生物質燃油燃燒器的研究與設計

劉欣 王述洋 薛國磊 孫炳孝

（東北林業大學，黑龍江哈爾濱 150040）お

摘要

隨著生物質熱裂解制油技術的發展，為適應其工業化大規模生產，需要一款可以提供穩定的且高效率的生物燃油燃燒器，而傳統的燃燒器很難將生物燃油充分燃燒，因此筆者設計一種生物燃油燃燒器，通過對燃燒器的工作原理和主要技術參數研究與確定，對燃燒機的結構進行了重新設計。該燃燒器結構簡單，裝配方便，可以將生物燃油進行三級霧化，燃燒效率高。

關鍵詞 生物質熱裂解制油技術；生物燃油； 燃燒器；設計

中圖分類號 SB181.3文獻標識碼 A文章編號 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

基金項目 中央高校基本科研業務費專項資金(2572014CB28)。

作者簡介

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，博士生導師，從事生物質能源方向研究。

收稿日期 20140603

自20世紀80年代以來，我國開始致力于新能源的開發與利用，生物質能作為可再生能源，逐漸成為代替我國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領域得到廣泛應用。生物質熱裂解制油技術是一種將農業秸稈和林業剩余枝椏等高溫熱裂解為可用于燃燒的生物燃油的技術，可以將我國每年產生的約7億t農業和林間剩余生物質轉化為生物燃油［2］，以解決我國越來越嚴重的能源危機和環境危機。在生物燃油的制取過程中，熱載體加熱直接影響生物質熱裂解制油的效率，傳統熱載體加熱熱源主要依賴于傳統秸稈、煤燃燒產生的熱能對熱載體進行加熱，不僅熱能利用率低、浪費大量資源，且秸稈、煤等燃燒產生大量的粉塵等污染物。在生物質裂解制油設備中，燃燒器是其熱源的主要提供者，目前市場上主要存在煤、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，且傳統的燃燒機直接應用與生物質制油技術成本和能耗巨大，不能適應生物質裂解制油技術的工業化大規模生產，所以設計一款可以實現生物質制油設備自循環，即通過燃燒在制油過程中產生的不凝氣和生物燃油即可提供足夠熱量的生物質燃燒器，對于生物質裂解制油技術的發展和工業化大規模生產具有深遠意義。

1生物質燃油燃燒器構造與基本原理

1.1 整體結構

生物質燃油燃燒器主要由供油管路、供氣管路、點火裝置、不凝氣管道、配風管路、噴頭等組成，其具體結構如圖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.點火裝置；8.安裝管；9.不凝氣管道；10.配風管路；11.噴頭總成。

圖1 油燃燒器基本結構示意圖

1.2 基本原理

在燃燒器工作時，首先鼓風機通過供氣連接管將空氣吹入燃燒室中，對燃燒室的雜質進行預吹掃，以清理燃燒器管內殘渣與部分結焦，同時稀釋燃燒室內的可燃氣體，以防發生爆燃。預吹掃完成后，鼓風機送出的空氣被吹向燃燒機的前方出口，生物燃油通過供油連接管進入噴頭總成，由噴嘴噴出霧化狀的燃油，在混合室內與空氣混合，被空氣進一步吹散、霧化。同時，不凝氣通過不凝氣管道吹入混合室，空氣、生物燃油和不凝氣三者進入爐膛內，由點火裝置引燃。

2 燃油燃燒器設計原則及主要技術參數

2.1 設計原則

該研究設計燃燒器主要是燃燒生物燃油、不凝氣，生物燃油的特性參數分別為比重1.15~1.25、閃點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，需要對生物燃油進行多級霧化處理，這不僅有利于點燃，且可以調整鍋爐內壓力的大小。

燃燒器設計的過程中必須遵守以下原則［3］：

①高的燃燒效率。燃料油經霧化后的油滴群中油滴粒度細而均勻，霧化角適當，油霧沿圓周的流量密度分布與配風一致，油霧與空氣的混合良好等。②合理地配風，保證燃料燃燒穩定、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形成一個大小適中，位置恰當的回流區，使燃料與空氣處于較高的溫度場中，以保證著火迅速及穩定。 ③由于生物油的閃電比較高，再加上渦輪機的持續給風，要求在燃燒膛里面有預熱的電阻絲，使之順利點火。④結構簡單、緊湊，運行可靠，自動化程度高，維修方便。

2.2 主要技術指標

在此以設計適用年產1萬t生物燃油的制油設備的燃燒器為例，進行燃油燃燒器的理論計算和結構設計。結果發現，生物質加工量3 156.566 kg/h（含水率10%），生物質與熱載體質量比1∶10，熱載體密度ρ=1 700 kg/m3，不凝氣產率為25%,產碳率為25%,燃燒生物油的比例為6%；燃料燃燒效率95%，燃燒器效率95%；進熱載體口溫度300 ℃，進主反應器熱載體溫度580 ℃；燃燒器可以燃燒生物質油量為216 kg/h，燃燒器燃燒不凝氣量828 kg/h，生物質油熱值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，產生的HHV（隨濕度而定）為14~19 MJ/kg，電源三相為50 Hz，電機運行電流為1.4A、2 750 rpm、288 rad/s，電容為5 MF、點火變壓器次級為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 生物質燃油燃燒器理論計算與結構設計

3.1 理論計算與結構設計

3.1.1

噴頭結構設計。在燃燒器設計過程中，主要采用高速蒸汽射流沖擊油流的方式使油霧化，經過低壓油泵加壓后，燃油經過小孔后會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變。高速蒸汽射流沖擊油流的霧化噴嘴（圖2）可以將燃油進行三級霧化，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噴頭結構示意圖

