工業(yè)用生物燃油燃燒機的設(shè)計理論及實驗研究

工業(yè)用生物燃油燃燒機的設(shè)計理論及實驗研究能源作為人們?nèi)粘Ｉ?、社會文明進(jìn)步和經(jīng)濟發(fā)展的主要物質(zhì)基礎(chǔ),隨著人們的過度開采,石油、煤炭、天然氣等資源越來越匱乏,甚至在21世紀(jì)中葉將有部分化石燃料被耗盡。另外,在我國不僅能源消耗巨大,而且能源利用率低、能源消費結(jié)構(gòu)失衡,使得環(huán)境污染嚴(yán)重,據(jù)統(tǒng)計,目前我國二氧化碳的排放總量僅次于美國居世界第二位,二氧化硫的排放量居世界第一,而我國二氧化碳排放量的70%、二氧化硫排放量的90%,氮氧化物排放量的66.7%均來自化石燃料的燃燒。為了減緩能源危機和環(huán)境污染,人們開始尋找開發(fā)利用新型能源。生物質(zhì)能作為一種清潔無污染的能源,被很多國家廣泛接受,特別將生物質(zhì)能熱裂解成生物燃油等液體燃料被西方發(fā)達(dá)國家廣泛利用。但由于生物燃油燃燒困難,利用傳統(tǒng)的燃燒設(shè)備燃燒生物燃油會帶來很多不利影響,而生物燃油卻缺少專用的燃燒設(shè)備,這不僅阻礙了生物質(zhì)裂解制燃油技術(shù)的發(fā)展,更加影響了生物質(zhì)能的合理化利用。因此,本文以國家863項目“斜板槽式低能耗精控加熱型生物質(zhì)快速裂解制生物燃油及混合乳化新技術(shù)”為依托,收集和查閱了國內(nèi)外有關(guān)燃油燃燒機的大量文獻(xiàn)、資料,并對其進(jìn)行了深入的學(xué)習(xí)和研究,以節(jié)能減排、將生物燃油進(jìn)行充分霧化燃燒、降低生產(chǎn)成本為目的,并結(jié)合本實驗室前期的相關(guān)研究成果和經(jīng)驗,設(shè)計一種適用生物燃油燃燒的燃燒機,具有重大實際經(jīng)濟意義、能源安全意義、環(huán)境保護(hù)意義和可持續(xù)發(fā)展意義。通過對玉米秸稈而制取的生物燃油的性能實驗,對生物燃油粘性、閃點、密度、水分等特性進(jìn)行了實驗研究,并與柴油的特性進(jìn)行比較。在生物燃油性能實驗基礎(chǔ)上,利用Zeldovich燃燒理論、熱理論對生物燃油的燃燒過程、燃燒基本理論、火焰?zhèn)鞑ダ碚撨M(jìn)行分析,并對生物燃油燃燒熱動力學(xué)進(jìn)行分析。從而建立了生物燃油揮發(fā)段和燃燒段的動力學(xué)機理特性,為生物燃油的燃燒特性研究提供了理論依據(jù)。實驗結(jié)果表明：該生物燃油的燃燒可分為三個階段,即輕組分揮發(fā)、重組分裂解和焦炭燃燒。對生物燃油的燃燒方式、影響升溫速率的因素進(jìn)行了研究,并對生物燃油的粘度、表面張力、氣液質(zhì)量流量、密度及噴嘴結(jié)構(gòu)等對其霧化特性產(chǎn)生影響的參數(shù)進(jìn)行了分析。同時,對生物燃油燃燒所需的理論空氣量和實際空氣量進(jìn)行了理論計算,得出實際空氣量V應(yīng)為6.37Nm3/kg,為后續(xù)燃燒機的結(jié)構(gòu)設(shè)計做前期準(zhǔn)備。本文以能夠為年產(chǎn)10000噸生物質(zhì)裂解制生物燃油生產(chǎn)裝備供熱的燃燒機為依據(jù),對生物燃油燃燒機進(jìn)行了理論研究和設(shè)計,重點對燃油供給系統(tǒng)、噴嘴結(jié)構(gòu)、供風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計。通過計算得到了生物燃油燃燒機的噴嘴直徑為4.59mm,霧化角度為98。,為達(dá)到設(shè)計要求為該燃燒機配備了四個可同時進(jìn)行噴油霧化的噴嘴,同時為了使由玉米秸稈而制取的生物燃油接近于柴油的性能,需將該生物燃油預(yù)熱到70℃后進(jìn)行燃燒。利用FLUENT流體分析軟件對生物燃油燃燒機霧化和燃燒過程進(jìn)行數(shù)值模擬。其中,包括數(shù)學(xué)模型的建立,網(wǎng)格的劃分,邊界條件、迭代參數(shù)的設(shè)置等工作。通過模擬結(jié)果分析表明：霧化后的燃油粒徑均勻、顆粒大小適中,油霧速度高達(dá)46m/s,且由噴嘴噴出的油霧溫度達(dá)473K,縮短了生物燃油的預(yù)燃期,滿足設(shè)計要求。燃燒后的生物燃油溫度可達(dá)2500K,達(dá)到了工業(yè)所需溫度。同時,生物燃油燃燒在回流區(qū)存在負(fù)壓-3.87Pa,可保證生物燃油與二次霧化空氣進(jìn)行充分混合,從而為生物燃油的完全燃燒提供了充足的氧氣,同時也提高了燃燒效率。最后,對本文所設(shè)計的生物燃油燃燒機樣機進(jìn)行了實驗,通過噴霧性能實驗,確定了噴嘴結(jié)構(gòu)、噴射壓力,并根據(jù)生物燃油溫度對噴霧過程的影響,確定了最佳噴嘴直徑、噴射壓力和燃油溫度。通過生物燃油燃燒機燃燒和優(yōu)化控制實驗,分析了旋流強度對軸向速度的影響和過量空氣系數(shù)、不同配風(fēng)量、不同燃油量對生物燃油燃燒效果的影響,最終確定過量空氣系數(shù)為1.2、