劉欣 王述洋 薛國(guó)磊 孫炳孝

（東北林業(yè)大學(xué)，黑龍江哈爾濱 150040）お

摘要

隨著生物質(zhì)熱裂解制油技術(shù)的發(fā)展，為適應(yīng)其工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)，需要一款可以提供穩(wěn)定的且高效率的生物燃油燃燒器，而傳統(tǒng)的燃燒器很難將生物燃油充分燃燒，因此筆者設(shè)計(jì)一種生物燃油燃燒器，通過(guò)對(duì)燃燒器的工作原理和主要技術(shù)參數(shù)研究與確定，對(duì)燃燒機(jī)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)。該燃燒器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，裝配方便，可以將生物燃油進(jìn)行三級(jí)霧化，燃燒效率高。

關(guān)鍵詞 生物質(zhì)熱裂解制油技術(shù)；生物燃油； 燃燒器；設(shè)計(jì)

中圖分類(lèi)號(hào) SB181.3文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A文章編號(hào) 0517-6611（2014）19-06350-03

お

Research and Design of Biomass Fuel Burners

LIU Xin, WANG Shu瞴ang et al

(Northeast Forestry University, Harbin, Heilongjiang 150040)

AbstractWith the development of biomass pyrolysis oil technology, to adapt to its industrial mass production, it is necessary to provide a stable and efficient biofuel burners, and the traditional bio瞗uel burner is difficult to fully burn, so a bio瞗uel burner was designed. Through research and determine the working principle and main technical parameters of burner, the structure was redesigned. The burner is simple in structure, easy assembly, three biofuels can be atomized, high combustion efficiency.

Key wordsBiomass pyrolysis oil technology; Bio瞣il; Burner; Design

基金項(xiàng)目 中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)資金(2572014CB28)。

作者簡(jiǎn)介

劉欣（1976-），女，黑龍江穆棱人，講師，碩士，從事智能控制、制造信息化等方面研究。*通訊作者，教授，博士，博士生導(dǎo)師，從事生物質(zhì)能源方向研究。

收稿日期 20140603

自20世紀(jì)80年代以來(lái)，我國(guó)開(kāi)始致力于新能源的開(kāi)發(fā)與利用，生物質(zhì)能作為可再生能源，逐漸成為代替我國(guó)化石燃料的第四大能源［1］。近幾年，具有高熱值的生物燃油在工業(yè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。生物質(zhì)熱裂解制油技術(shù)是一種將農(nóng)業(yè)秸稈和林業(yè)剩余枝椏等高溫?zé)崃呀鉃榭捎糜谌紵纳锶加偷募夹g(shù)，可以將我國(guó)每年產(chǎn)生的約7億t農(nóng)業(yè)和林間剩余生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為生物燃油［2］，以解決我國(guó)越來(lái)越嚴(yán)重的能源危機(jī)和環(huán)境危機(jī)。在生物燃油的制取過(guò)程中，熱載體加熱直接影響生物質(zhì)熱裂解制油的效率，傳統(tǒng)熱載體加熱熱源主要依賴(lài)于傳統(tǒng)秸稈、煤燃燒產(chǎn)生的熱能對(duì)熱載體進(jìn)行加熱，不僅熱能利用率低、浪費(fèi)大量資源，且秸稈、煤等燃燒產(chǎn)生大量的粉塵等污染物。在生物質(zhì)裂解制油設(shè)備中，燃燒器是其熱源的主要提供者，目前市場(chǎng)上主要存在煤、石油、秸稈的燃燒器，受到生物燃油自身的一些特性影響，不能充分燃燒生物燃油，且傳統(tǒng)的燃燒機(jī)直接應(yīng)用與生物質(zhì)制油技術(shù)成本和能耗巨大，不能適應(yīng)生物質(zhì)裂解制油技術(shù)的工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)，所以設(shè)計(jì)一款可以實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)制油設(shè)備自循環(huán)，即通過(guò)燃燒在制油過(guò)程中產(chǎn)生的不凝氣和生物燃油即可提供足夠熱量的生物質(zhì)燃燒器，對(duì)于生物質(zhì)裂解制油技術(shù)的發(fā)展和工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)具有深遠(yuǎn)意義。

1生物質(zhì)燃油燃燒器構(gòu)造與基本原理

1.1 整體結(jié)構(gòu)

生物質(zhì)燃油燃燒器主要由供油管路、供氣管路、點(diǎn)火裝置、不凝氣管道、配風(fēng)管路、噴頭等組成，其具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

