曲凱，徐波，鄭建華，劉坤

生物質(zhì)燃燒機爐膛結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計＊

曲凱，徐波，鄭建華，劉坤

（臨沂大學 機械與車輛工程學院，山東 臨沂 276005）

針對生物質(zhì)顆粒燃燒率低的問題，分析了燃燒機的工作原理，根據(jù)影響生物質(zhì)燃燒率的因素，改進了爐膛的結(jié)構(gòu)，采用流體仿真軟件，模擬了不同工況下生物質(zhì)顆粒的燃燒過程，確定出高燃燒率的爐膛的幾何尺寸，為生物質(zhì)燃燒機的生產(chǎn)提供理論依據(jù)。

生物質(zhì)；燃燒機；爐膛；燃料

1 引言

生物質(zhì)燃料是對農(nóng)林廢棄物的再利用，可以將農(nóng)林廢棄物直接或再加工后進行燃燒，是一種環(huán)保型可再生的低碳能源，它具有污染小、再生性、儲量大、清潔環(huán)保的特點，已經(jīng)成為世界上第四大能源。

生物質(zhì)燃燒機是以生物質(zhì)顆粒為燃料，廣泛應(yīng)用在鍋爐、工業(yè)窯爐、干燥設(shè)備等作為熱源供給，生物質(zhì)燃料在燃燒機中的燃燒是一種劇烈的放熱和吸熱理化反應(yīng)。

生物質(zhì)燃料在燃燒過程中由于各種因素的影響導致燃燒不充分、燃燒效率低、熱量流失比例高等問題，本項目通過研究生物質(zhì)燃料的燃燒及氮氧化合物排放特性，分析其燃燒機理與特性，并根據(jù)生物質(zhì)燃燒機的工作原理，提高燃料的燃燒率，對傳統(tǒng)的生物質(zhì)燃燒機的爐膛結(jié)構(gòu)進行改造，設(shè)計一種新型的生物質(zhì)燃燒機的爐膛結(jié)構(gòu)，增加燃燒所需的空氣量；采用流體仿真軟件模擬生物質(zhì)燃料在爐膛內(nèi)的燃燒過程，確定爐膛內(nèi)溫度分布圖，根據(jù)模擬仿真結(jié)果，對爐膛的結(jié)構(gòu)尺寸進行優(yōu)化設(shè)計，以達到最佳輸出熱量，為生物質(zhì)燃燒機制造企業(yè)提供參考依據(jù)。

2 生物質(zhì)燃燒機結(jié)構(gòu)及工作原理

生物質(zhì)燃燒機由于其燃燒的燃料是生物質(zhì)顆粒，具有獨特的燃燒特性。燃燒機的主要組成部分為燃料輸送機構(gòu)、送風系統(tǒng)、燃燒系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和排渣機構(gòu)等，生物質(zhì)燃燒機的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 生物質(zhì)燃燒機的結(jié)構(gòu)

生物質(zhì)燃燒機的工作過程是顆粒經(jīng)送料機構(gòu)送入爐膛，經(jīng)高溫點火，顆粒在爐膛中燃燒，釋放出火焰和熱量，同時送風系統(tǒng)不斷向爐膛中輸送空氣，生物質(zhì)顆粒在富氧狀態(tài)下燃燒。由于送風系統(tǒng)向爐膛中輸送大量的空氣，使得爐膛中的生物質(zhì)顆粒處于懸浮狀態(tài)并且向前流動，從而保證燃料完全燃燒。

本項目與山東省臨沂市木子原熱能科技有限公司合作，在其研發(fā)的生物質(zhì)顆粒燃燒機基礎(chǔ)上，對燃燒機的燃燒性能進行優(yōu)化，提高生物質(zhì)顆粒的燃燒效率，主要針對影響燃燒效率的燃燒機爐膛進行分析，改善爐膛的結(jié)構(gòu)，通過顆粒燃燒仿真優(yōu)化其尺寸，進一步提高顆粒的燃燒效率。