生物質燃油自噴口流出的速度按公式

w璏=μ2P璏 ρ璏計算，

式中,ρ璏為生物質油的密度，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；

玃璏為生物質油在噴嘴前壓力，取P璏=200 kPa；

μ為生物質燃油的流速系數，取μ=0.2。

由此可見燃油自噴口流出的速度為3.76 m/s。生物質燃油噴口直徑

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焦，其直徑應不小于3 mm，由此可得生物質燃油噴口直徑為4.24 mm。

3.1.2

霧化方式及結構設計。該設計采用二級霧化方式，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算按用于超臨界壓力的氣體力學公式計算。

霧化劑在拉瓦爾管臨界截面流速計算公式為

玾0mp=φMP璓T0 ρ0P猅璓P璓，

式中，對于空氣，M=0.685、ρ0P=1.29 kg/m3;干飽和蒸汽,玀=0.635、ρ0P=0.804 kg/m3;過熱蒸汽,玀=0.667、ρ0P=0.804 kg/m3；系數φ取0.2。根據公式計算可得w0mp=467.7 m/s。

拉瓦爾管的臨界截面計算公式為

獸璓=B璏q×106 w0mpρ0p，

如果是兩級霧化，計算每一級時，q值應取相應的霧化劑單耗。

根據公式計算可得F璸=64.64 mm2。

拉瓦爾管的出口截面計算公式為

獸﹑M=F璸×A，式中，A值根據空氣到噴嘴前的壓力來選取［4］。拉瓦爾管出口截面處生物質油噴嘴的外徑和中間管內徑，選擇時應保證必需的截面積即F﹑M=130.18 mm2。從結構的角度看，這個面積也可稍微增大些，因為這不會引起拉瓦爾管出口截面處空間流速的降低。

3.1.3

二級霧化混合管的設計。全部生物質燃油以及全部霧化劑（對單級霧化的噴嘴）或只是一次霧化劑（對兩級霧化噴嘴）均通過拉瓦爾管出口截面進入混合管。

進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選取。

根據公式計算可得

ρ㏄∏x=1.11 玨g/m3。

進入混合管的霧化劑流速按確定公式

玾﹑∏x=B璏q×106 F﹑Mρ﹑∏x，

計算可得w㏄∏x=374.86 m/s。

混合管開始界面處的總動能，按每千克生物質燃油計算，等于生物質油和霧化劑動能的疊加值：

獷│笑轉=w2∏ 2+w2㏄∏x 2q，

根據此公式，計算可得E│笑轉=45.677 ﹌J/kg。

消耗于混合過程的能量計算公式：

獷〤M=(w﹑∏x-w∏)2 2×q 1+q,

計算可得E〤M=27.09 kJ/kg。

生物質油霧化顆粒直徑

玶=0.275/(w2㏄∏xρ﹑∏x），

根據此公式，計算可得r=1.763×10-6猰。オ

霧化1 kg生物質油所消耗的能量

獷㏄Cπ=3σ/(ρ璏r)，

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

混合管出口界面處的動能

獷│衞n=E│笑轉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，為0.8~0.9。

根據公式計算可得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)，

經計算可得w〤M=119.4 m/s。

進入混合管霧化劑的溫度

玊│衱x=T璓/∏，

經計算可得T│衱x=317 K。

進入混合管的生物燃油和霧化劑的焓

玦│笑轉=c璏T璏+c璸T│衱x猶，

式中，c璏、c璸分別為生物質油和霧化劑的比熱（㎎/kg·grad）。

根據公式計算可得玦│笑轉=917.53 kJ/kg。

混合和摩擦消耗熱玦璹=E│笑轉-E│衞n-E㏄Cπ，

計算可得i璹=33.874 kJ/kg。混合管出口截面處混合物溫度

玊〤M=i│笑轉+i璹 c+c璸q，經計算可得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,

根據公式計算可得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,

經計算可得d〤M=20.75 mm。

二次霧化劑的出口截面積應與拉瓦爾管的臨界截面積相等，因為對于二次霧化劑不存在噴管的擴張部分。

計算時推薦采用以下管道流速，即生物質油0.5～1.5 m/s、壓縮空氣15～20 m/s、干飽和蒸汽20～30 m/s、過熱蒸汽30～60 m/s。

3.2 生物燃油燃燒器的配風原則

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

3.2.1

多次供風。對油燃燒器來說，一次風即所謂根部風，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由于缺氧而產生嚴重熱分解，形成大量炭黑。一次風量不能太大，否則破壞著火條件，一般約占總風量的15%～30%。

3.2.2

保證高溫氣回流區著火燃燒。在離噴嘴一定距離應有一個高溫氣（燃氣）回流區，使之保證著火燃燒。

3.2.3

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

3.2.4

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

一次風量通常用一次風量占總風量的比值表示，稱為一次風率。此處選取一次風率為20%，燃燒器配風風速選取20 m/s。由前文設計燃燒器需要滿足的技術可得總配風量為：

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，可得總的需求配風量為3.73 m3/s，由此可得一次配風量為0.746 m3/s。

4 小結

該設計的生物燃油燃燒機功率可到達2 500 kW，燃燒器燃燒效率達95%，是一款大功率高效率的燃燒器，可以適應生物質裂解制油工業化生產。該設計針對生物燃油燃燒困難的缺點，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，同時該燃燒器燃燒用生物燃油為年產10 000 t生物燃油工程中產生的生物燃油，能夠達到自循環，有效地解約了成本。

參考文獻

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