注：1.供油管一；2.供油管二；3.供氣管一；4.供氣管二；5供氣連接管；6.供油連接管；7.點(diǎn)火裝置；8.安裝管；9.不凝氣管道；10.配風(fēng)管路；11.噴頭總成。

圖1 油燃燒器基本結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 基本原理

在燃燒器工作時(shí)，首先鼓風(fēng)機(jī)通過(guò)供氣連接管將空氣吹入燃燒室中，對(duì)燃燒室的雜質(zhì)進(jìn)行預(yù)吹掃，以清理燃燒器管內(nèi)殘?jiān)c部分結(jié)焦，同時(shí)稀釋燃燒室內(nèi)的可燃?xì)怏w，以防發(fā)生爆燃。預(yù)吹掃完成后，鼓風(fēng)機(jī)送出的空氣被吹向燃燒機(jī)的前方出口，生物燃油通過(guò)供油連接管進(jìn)入噴頭總成，由噴嘴噴出霧化狀的燃油，在混合室內(nèi)與空氣混合，被空氣進(jìn)一步吹散、霧化。同時(shí)，不凝氣通過(guò)不凝氣管道吹入混合室，空氣、生物燃油和不凝氣三者進(jìn)入爐膛內(nèi)，由點(diǎn)火裝置引燃。

2 燃油燃燒器設(shè)計(jì)原則及主要技術(shù)參數(shù)

2.1 設(shè)計(jì)原則

該研究設(shè)計(jì)燃燒器主要是燃燒生物燃油、不凝氣，生物燃油的特性參數(shù)分別為比重1.15~1.25、閃點(diǎn)87 ℃、粘度58 cSt、熱值18~21 MJ、密度1.2 kg/L、含水率18%~25%［1］，其熱值低、燃燒困難，為克服這些缺點(diǎn)，需要對(duì)生物燃油進(jìn)行多級(jí)霧化處理，這不僅有利于點(diǎn)燃，且可以調(diào)整鍋爐內(nèi)壓力的大小。

燃燒器設(shè)計(jì)的過(guò)程中必須遵守以下原則［3］：

①高的燃燒效率。燃料油經(jīng)霧化后的油滴群中油滴粒度細(xì)而均勻，霧化角適當(dāng)，油霧沿圓周的流量密度分布與配風(fēng)一致，油霧與空氣的混合良好等。②合理地配風(fēng)，保證燃料燃燒穩(wěn)定、完全。供給適量空氣，防止油氣因高溫缺氧而熱解為碳黑；在燃燒氣流出口處應(yīng)形成一個(gè)大小適中，位置恰當(dāng)?shù)幕亓鲄^(qū)，使燃料與空氣處于較高的溫度場(chǎng)中，以保證著火迅速及穩(wěn)定。 ③由于生物油的閃電比較高，再加上渦輪機(jī)的持續(xù)給風(fēng)，要求在燃燒膛里面有預(yù)熱的電阻絲，使之順利點(diǎn)火。④結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊，運(yùn)行可靠，自動(dòng)化程度高，維修方便。

2.2 主要技術(shù)指標(biāo)

在此以設(shè)計(jì)適用年產(chǎn)1萬(wàn)t生物燃油的制油設(shè)備的燃燒器為例，進(jìn)行燃油燃燒器的理論計(jì)算和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，生物質(zhì)加工量3 156.566 kg/h（含水率10%），生物質(zhì)與熱載體質(zhì)量比1∶10，熱載體密度ρ=1 700 kg/m3，不凝氣產(chǎn)率為25%,產(chǎn)碳率為25%,燃燒生物油的比例為6%；燃料燃燒效率95%，燃燒器效率95%；進(jìn)熱載體口溫度300 ℃，進(jìn)主反應(yīng)器熱載體溫度580 ℃；燃燒器可以燃燒生物質(zhì)油量為216 kg/h，燃燒器燃燒不凝氣量828 kg/h，生物質(zhì)油熱值16 MJ/kg，不凝氣熱量6.354 MJ/kg。 生物燃油燃燒器的熱輸出功率為2 500 kW或300 kg/h，生物油最大粘度（40 ℃和25％水）為0.1 Pa·S，產(chǎn)生的HHV（隨濕度而定）為14~19 MJ/kg，電源三相為50 Hz，電機(jī)運(yùn)行電流為1.4A、2 750 rpm、288 rad/s，電容為5 MF、點(diǎn)火變壓器次級(jí)為8 kW~16 mA，油泵額定壓力7~15 bar、額定流量216 kg/h，電功率為0.320 kW。

