生物質液體燃料霧化蒸發燃燒實驗平臺的搭建及應用

李法社 王 霜 劉慧利 呂順利 陳 勇 李 博

昆明理工大學 云南昆明 650093

實驗教學是高等學校教學工作的重要組成部分，通過實驗可以培養學生的動手能力、分析和解決問題的能力、嚴謹的思維方式及科學態度[1,2]。依據能動專業教學需求，基于省部共建復雜有色金屬資源清潔利用國家重點實驗室研究項目，針對生物質液體燃料已被世界公認為“綠色燃料”，是最有潛力替代常規汽油、柴油的清潔燃料的現狀，為解決生物質液體燃料存在黏度大、霧化不完全、霧化顆粒大、燃燒不完全以及燃燒效率低等問題，設計了集教學研究、科學探索、實驗于一體的生物質液體燃料霧化蒸發燃燒實驗平臺，實用性強，操作簡便，同時結合平面激光誘導熒光燃燒火焰檢測技術(Planer Laser Induced Fluorescence，PLIF)開展綜合性、設計性實驗，研究火焰特性，教學效果顯著。國內沒有這一技術開發成實驗教學的相關報道，論文工作在補充這一方面空白的同時，也為研究型和探究型實驗教學內容的開設創造條件[3,4]。

1 設計及搭建過程

1.1 設計方案

本實驗平臺以生物質液體燃料為研究對象，用于能動專業課程教學，霧化采用對沖霧化為主、二次風經過含有內螺旋結構的霧化燃燒器二次噴吹破碎霧化為輔的方式，其產生的霧粒均勻且顆粒又細，霧化效果好，大幅度提高了霧化效果，在霧化燃燒器出口直接點燃進行燃燒，一次風系統提供主要助燃氣體，二次風系統提供主要霧化介質與霧化動力。

1.2 實驗平臺組成

生物質液體燃料霧化蒸發燃燒實驗平臺(如圖1所示)，包括燃料系統、供氣系統、載氣系統、霧化蒸發系統和燃燒器，燃料系統包括燃料注射泵以及液體加熱器。供氣系統包括由空氣壓縮機、流量計構成的空氣氣路，由氧氣瓶、流量計構成的氧氣氣路，以及混氣瓶、氣體加熱器；載氣系統包括空氣瓶、流量計、氣體加熱器；霧化蒸發系統包括液體噴吹針頭、氣體噴吹針頭1、氣體噴吹針頭2、霧化蒸發腔體、陶瓷加熱器和測溫熱電偶。

圖1 生物質液體燃料霧化蒸發燃燒實驗平臺系統圖

1.2.1 燃料系統

燃料系統中植物油脂或生物油通過燃料注射泵經管道輸送到液體加熱器中，液體加熱器出口通過保溫管路連接液體噴吹針頭。

1.2.2 供氣系統

供氣系統中空氣依次經空氣壓縮機、調壓閥、流量計連接混氣瓶入口，氧氣瓶依次經調壓閥、流量計連接混氣瓶入口，混氣瓶出口與氣體加熱器連接，氣體加熱器出口通過三通閥分為兩路，一路依次通過保溫管路連接氣體噴吹針頭2，另一路依次連接保溫管路、三通閥后再分為兩路，通過保溫管路后連接燃燒器外環圓形套筒兩端。

1.2.3 載氣系統

載氣系統中空氣瓶依次通過調壓閥、流量計、氣體加熱器，通過保溫管路連接氣體噴吹針頭1。

1.2.4 霧化蒸發系統

霧化蒸發系統中霧化蒸發腔體設有液體噴吹針頭、氣體噴吹針頭1和氣體噴吹針頭2，霧化蒸發腔體上部還設有測溫熱電偶，霧化蒸發腔體上方出口連接至燃燒器入口，霧化蒸發腔體外圍包裹有陶瓷加熱器進行輔助加熱。霧化蒸發腔體中液體噴吹針頭出口依次和氣體噴吹針頭1出口形成90 °。

1.2.5 燃燒器

燃燒器兩端入口通入熱空氣或空氣與氧氣混合氣，通過在燃料出口處的同軸射流保護氣向上托舉火焰，使火焰穩定，不受外界干擾。

1.3 運行原理

燃料裝置將植物油脂或生物油加熱后通入到霧化蒸發系統中；供氣系統提供的加熱空氣為霧化蒸發系統進行預熱，并通過陶瓷加熱器輔助加熱，供氣系統提供的空氣和氧氣混合氣體為燃燒器提供助燃氣；載氣系統中的空氣經升溫和調壓后通入到霧化蒸發系統中將植物油脂或生物油霧化蒸發形成氣體，氣體通入燃燒器中，在助燃氣下燃燒。

1.4 解決問題

(1)霧化腔體在高溫時不易變形，強度高。

(2)實驗教學時，為了保證實驗安全，避免溫度、壓力過高，霧化燃燒腔體采用高溫高壓材料制成。

(3)查閱相關文獻，氣流方向與燃料進樣方向呈90 °，霧化效果達到最佳；因此兩側液體噴吹針呈180 °并與一次風噴吹針呈90 °布置。

2 教學實驗成果

根據能動專業課程教學及實驗教學要求，為檢驗實驗平臺運行效果，鍛煉學生的動手及思考能力，利用實驗平臺進行生物柴油霧化模擬實驗及生物柴油層流預混燃燒實驗，并結合平面激光誘導技術(PLIF)進行綜合實驗、綜合教學，效果如下。