3 生物質(zhì)燃燒機爐膛優(yōu)化設(shè)計

生物質(zhì)顆粒燃燒主要在爐膛內(nèi)進行，爐膛的結(jié)構(gòu)將極大影響顆粒的燃燒效率，如果爐膛內(nèi)的氧氣含量不足或爐膛的尺寸過大，顆粒都將產(chǎn)生不完全燃燒，導致熱量供給不達標。為了保證顆粒在爐膛內(nèi)充分燃燒，增加空氣供給量，首先對爐膛的結(jié)構(gòu)進行了改進，將爐膛設(shè)計成具有內(nèi)壁和外壁的夾層結(jié)構(gòu)，形成送風通道，外壁與外界隔離，內(nèi)壁開有通風孔，空氣在一定的壓力下通過通風孔進入爐膛。爐膛外形結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 爐膛的外形結(jié)構(gòu)圖

要使燃料在爐膛內(nèi)充分燃燒，需對通風量、爐膛直徑和爐膛長度進行優(yōu)化設(shè)計，使用流體仿真軟件對生物質(zhì)顆粒在爐膛內(nèi)的燃燒過程進行仿真，仿真結(jié)果顯示爐膛內(nèi)溫度分布情況。初步設(shè)定爐膛長度為1 000 mm，爐膛直徑285 mm。在流體仿真軟件中建立爐膛模型并進行網(wǎng)格劃分，如圖3和圖4所示。

圖3 仿真軟件中的爐膛模型

圖4 結(jié)構(gòu)化網(wǎng)絡(luò)

在仿真過程中，采用非預混模型模擬生物質(zhì)顆粒的燃燒過程，選用標準k-雙方程湍流模型來模擬湍流運動，輻射模型采用P1模型，通風量為3.15 Nm3/kg。不同長度下爐膛內(nèi)顆粒燃燒過程中溫度分布如圖5所示，溫度高點處于爐膛中部。調(diào)整爐膛的長度為1 200 mm和800 mm，由仿真結(jié)果可知，當長度為1 200 mm時，爐膛內(nèi)溫度分布擴散，不集中，當長度變短為800 mm，溫度比較集中，主要分布于爐膛的出口位置。因此，800 mm為爐膛合理長度尺寸。

圖5 不同長度下溫度分布情況

在爐膛長度為800 mm的條件下，改變爐膛的直徑，進行燃燒過程仿真。仿真中將爐膛的直徑修改為270 mm，將其與原始直徑285 mm相比較，仿真結(jié)果如圖6所示。通過溫度分布對比可知，直徑為270 mm爐膛內(nèi)火焰局部高溫區(qū)域小于280 mm，但溫度速度流場分布更加均勻，火焰噴射射程遠，供火力度強。

圖6 不同直徑下溫度分布情況

4 結(jié)論

作為節(jié)能環(huán)保型的生物質(zhì)燃燒機，燃燒效率是衡量其性能的重要指標之一，如何提高燃燒機的燃燒效率成為生物質(zhì)燃燒機設(shè)計的重點內(nèi)容。影響顆粒燃燒效率的因素主要有空氣量、爐膛的結(jié)構(gòu)、顆粒的特性等，本文主要對爐膛結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計進行研究，對在一定通風量下不同爐膛長度和直徑的顆粒燃燒過程進行了流體仿真，得出燃燒過程溫度分布圖，通過分析火焰燃燒的溫度分布位置，進一步明確了顆粒最佳燃燒情況下的爐膛的長度和直徑，為生物質(zhì)燃燒機的設(shè)計和生產(chǎn)提供理論支持。

［1］羅娟，侯書林，趙立欣，等.生物質(zhì)顆粒燃料燃燒設(shè)備的研究進展［J］.可再生能源，2009，27（6）：90-95.

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TK229.6

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.13.048

2095－6835（2020）13－0119－02

山東省大學生創(chuàng)新訓練項目（編號：201910452065）

曲凱（1999—），男，山東青島人，本科，研究方向為機械設(shè)計制造及自動化。

徐波（1975—），男，山東青島人，研究生，講師，研究方向為機械設(shè)計。

〔編輯：張思楠〕