工业用生物燃油燃烧机的设计理论及实验研究

工业用生物燃油燃烧机的设计理论及实验研究能源作为人们日常生活、社会文明进步和经济发展的主要物质基础,随着人们的过度开采,石油、煤炭、天然气等资源越来越匮乏,甚至在21世纪中叶将有部分化石燃料被耗尽。另外,在我国不仅能源消耗巨大,而且能源利用率低、能源消费结构失衡,使得环境污染严重,据统计,目前我国二氧化碳的排放总量仅次于美国居世界第二位,二氧化硫的排放量居世界第一,而我国二氧化碳排放量的70%、二氧化硫排放量的90%,氮氧化物排放量的66.7%均来自化石燃料的燃烧。为了减缓能源危机和环境污染,人们开始寻找开发利用新型能源。生物质能作为一种清洁无污染的能源,被很多国家广泛接受,特别将生物质能热裂解成生物燃油等液体燃料被西方发达国家广泛利用。但由于生物燃油燃烧困难,利用传统的燃烧设备燃烧生物燃油会带来很多不利影响,而生物燃油却缺少专用的燃烧设备,这不仅阻碍了生物质裂解制燃油技术的发展,更加影响了生物质能的合理化利用。因此,本文以国家863项目“斜板槽式低能耗精控加热型生物质快速裂解制生物燃油及混合乳化新技术”为依托,收集和查阅了国内外有关燃油燃烧机的大量文献、资料,并对其进行了深入的学习和研究,以节能减排、将生物燃油进行充分雾化燃烧、降低生产成本为目的,并结合本实验室前期的相关研究成果和经验,设计一种适用生物燃油燃烧的燃烧机,具有重大实际经济意义、能源安全意义、环境保护意义和可持续发展意义。通过对玉米秸秆而制取的生物燃油的性能实验,对生物燃油粘性、闪点、密度、水分等特性进行了实验研究,并与柴油的特性进行比较。在生物燃油性能实验基础上,利用Zeldovich燃烧理论、热理论对生物燃油的燃烧过程、燃烧基本理论、火焰传播理论进行分析,并对生物燃油燃烧热动力学进行分析。从而建立了生物燃油挥发段和燃烧段的动力学机理特性,为生物燃油的燃烧特性研究提供了理论依据。实验结果表明：该生物燃油的燃烧可分为三个阶段,即轻组分挥发、重组分裂解和焦炭燃烧。对生物燃油的燃烧方式、影响升温速率的因素进行了研究,并对生物燃油的粘度、表面张力、气液质量流量、密度及喷嘴结构等对其雾化特性产生影响的参数进行了分析。同时,对生物燃油燃烧所需的理论空气量和实际空气量进行了理论计算,得出实际空气量V应为6.37Nm3/kg,为后续燃烧机的结构设计做前期准备。本文以能够为年产10000吨生物质裂解制生物燃油生产装备供热的燃烧机为依据,对生物燃油燃烧机进行了理论研究和设计,重点对燃油供给系统、喷嘴结构、供风系统进行设计。通过计算得到了生物燃油燃烧机的喷嘴直径为4.59mm,雾化角度为98。,为达到设计要求为该燃烧机配备了四个可同时进行喷油雾化的喷嘴,同时为了使由玉米秸秆而制取的生物燃油接近于柴油的性能,需将该生物燃油预热到70℃后进行燃烧。利用FLUENT流体分析软件对生物燃油燃烧机雾化和燃烧过程进行数值模拟。其中,包括数学模型的建立,网格的划分,边界条件、迭代参数的设置等工作。通过模拟结果分析表明：雾化后的燃油粒径均匀、颗粒大小适中,油雾速度高达46m/s,且由喷嘴喷出的油雾温度达473K,缩短了生物燃油的预燃期,满足设计要求。燃烧后的生物燃油温度可达2500K,达到了工业所需温度。同时,生物燃油燃烧在回流区存在负压-3.87Pa,可保证生物燃油与二次雾化空气进行充分混合,从而为生物燃油的完全燃烧提供了充足的氧气,同时也提高了燃烧效率。最后,对本文所设计的生物燃油燃烧机样机进行了实验,通过喷雾性能实验,确定了喷嘴结构、喷射压力,并根据生物燃油温度对喷雾过程的影响,确定了最佳喷嘴直径、喷射压力和燃油温度。通过生物燃油燃烧机燃烧和优化控制实验,分析了旋流强度对轴向速度的影响和过量空气系数、不同配风量、不同燃油量对生物燃油燃烧效果的影响,最终确定过量空气系数为1.2、