生物质液体燃料雾化蒸发燃烧实验平台的搭建及应用

李法社 王 霜 刘慧利 吕顺利 陈 勇 李 博

昆明理工大学 云南昆明 650093

实验教学是高等学校教学工作的重要组成部分，通过实验可以培养学生的动手能力、分析和解决问题的能力、严谨的思维方式及科学态度[1,2]。依据能动专业教学需求，基于省部共建复杂有色金属资源清洁利用国家重点实验室研究项目，针对生物质液体燃料已被世界公认为“绿色燃料”，是最有潜力替代常规汽油、柴油的清洁燃料的现状，为解决生物质液体燃料存在黏度大、雾化不完全、雾化颗粒大、燃烧不完全以及燃烧效率低等问题，设计了集教学研究、科学探索、实验于一体的生物质液体燃料雾化蒸发燃烧实验平台，实用性强，操作简便，同时结合平面激光诱导荧光燃烧火焰检测技术(Planer Laser Induced Fluorescence，PLIF)开展综合性、设计性实验，研究火焰特性，教学效果显著。国内没有这一技术开发成实验教学的相关报道，论文工作在补充这一方面空白的同时，也为研究型和探究型实验教学内容的开设创造条件[3,4]。

1 设计及搭建过程

1.1 设计方案

本实验平台以生物质液体燃料为研究对象，用于能动专业课程教学，雾化采用对冲雾化为主、二次风经过含有内螺旋结构的雾化燃烧器二次喷吹破碎雾化为辅的方式，其产生的雾粒均匀且颗粒又细，雾化效果好，大幅度提高了雾化效果，在雾化燃烧器出口直接点燃进行燃烧，一次风系统提供主要助燃气体，二次风系统提供主要雾化介质与雾化动力。

1.2 实验平台组成

生物质液体燃料雾化蒸发燃烧实验平台(如图1所示)，包括燃料系统、供气系统、载气系统、雾化蒸发系统和燃烧器，燃料系统包括燃料注射泵以及液体加热器。供气系统包括由空气压缩机、流量计构成的空气气路，由氧气瓶、流量计构成的氧气气路，以及混气瓶、气体加热器；载气系统包括空气瓶、流量计、气体加热器；雾化蒸发系统包括液体喷吹针头、气体喷吹针头1、气体喷吹针头2、雾化蒸发腔体、陶瓷加热器和测温热电偶。

图1 生物质液体燃料雾化蒸发燃烧实验平台系统图

1.2.1 燃料系统

燃料系统中植物油脂或生物油通过燃料注射泵经管道输送到液体加热器中，液体加热器出口通过保温管路连接液体喷吹针头。

1.2.2 供气系统

供气系统中空气依次经空气压缩机、调压阀、流量计连接混气瓶入口，氧气瓶依次经调压阀、流量计连接混气瓶入口，混气瓶出口与气体加热器连接，气体加热器出口通过三通阀分为两路，一路依次通过保温管路连接气体喷吹针头2，另一路依次连接保温管路、三通阀后再分为两路，通过保温管路后连接燃烧器外环圆形套筒两端。

1.2.3 载气系统

载气系统中空气瓶依次通过调压阀、流量计、气体加热器，通过保温管路连接气体喷吹针头1。

1.2.4 雾化蒸发系统

雾化蒸发系统中雾化蒸发腔体设有液体喷吹针头、气体喷吹针头1和气体喷吹针头2，雾化蒸发腔体上部还设有测温热电偶，雾化蒸发腔体上方出口连接至燃烧器入口，雾化蒸发腔体外围包裹有陶瓷加热器进行辅助加热。雾化蒸发腔体中液体喷吹针头出口依次和气体喷吹针头1出口形成90 °。

1.2.5 燃烧器

燃烧器两端入口通入热空气或空气与氧气混合气，通过在燃料出口处的同轴射流保护气向上托举火焰，使火焰稳定，不受外界干扰。

1.3 运行原理

燃料装置将植物油脂或生物油加热后通入到雾化蒸发系统中；供气系统提供的加热空气为雾化蒸发系统进行预热，并通过陶瓷加热器辅助加热，供气系统提供的空气和氧气混合气体为燃烧器提供助燃气；载气系统中的空气经升温和调压后通入到雾化蒸发系统中将植物油脂或生物油雾化蒸发形成气体，气体通入燃烧器中，在助燃气下燃烧。

1.4 解决问题

(1)雾化腔体在高温时不易变形，强度高。

(2)实验教学时，为了保证实验安全，避免温度、压力过高，雾化燃烧腔体采用高温高压材料制成。

(3)查阅相关文献，气流方向与燃料进样方向呈90 °，雾化效果达到最佳；因此两侧液体喷吹针呈180 °并与一次风喷吹针呈90 °布置。

2 教学实验成果

根据能动专业课程教学及实验教学要求，为检验实验平台运行效果，锻炼学生的动手及思考能力，利用实验平台进行生物柴油雾化模拟实验及生物柴油层流预混燃烧实验，并结合平面激光诱导技术(PLIF)进行综合实验、综合教学，效果如下。

