃油燃烧机4个喷嘴的位置布置合理，且喷口尺寸及雾化角的选择有利于生物燃油的雾化。

2) 雾化后的生物燃油温度分布。生物燃油雾化后的温度场分布如图4所示，单位为K。由图4可知：生物燃油由喷嘴喷射后，其温度在外围保持较好，大约在473 K左右，说明配风对生物燃油的温度升高有较大影响。这是因为生物燃油经雾化后，油滴颗粒细小，经473 K的空气吹过后，升温迅速，这有利于加速生物燃油的蒸发，缩短生物燃油的预燃期。

图3　雾化后的生物燃油雾化颗粒分布

图4　雾化后的生物燃油温度场分布

3) 雾化后的生物燃油速度分布。生物燃油雾化后的速度分布如图5所示，单位为m/s。雾化后的生物燃油速度矢量图如图6所示，单位为m/s。由图5可知：生物燃油由喷口喷出后速度最高，约为46 m/s，在回流区速度明显降低，约为25.9 m/s；随着轴向距离的增加，油滴速度逐渐减小。从图6可以看出：生物燃油速度矢量稳定，速度方向理想，有利于雾化。

图5　雾化后的生物燃油速度场分布

图6　雾化后的生物燃油速度矢量图

5.2生物燃油燃烧计算结果与分析

1) 生物燃油燃烧速度分布。生物燃油在燃烧过程中其速度场分布如图7所示，单位为m/s。将图7与图6比较可以看出：两者速度场分布总体上基本一致，燃烧过程中也是喷口处速度较大，沿轴线方向上速度逐渐减小，其中轴线附近的速度较高。在燃烧速度场中，速度基本都在30 m/s以上，保证了生物燃油与助燃空气能够更加充分地混合，提高了生物燃油的燃烧效率。

2) 生物燃油燃烧压力分布。生物燃油燃烧后燃烧机喷嘴部位的压力场分布如图8所示。由图8可知：随着生物燃油逐渐燃烧，燃烧机喷嘴处的压力逐渐变大，最大压力在166 Pa，压力十分小，所以生物燃油燃烧机设计合理、结构稳定；在喷嘴出口不远处会出现负压现象，生物燃油燃烧压力最小值为-3.87 Pa，因为在此处形成了回流区，在此区域有不同程度的负压，以卷吸燃烧室下游已燃高温油气回流到燃烧室上游 (即火焰根部)，利用回流的高温油气作为持续的点火源，使新鲜可燃混合物及时点燃以稳定燃烧，同时负压可以保证生物燃油与二次雾化空气充分混合，提供充足的氧气将生物燃油完全燃烧，提高燃烧效率。

图7　生物燃油燃烧速度场分布

图8　生物燃油燃烧压力场分布

3) 生物燃油燃烧温度分布。将生物燃油进行模拟燃烧，得到燃烧后的生物燃油燃烧机中心截面温度场分布和生物燃油燃烧机出口100 mm截面燃烧温度云图，分别如图9、10所示。由图9可知：生物燃油由喷嘴喷出后，最外层的生物燃油雾滴与二次风(旋流风)迅速混合燃烧，随着燃烧空气和生物燃油不断混合，为生物燃油燃烧提供了充足的雾化空气，使生物燃油油雾逐渐升温并被迅速点火。由图10可以看出：生物燃油燃烧后的火焰温度最高可达2 500 K，由于二次风旋流吹入，对燃烧机出口壁面有效的保护，其壁面温度为565 K，提高了燃烧机的使用寿命。燃烧机中心处温度相对较低，且最低仅有667 K，其主要由于本研究所设计的燃烧机由4个喷嘴组成，在初始喷油时油雾会在燃烧机中心轴线处出现累积，使其不能充分燃烧。但由图9可以看出：随着喷油距离增加，燃烧机中心处的温度将迅速提高到2 009 K，并且在燃烧机出口处生物燃油温度基本稳定在2 000 K左右，由此可知生物燃油在燃烧机出口附近基本燃烧完全。