3 生物質(zhì)燃油燃燒器理論計(jì)算與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 理論計(jì)算與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1.1

噴頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。在燃燒器設(shè)計(jì)過(guò)程中，主要采用高速蒸汽射流沖擊油流的方式使油霧化，經(jīng)過(guò)低壓油泵加壓后，燃油經(jīng)過(guò)小孔后會(huì)以很大的速度噴射出在液體表面張力，粘性和空氣阻力的相互作用下，液體由滴落、平滑流、波狀流逐漸向噴物流轉(zhuǎn)變。高速蒸汽射流沖擊油流的霧化噴嘴（圖2）可以將燃油進(jìn)行三級(jí)霧化，霧化后的油滴比較┫感＊

注：1.噴頭殼體；2.噴芯一；3.噴芯二；4.噴芯三。

圖2噴頭結(jié)構(gòu)示意圖

生物質(zhì)燃油自噴口流出的速度按公式

w璏=μ2P璏 ρ璏計(jì)算，

式中,ρ璏為生物質(zhì)油的密度，其取決于加工方法和原材料，一般地有

ρ璏=1 000~1 200 kg/m3，取ρ璏=1 130 ﹌g/m3；

玃璏為生物質(zhì)油在噴嘴前壓力，取P璏=200 kPa；

μ為生物質(zhì)燃油的流速系數(shù)，取μ=0.2。

由此可見(jiàn)燃油自噴口流出的速度為3.76 m/s。生物質(zhì)燃油噴口直徑

玠1=B璏×108 0.785w璏ρ璏，

式中,B璏為噴嘴的燃油供入能力(kg/s)。為防止噴嘴堵塞和結(jié)焦，其直徑應(yīng)不小于3 mm，由此可得生物質(zhì)燃油噴口直徑為4.24 mm。

3.1.2

霧化方式及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)采用二級(jí)霧化方式，霧化劑選擇為壓縮空氣，壓力為玃璓=600 kPa，溫度玹璸=250 ℃，即523 K。一次與二次霧化劑的單位消耗量相等，均為玵=0.65生物燃油。霧化劑流通截面的計(jì)算按用于超臨界壓力的氣體力學(xué)公式計(jì)算。

霧化劑在拉瓦爾管臨界截面流速計(jì)算公式為

玾0mp=φMP璓T0 ρ0P猅璓P璓，

式中，對(duì)于空氣，M=0.685、ρ0P=1.29 kg/m3;干飽和蒸汽,玀=0.635、ρ0P=0.804 kg/m3;過(guò)熱蒸汽,玀=0.667、ρ0P=0.804 kg/m3；系數(shù)φ取0.2。根據(jù)公式計(jì)算可得w0mp=467.7 m/s。

拉瓦爾管的臨界截面計(jì)算公式為

獸璓=B璏q×106 w0mpρ0p，

如果是兩級(jí)霧化，計(jì)算每一級(jí)時(shí)，q值應(yīng)取相應(yīng)的霧化劑單耗。

根據(jù)公式計(jì)算可得F璸=64.64 mm2。

拉瓦爾管的出口截面計(jì)算公式為

獸﹑M=F璸×A，式中，A值根據(jù)空氣到噴嘴前的壓力來(lái)選?。?］。拉瓦爾管出口截面處生物質(zhì)油噴嘴的外徑和中間管內(nèi)徑，選擇時(shí)應(yīng)保證必需的截面積即F﹑M=130.18 mm2。從結(jié)構(gòu)的角度看，這個(gè)面積也可稍微增大些，因?yàn)檫@不會(huì)引起拉瓦爾管出口截面處空間流速的降低。

3.1.3

二級(jí)霧化混合管的設(shè)計(jì)。全部生物質(zhì)燃油以及全部霧化劑（對(duì)單級(jí)霧化的噴嘴）或只是一次霧化劑（對(duì)兩級(jí)霧化噴嘴）均通過(guò)拉瓦爾管出口截面進(jìn)入混合管。