2.1 霧化實驗結果分析

霧化顆粒平均直徑是評定霧化效果質量的一項重要指標，霧化顆粒的大小直接影響著燃燒的好壞，因此需要對霧化顆粒平均直徑進行計算。根據公式(1)可以計算出該系統顆粒平均直徑，公式如下[5]。

根據公式(1)，理論計算得到的結果如表1所示。

表1 油品霧化顆粒的平均直徑

同時，利用馬爾文激光粒度儀測量該系統的霧化顆粒平均直徑，與理論計算的結果進行對比。以小桐子生物柴油為原料進行測試，結果如圖2所示。

圖2 小桐子生物柴油霧化顆粒平均直徑分布圖

由圖2得出，通過該系統霧化后顆粒平均直徑主要集中在0.1～0.3 μm之間，大約為93%，這與理論計算結果平均直徑為0.206 μm趨于一致，霧化質量非常高。說明該實驗平臺運行的可行性，可以使生物質液體燃料高效霧化，并且燃燒充分。

2.2 燃燒實驗結果分析

對不同工況下的火焰溫度進行了測量，外焰的溫度最高為1 500 K左右。采用與實際燃燒條件相同的工況，利用Fluent數值模擬計算不同工況下的火焰燃燒溫度。結果如圖3、圖4所示，可以看出測量結果火焰鋒面呈較好的錐形分布，火焰溫度最高可達1 500 K左右，與實驗測量結果達成了非常好的一致性，圖5為生物柴油燃燒火焰圖像。

圖3 不同當量比時火焰溫度分布計算值(K)

圖4 火焰高度為10 mm處溫度計算值沿徑向分布圖

圖5 生物柴油燃燒火焰圖像

2.3 聯合PLIF技術綜合實驗效果

平面激光誘導熒光技術作為一種非接觸型激光診斷技術，可以避免常規測量方法對火焰流場、溫度場的干擾，所得到的測量數據更加真實可靠。該技術所激發出的信號強，時空分辨率高，可獲得高速瞬時二維火焰圖像，目前在火焰結構的測量中應用廣泛。實驗平臺與PLIF技術綜合實驗平臺如圖6所示。

圖6 燃燒實驗平臺-PLIF綜合實驗臺

以小桐子生物柴油為燃料，控制油量恒定為0.16 mL/min，通過控制霧化空氣的體積流量改變當量比，預混氣加熱溫度為200 ℃。利用燃燒實驗平臺-PLIF綜合實驗臺所拍攝的小桐子生物柴油在不同當量比下層流預混火焰OH-PLIF平均圖如圖7所示。

圖7 小桐子生物柴油層流預混火焰平均圖

3 應用推廣

該實驗平臺一方面可以在實驗室內進行火焰燃燒特性以及排放特性的研究，另一方面也可以應用于工業上的生物質液體燃料的燃燒裝置。并對新型環保的可再生能源的使用進行了推廣。總體造價低，節約的能耗以及產出的能量較高。工業生物質液體燃料燃燒系統以及霧化燃燒器如圖8所示。因此，本作品值得市場推廣、應用。

圖8 工業生物質液體燃料燃燒系統示意圖

4 應用特點

(1)加工組裝成本低，維護方便。市場上的實驗儀器設備專用性強，社會需求量小，價格昂貴，大多無法從市場直接購買到，即使能購買到，在使用和功能上也遠遠滿足不了教學實驗的需求。本研制項目不但解決了實驗教學問題，也節約了大量資金。系統整體零部件均為市場通用部件，無特殊精密儀器與特殊加工要求，可實體搭建，總體費用比較低。

(2)實用性強，操作簡便，易于開展綜合性設計性實驗。自制實驗設備是根據專業教學大綱規定以及實驗課題的項目制作更適用、更合理的實驗裝置，這種裝置的特點是適用面廣、實用性強。本次制作的實驗設備可操作性強，各部件獨立制作，組裝方便簡單，儀器配件容易得到，學生可自行組裝，由原來的被動實驗轉變成自主完成，實驗教學效果很好。

5 結語

本實驗平臺具有實驗現象直觀、明顯；操作方便，實用性強；燃燒效率高, 污染物排放少；科學探究性強等優點。同時，實驗平臺搭建及使用對提高課堂教學效率，對學生學習能力的培養，對學生設計實驗方案能力，分析問題、解決問題能力的提高具有較大的幫助，而從教學實際情況以及未來能源發展趨勢而言，生物質能具有較大的發展潛力，因此該實驗裝備還具有較大的推廣和應用價值。

在高等學校的科學教學中，實驗教學占有重要的主導地位，生物質液體燃料霧化蒸發燃燒實驗平臺的創新設計不僅拓寬了現有的傳統課堂教學手段，而且豐富了現有的教學內容。同時，實驗教學有利于理論結合實踐，提高學生知識的實用性，有利于激發學生的學習興趣。