图9　生物燃油燃烧机中心截面温度场分布

图10　生物燃油燃烧机出口100 mm截面

6结束语

本文以节能减排、将生物燃油充分燃烧、降低生产成本为出发点，基于燃烧及热动力学理论和雾化机理，通过生物燃油理化特性实验对生物燃油的特性参数进行了研究，并对影响雾化性能的参数进行了分析，设计了一款适用于生物燃油燃烧的燃烧机。该燃烧机主要由燃油供给系统、喷嘴、供风系统、燃油预热系统以及点火装置等组成。在燃烧机上布置4个直径为4.59 mm、雾化角度为98°的喷嘴同时喷雾。同时为了缩短预燃期，利用燃油预热系统将生物燃油由初始温度升高到70 ℃。为了提高雾化效果，设置一次配风和二次配风的比例为1∶4，确定一次风管道的内径为71 mm、二次风管道为320 mm，并选定合适的点火装置。利用FLUENT流体分析软件对该燃烧机的雾化过程和燃烧过程进行了仿真实验。结果表明：在生物燃油雾化过程中，雾化粒径均匀、颗粒大小适中，油雾速度高达46 m/s，且由喷嘴喷出的油雾温度达473 K，有效地缩短了生物燃油的预燃期，且满足设计要求。在燃烧过程中，燃烧后的生物燃油温度可达2 500 K，达到了工程应用的温度需求。在回流区负压(-3.87 Pa)的作用下，生物燃油与二次雾化空气混合充分，进而为生物燃油完全燃烧提供了充足的氧气，提高了燃烧效率。

参考文献：

[1]李玉辉,韩浩.我国的能源现状及对未来发展的思考[J].内蒙古科技与经济,2014(1):3-4.

[2]李俊峰,时憬丽,王仲颖.欧盟可再生能源发展的新政策及对我国的启示[J].可再生能源,2007,25(3):1-3.

[3]SPALDING-FECHER R,WINKLER H,MWAKASONDA S.Energy and the world summit on sustainable development:what next[J].Energy Policy,2013,33(1):99-112.

[4]BERTERO M,de LA PUENTE G,SEDRAN U.Products and coke from the conversion of bio-oil acids,esters,aldehydes and ketones over equilibrium FCC catalysts[J].RENEWABLE ENERGY,2013,60:349-354.

[5]张栋,朱锡锋.生物油/乙醇混合燃料燃烧性能研究[J].燃料化学学报,2012,40(2):190-196.

[6]李东耀.基于Fluent软件的流化床的气固两相流模型研究[D].重庆:重庆大学,2009:73-75.

[7]王贤华,陈汉平,张谋,等.生物油燃烧特性及动力学研究[J].华中科技大学学报,2008,36(4):92-94.

[8]LU Q,LI W Z,ZHU X F.Overview of fuel properties of biomass fast pyrolysis oils[J].Energy Convers Manage,2009,50(5):1376-1383.

[9]徐旭常,吕俊复,张海.燃烧理论与燃烧设备[M].北京:科学出版社,2012:78-102.

[10]SHE J.Experimental study on improvement of diesel combustion and emissions using flash boiling injection[J].SAE paper,2010(1):1328-1336.

[11]国艳丽.脉冲爆震发动机燃油雾化与掺混过程数值研究[D].南京:南京理工大学,2011:20-23.

(责任编辑刘舸)

Design and Simulation Experiment of Bio Fuel Ccombustion Engine

TIAN Zhong-fu, WANG Shu-yang

(School of Mechanical and Electrical Engineering,Northeast Forestry University, Harbin 150040, China)

Abstract:A detailed calculation and design was carried out for industrial use of biomass fuel combustion machine from the industry with the mechanism of bio oil combustion machine, basic structure, fuel supply system, an atomizing nozzle, atomization angle and air distribution system and ignition device, etc. And simulation experiment was processed by using commercial CFD software FLUENT from the biological fuel atomization and combustion of the combustion engine respectively. Experimental results show that the design of bio oil combustion machine can meet the needs of the hot for industry in general.

Key words:bio fuel; combustion engine; simulation experiment; atomization effect

文章编号：1674-8425(2016)04-0053-07

中图分类号：TK16

文献标识码：A

doi:10.3969/j.issn.1674-8425(z).2016.04.010

作者简介：田仲富(1978—)，男，山东郓城人，博士，讲师，主要从事生物质热解气化研究。

基金项目：国家自然科学基金资助项目(51378096)；黑龙江省自然科学基金资助项目(C201244)；中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(DL12BB01)

收稿日期：2015-11-28

引用格式：田仲富，王述洋.生物燃油燃烧机的设计及实验研究[J].重庆理工大学学报(自然科学)，2016(4):53-59.

Citation format：TIAN Zhong-fu, WANG Shu-yang.Design and Simulation Experiment of Bio Fuel Ccombustion Engine[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2016(4):53-59.