進(jìn)入混合管的霧化劑密度按公式

ρ㏄∏x=ρ0P猅0 T璓∏確定，

空氣或蒸汽的∏值按空氣在噴嘴前的壓力來(lái)選取。

根據(jù)公式計(jì)算可得

ρ㏄∏x=1.11 玨g/m3。

進(jìn)入混合管的霧化劑流速按確定公式

玾﹑∏x=B璏q×106 F﹑Mρ﹑∏x，

計(jì)算可得w㏄∏x=374.86 m/s。

混合管開(kāi)始界面處的總動(dòng)能，按每千克生物質(zhì)燃油計(jì)算，等于生物質(zhì)油和霧化劑動(dòng)能的疊加值：

獷│笑轉(zhuǎn)=w2∏ 2+w2㏄∏x 2q，

根據(jù)此公式，計(jì)算可得E│笑轉(zhuǎn)=45.677 ﹌J/kg。

消耗于混合過(guò)程的能量計(jì)算公式：

獷〤M=(w﹑∏x-w∏)2 2×q 1+q,

計(jì)算可得E〤M=27.09 kJ/kg。

生物質(zhì)油霧化顆粒直徑

玶=0.275/(w2㏄∏xρ﹑∏x），

根據(jù)此公式，計(jì)算可得r=1.763×10-6猰。オ

霧化1 kg生物質(zhì)油所消耗的能量

獷㏄Cπ=3σ/(ρ璏r)，

式中，σ為生物質(zhì)油的表面張力（隨生物燃油的種類(lèi)和溫度變化于0.024～0.022 H/m）。根據(jù)公式計(jì)算可得獷㏄Cπ=0.042 2 kJ/kg。

混合管出口界面處的動(dòng)能

獷│衞n=E│笑轉(zhuǎn)η〤M-E〤M-E㏄Cπ η〤M,

式中，η〤M為混合管有效利用系數(shù)，為0.8~0.9。

根據(jù)公式計(jì)算可得E│衞n=11.761 kJ/kg。

混合物在混合管出口界面處的流速

玾〤M=2E│衞n (1+q)，

經(jīng)計(jì)算可得w〤M=119.4 m/s。

進(jìn)入混合管霧化劑的溫度

玊│衱x=T璓/∏，

經(jīng)計(jì)算可得T│衱x=317 K。

進(jìn)入混合管的生物燃油和霧化劑的焓

玦│笑轉(zhuǎn)=c璏T璏+c璸T│衱x猶，

式中，c璏、c璸分別為生物質(zhì)油和霧化劑的比熱（㎎/kg·grad）。

根據(jù)公式計(jì)算可得玦│笑轉(zhuǎn)=917.53 kJ/kg。

混合和摩擦消耗熱玦璹=E│笑轉(zhuǎn)-E│衞n-E㏄Cπ，

計(jì)算可得i璹=33.874 kJ/kg?；旌瞎艹隹诮孛嫣幓旌衔餃囟?/p>

玊〤M=i│笑轉(zhuǎn)+i璹 c+c璸q，經(jīng)計(jì)算可得T〤M=364.5 K。

混合物在混合管出口截面處的密度

ρ〤M=ρ﹐p猅0 T〤M,

根據(jù)公式計(jì)算可得ρ〤M=0.966 kg/m3。

混合管出口截面面積

獸〤M=B璏q×106 w〤Mρ〤M，計(jì)算可得F〤M=338.1 mm2。

混合管出口截面直徑

玠〤M=F〤M/0.785,

經(jīng)計(jì)算可得d〤M=20.75 mm。

二次霧化劑的出口截面積應(yīng)與拉瓦爾管的臨界截面積相等，因?yàn)閷?duì)于二次霧化劑不存在噴管的擴(kuò)張部分。

計(jì)算時(shí)推薦采用以下管道流速，即生物質(zhì)油0.5～1.5 m/s、壓縮空氣15～20 m/s、干飽和蒸汽20～30 m/s、過(guò)熱蒸汽30～60 m/s。

3.2 生物燃油燃燒器的配風(fēng)原則

保證燃油鍋爐燃燒好壞的基本條件是良好的霧化質(zhì)量與合理的配風(fēng)，合理的配風(fēng)直接影響空氣與燃料的混合、熱裂解和熱效率，配風(fēng)的合理與否對(duì)燃油燃燒器性能起著決定性的作用［5］。以一般工業(yè)爐和鍋爐燃燒器為例，配風(fēng)的主要原則［6］如下。

3.2.1

多次供風(fēng)。對(duì)油燃燒器來(lái)說(shuō)，一次風(fēng)即所謂根部風(fēng)，在噴霧錐的根部，油霧尚未著火前就與之混合。它的作用是避免油霧著火時(shí)由于缺氧而產(chǎn)生嚴(yán)重?zé)岱纸猓纬纱罅刻亢?。一次風(fēng)量不能太大，否則破壞著火條件，一般約占總風(fēng)量的15%～30%。