2.1 雾化实验结果分析

雾化颗粒平均直径是评定雾化效果质量的一项重要指标，雾化颗粒的大小直接影响着燃烧的好坏，因此需要对雾化颗粒平均直径进行计算。根据公式(1)可以计算出该系统颗粒平均直径，公式如下[5]。

根据公式(1)，理论计算得到的结果如表1所示。

表1 油品雾化颗粒的平均直径

同时，利用马尔文激光粒度仪测量该系统的雾化颗粒平均直径，与理论计算的结果进行对比。以小桐子生物柴油为原料进行测试，结果如图2所示。

图2 小桐子生物柴油雾化颗粒平均直径分布图

由图2得出，通过该系统雾化后颗粒平均直径主要集中在0.1～0.3 μm之间，大约为93%，这与理论计算结果平均直径为0.206 μm趋于一致，雾化质量非常高。说明该实验平台运行的可行性，可以使生物质液体燃料高效雾化，并且燃烧充分。

2.2 燃烧实验结果分析

对不同工况下的火焰温度进行了测量，外焰的温度最高为1 500 K左右。采用与实际燃烧条件相同的工况，利用Fluent数值模拟计算不同工况下的火焰燃烧温度。结果如图3、图4所示，可以看出测量结果火焰锋面呈较好的锥形分布，火焰温度最高可达1 500 K左右，与实验测量结果达成了非常好的一致性，图5为生物柴油燃烧火焰图像。

图3 不同当量比时火焰温度分布计算值(K)

图4 火焰高度为10 mm处温度计算值沿径向分布图

图5 生物柴油燃烧火焰图像

2.3 联合PLIF技术综合实验效果

平面激光诱导荧光技术作为一种非接触型激光诊断技术，可以避免常规测量方法对火焰流场、温度场的干扰，所得到的测量数据更加真实可靠。该技术所激发出的信号强，时空分辨率高，可获得高速瞬时二维火焰图像，目前在火焰结构的测量中应用广泛。实验平台与PLIF技术综合实验平台如图6所示。

图6 燃烧实验平台-PLIF综合实验台

以小桐子生物柴油为燃料，控制油量恒定为0.16 mL/min，通过控制雾化空气的体积流量改变当量比，预混气加热温度为200 ℃。利用燃烧实验平台-PLIF综合实验台所拍摄的小桐子生物柴油在不同当量比下层流预混火焰OH-PLIF平均图如图7所示。

图7 小桐子生物柴油层流预混火焰平均图

3 应用推广

该实验平台一方面可以在实验室内进行火焰燃烧特性以及排放特性的研究，另一方面也可以应用于工业上的生物质液体燃料的燃烧装置。并对新型环保的可再生能源的使用进行了推广。总体造价低，节约的能耗以及产出的能量较高。工业生物质液体燃料燃烧系统以及雾化燃烧器如图8所示。因此，本作品值得市场推广、应用。

图8 工业生物质液体燃料燃烧系统示意图

4 应用特点

(1)加工组装成本低，维护方便。市场上的实验仪器设备专用性强，社会需求量小，价格昂贵，大多无法从市场直接购买到，即使能购买到，在使用和功能上也远远满足不了教学实验的需求。本研制项目不但解决了实验教学问题，也节约了大量资金。系统整体零部件均为市场通用部件，无特殊精密仪器与特殊加工要求，可实体搭建，总体费用比较低。

(2)实用性强，操作简便，易于开展综合性设计性实验。自制实验设备是根据专业教学大纲规定以及实验课题的项目制作更适用、更合理的实验装置，这种装置的特点是适用面广、实用性强。本次制作的实验设备可操作性强，各部件独立制作，组装方便简单，仪器配件容易得到，学生可自行组装，由原来的被动实验转变成自主完成，实验教学效果很好。

5 结语

本实验平台具有实验现象直观、明显；操作方便，实用性强；燃烧效率高, 污染物排放少；科学探究性强等优点。同时，实验平台搭建及使用对提高课堂教学效率，对学生学习能力的培养，对学生设计实验方案能力，分析问题、解决问题能力的提高具有较大的帮助，而从教学实际情况以及未来能源发展趋势而言，生物质能具有较大的发展潜力，因此该实验装备还具有较大的推广和应用价值。

在高等学校的科学教学中，实验教学占有重要的主导地位，生物质液体燃料雾化蒸发燃烧实验平台的创新设计不仅拓宽了现有的传统课堂教学手段，而且丰富了现有的教学内容。同时，实验教学有利于理论结合实践，提高学生知识的实用性，有利于激发学生的学习兴趣。