工業(yè)生物質(zhì)燃燒機(jī)的研究現(xiàn)狀

摘要：介紹了工業(yè)燃油燃?xì)馍镔|(zhì)燃燒機(jī)的特點(diǎn)，目前的技術(shù)水平和存在的問題，著重闡述了國(guó)外先進(jìn)的節(jié)能低排放生物質(zhì)燃燒機(jī)的研究現(xiàn)狀以及今后的研究方向。

0前言

工業(yè)生物質(zhì)燃燒機(jī)是一種將燃料和助燃空氣進(jìn)行混合燃燒的鍋爐配套附機(jī)，衡量性能指標(biāo)是排放、能效、性和使用壽命等。北京、上海等城市早已經(jīng)明確工業(yè)鍋爐不允許燃煤，而且對(duì)生物質(zhì)燃燒機(jī)的排放要求也逐年提高。目前中國(guó)每年工業(yè)生物質(zhì)燃燒機(jī)有上百億市場(chǎng)，但幾乎被歐美等燃嬈器廠家所壟斷。隨著耗資200億美元的西氣東輸工程的深入，俄羅斯、哈薩克斯坦、澳洲等燃油、氣的輸入，東海和南海油田氣的開發(fā)，青海350億噸油當(dāng)量的可燃冰的發(fā)現(xiàn)，國(guó)內(nèi)超過40萬億立方米可開采近百年的天然氣儲(chǔ)量的確定，國(guó)家節(jié)能減排政策的實(shí)施，我國(guó)生物質(zhì)燃燒機(jī)產(chǎn)業(yè)必將迎來新一輪的大發(fā)展。

1生物質(zhì)燃燒機(jī)類別和應(yīng)用

L 1按燃料分類

工業(yè)用生物質(zhì)燃燒機(jī)根據(jù)燃料不同，可以分為燃?xì)馊紵鳌⑷加蜕镔|(zhì)燃燒機(jī)和燃煤生物質(zhì)燃燒機(jī)等三大類。本文主要指燃?xì)夂腿加蜕镔|(zhì)燃燒機(jī)‘”。

1.1. 1燃?xì)馍镔|(zhì)燃燒機(jī)

燃?xì)馍镔|(zhì)燃燒機(jī)燃用的氣體燃料是由若干可燃?xì)怏w、不可燃?xì)怏w以及水蒸氣等組成的混合氣體。如：天然氣、高爐煤氣、發(fā)生爐煤氣、煉焦?fàn)t煤氣以及一些特殊的∞H等可燃?xì)怏w。國(guó)內(nèi)外對(duì)氣體燃燒器已經(jīng)有較好的研究，特別是天然氣、I_PG生物質(zhì)燃燒機(jī)，技術(shù)已經(jīng)相對(duì)比較成熟。但是，國(guó)內(nèi)生物質(zhì)燃燒機(jī)還存在著一些不足：由于在大功率生物質(zhì)燃燒機(jī)(20 MW以上)上研發(fā)不足、研發(fā)投入少，使得燃燒不充分，過量空氣系數(shù)過大，NO。和∞等排放大，能耗高，性能有所欠缺。故而該市場(chǎng)仍然被歐美等生物質(zhì)燃燒機(jī)廠冢壟斷，其大功率燃?xì)馍镔|(zhì)燃燒機(jī)NCI排放已經(jīng)可以做到1Q 25 mg/n/ CI示態(tài)）(5 ppm)以下。

過量空氣系數(shù)Q是鍋爐運(yùn)行中非常重要的指標(biāo)之一。隨著a的增大，煙氣量增加，排煙熱損失同步增加，同時(shí)也使得風(fēng)機(jī)電耗增加。但如果a太小，則不能保證完全燃燒，產(chǎn)生過多的∞氣體不完全燃燒損失增大且易引起鍋爐喘震。因此要求在保證完全燃燒的前提下，應(yīng)盡量降低過量空氣系數(shù)。前，先進(jìn)的生物質(zhì)燃燒機(jī)廠家已經(jīng)能將氣體生物質(zhì)燃燒機(jī)的過量空氣系數(shù)降低到L 02左右，且保持燃燒穩(wěn)定。