3.2.2

保證高溫氣回流區(qū)著火燃燒。在離噴嘴一定距離應(yīng)有一個(gè)高溫氣（燃?xì)猓┗亓鲄^(qū)，使之保證著火燃燒。

3.2.3

前期的燃料與空氣混合要強(qiáng)烈。除了根部風(fēng)之外，其余部分空氣應(yīng)在燃燒器出口就能和油霧均勻而強(qiáng)烈地混合。一般要求風(fēng)量和燃料量相適應(yīng)，氣流擴(kuò)散角小于油霧化角，使二次風(fēng)能切入油霧。為此可以讓氣流以一定角度與燃料射流交叉，或以旋轉(zhuǎn)氣流“攪拌”燃料，或以壁面孔的射流穿透油霧（燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室上采用）等方式強(qiáng)化混合和燃燒。

3.2.4

后期燃料和空氣擴(kuò)散混合也應(yīng)強(qiáng)烈，以保證未燃成為充分燒盡。目前工業(yè)爐、鍋爐上的燃燒器采用直流式（或平流式）配風(fēng)，即二次風(fēng)不帶旋流，減少了壓力損失，能以較高二次風(fēng)流速（約30 m/s）穿入擴(kuò)展的火焰之中，有利于后期混合、燃燒。

一次風(fēng)量通常用一次風(fēng)量占總風(fēng)量的比值表示，稱(chēng)為一次風(fēng)率。此處選取一次風(fēng)率為20%，燃燒器配風(fēng)風(fēng)速選取20 m/s。由前文設(shè)計(jì)燃燒器需要滿(mǎn)足的技術(shù)可得總配風(fēng)量為：

Q總=m┤加酮·Q┛掌+m┎荒氣·Q′┛掌,

式中，m┤加酮為每秒鐘燃燒的生物燃油量（﹌g/s），

玅┛掌為每千克生物燃油燃燒需要消耗的空氣量（m3/kg），

玬┎荒氣為每秒鐘燃燒的不凝氣量（﹌g/s），

玅′┛掌為每千克不凝氣燃燒需要消耗的空氣量（﹎3/kg）。在此選取玅┛掌為10.836 m3/kg、玅′┛掌為2.826 6 m3/kg，可得總的需求配風(fēng)量為3.73 m3/s，由此可得一次配風(fēng)量為0.746 m3/s。

4 小結(jié)

該設(shè)計(jì)的生物燃油燃燒機(jī)功率可到達(dá)2 500 kW，燃燒器燃燒效率達(dá)95%，是一款大功率高效率的燃燒器，可以適應(yīng)生物質(zhì)裂解制油工業(yè)化生產(chǎn)。該設(shè)計(jì)針對(duì)生物燃油燃燒困難的缺點(diǎn)，采用了3次霧化處理，使得生物燃油霧化后顆粒更小，燃燒更充分，污染更少，同時(shí)該燃燒器燃燒用生物燃油為年產(chǎn)10 000 t生物燃油工程中產(chǎn)生的生物燃油，能夠達(dá)到自循環(huán)，有效地解約了成本。

參考文獻(xiàn)

［1］ 曹有為,王述洋,薛國(guó)磊,等.串聯(lián)復(fù)合式熱載體加熱裝置的設(shè)計(jì)與研究［J］.安徽農(nóng)業(yè)科學(xué),2013（32）:12686-12689.

［2］ 李七軍,王述洋,張琳.688型秸稈燃?xì)馊紵龣C(jī)的設(shè)計(jì)［J］.機(jī)電產(chǎn)品開(kāi)發(fā)與創(chuàng)新,2010（4）:42-44.

［3］ TZANETAKIS T,ASHGRIZ N,JAMES D F,et al.Liquid Fuel Properties of a Hardwood睤erived Bio瞣il Fraction［J］.Energy and Fuels,2008,22:2725-2733.

［4］ 秦裕琨,朱群益,李瑞揚(yáng),等.燃油燃?xì)忮仩t實(shí)用技術(shù)［M］.北京:中國(guó)電力出版社，2001.

［5］ 趙欽新.中小型燃油燃?xì)忮仩t運(yùn)行與維護(hù)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2003:74-81.

［6］ 易磊,龔金科.全自動(dòng)輕油燃燒機(jī)的設(shè)計(jì)與分析［J］.工業(yè)加熱,2004,33(6)：21-22.