此外，調(diào)節(jié)比也是用戶比較關(guān)注的。目前，燃?xì)馍镔|(zhì)燃燒機(jī)可以做到20：1的高調(diào)節(jié)比。這就為新鍋爐的烘爐煮爐提供了方便。

1．L 2燃油生物質(zhì)燃燒機(jī)

鍋爐用燃料油主要是原油煉制過程中的產(chǎn)品：輕油、重油以及渣油等。燃油鍋爐中，燃油經(jīng)霧化噴入爐膛和空氣混合，并被點(diǎn)燃后著火燃燒。試驗(yàn)證明[21，油滴燃燒完所需要的時(shí)間和它的直徑平方成正比，即

r—d 2／K(1)式中 d——油滴直徑

K-燃燒速度常數(shù)

燃燒速度常數(shù)主要取決于燃料性質(zhì)。重油和輕。生物質(zhì)燃燒機(jī)技術(shù)。油的燃燒有很大區(qū)別，但均符合式(1)的規(guī)律，所不同的是，對(duì)于重油，油滴被包圍在火焰內(nèi)部而得不到氧氣，重油會(huì)熱分解產(chǎn)生油焦，油焦還將繼續(xù)燃燒。由于有焦粒產(chǎn)生，使重油的燃燒時(shí)間延長(zhǎng)，為了使它能完全燃燒，應(yīng)當(dāng)保證火焰尾部有足夠的溫度，并且供給足夠的氧氣。

可見，霧化油粒的大小是燃燒質(zhì)量高低的關(guān)鍵因素之一。目前對(duì)燃油鍋爐允許的油滴直徑還沒有一個(gè)一致的看法，一般傾向于盡可能地改善霧化質(zhì)量。為了實(shí)現(xiàn)低過量空氣系數(shù)燃燒，必須使油霧和空氣混合得很均勻，此時(shí)希望能將平均油滴直徑減小到100弘m以下。而歐美等先進(jìn)生物質(zhì)燃燒機(jī)霧化重油的平均油滴可達(dá)到50 Vm左右。

燃油生物質(zhì)燃燒機(jī)采用的霧化器主要有以下幾類：

(1)卡幾械式霧化器：也叫離心式霧化器或者壓力式霧化器。油霧從霧化器的噴出速度可達(dá)到100 m／蘆主要應(yīng)用于輕油；現(xiàn)在也有將重油加熱后使用機(jī)械霧化油槍的生物質(zhì)燃燒機(jī)，但是功率不大。一般而言，該類霧化器出力不大，否則的話就要求采用很高的油壓，對(duì)油系統(tǒng)的制造和維護(hù)帶來很大困難。雖然該類霧化器技術(shù)已經(jīng)非常成熟，用戶只要根據(jù)需要選型就可以，但是，目前還很難通過理論方法較準(zhǔn)確計(jì)算霧化器的霉化質(zhì)量。

(2)轉(zhuǎn)杯式霧化器：油經(jīng)過高速旋轉(zhuǎn)(3000～6000 rlmin)的旋轉(zhuǎn)杯的內(nèi)壁，在離心力作用下，油從旋轉(zhuǎn)杯四周甩出而霧化。由于它是一個(gè)高速旋轉(zhuǎn)的部件，制造和運(yùn)行都較復(fù)雜，目前己較少使用。

(3)介質(zhì)輔助霧化器：有空氣式霧化器和蒸汽式霧化器兩種?？諝馐届F化器一般要求油品的粘度相對(duì)較小；而蒸汽式霧化器可使得粘度較大的油品較好地霧化，特別是蒸汽機(jī)械式霧化器，氣耗率可達(dá)到Q 03 k9/k9左右，它要求的油壓相對(duì)也較低，調(diào)節(jié)比可達(dá)到15：l目前廣泛應(yīng)用于各類鍋爐上，單槍流量已經(jīng)達(dá)到12 tr/h這對(duì)生物質(zhì)燃燒機(jī)配風(fēng)提出了的要求。一般而言，采用霧化角適當(dāng)大一些的霧化器對(duì)燃燒有利，對(duì)于平流式調(diào)風(fēng)器也是如此而油霧化器的霧化角應(yīng)大于氣流的擴(kuò)散角。油霧穿透風(fēng)層的能力除了和霧化角有關(guān)外，還和油滴的粗細(xì)、油霧的噴射速度、風(fēng)層的厚度以及風(fēng)速、動(dòng)量等因素有關(guān)。

L2按配風(fēng)形式分類

按配風(fēng)形式生物質(zhì)燃燒機(jī)可分為直流生物質(zhì)燃燒機(jī)、平流燃燒器和漩流生物質(zhì)燃燒機(jī)。

直流生物質(zhì)燃燒機(jī)一般功率不大，大約在14 MW以下，且在丌型鍋爐的四角布置中有著廣泛應(yīng)用。漩流生物質(zhì)燃燒機(jī)能夠依靠自身的回流區(qū)保持穩(wěn)定著火，著火性能較好，但是漩流要消耗能量，因此應(yīng)芻使調(diào)風(fēng)器有一個(gè)適當(dāng)?shù)匿隽鲝?qiáng)度，漩流過分強(qiáng)烈反而不利。而平流式生物質(zhì)燃燒機(jī)則綜合利用了這兩種氣流的特點(diǎn)，中心一小部分氣流是旋轉(zhuǎn)的，可以產(chǎn)生回流區(qū)，在外層大部分氣流是直流的，衰減較慢，有利于后期混合。大出力油槍一般應(yīng)用在平流生物質(zhì)燃燒機(jī)和漩流燃燒器。

L3按燃料和空氣的混合分類

按燃料和空氣的混合可分為非預(yù)混式、預(yù)混式和部分預(yù)混式生物質(zhì)燃燒機(jī)。

非預(yù)混式生物質(zhì)燃燒機(jī)又叫擴(kuò)散式生物質(zhì)燃燒機(jī)，燃料噴頭噴出單一的燃?xì)?，燃燒過程中的火焰不會(huì)回竄入噴口內(nèi)，所以生物質(zhì)燃燒機(jī)和燃?xì)夤?yīng)系統(tǒng)中不會(huì)發(fā)生回火和爆炸目前市場(chǎng)上以該類生物質(zhì)燃燒機(jī)為主流。但是，在燃燒碳?xì)浜枯^高的氣體燃料時(shí)，常因還未來得及和氧相互混合就受熱分解，形成難以燃盡的細(xì)微炭粒，使煙囪冒黑煙，并排放未燃燒完全的氣體使環(huán)境受到污染。一般為了在較短的距離內(nèi)使燃?xì)馀c空氣盡快均勻混厶，采取多股高壓的形式，氣流擾動(dòng)程度很大，雖然生物質(zhì)燃燒機(jī)的主氣流沒有旋轉(zhuǎn)，但空氣仍能很好的與燃?xì)饣旌稀?/p>

部分預(yù)混式生物質(zhì)燃燒機(jī)與擴(kuò)散式生物質(zhì)燃燒機(jī)相比，火焰短，火力強(qiáng)，燃燒溫度高。

全預(yù)混式生物質(zhì)燃燒機(jī)過量空氣系數(shù)小(a-1. 01～1.1)，燃燒效率高，火焰短。但是它發(fā)生回火的可能性較大，負(fù)荷調(diào)節(jié)范圍小，一般只限于小功率。

2生物質(zhì)燃燒機(jī)研究現(xiàn)狀以及令后研究方向

2 1研究現(xiàn)狀

傳統(tǒng)的生物質(zhì)燃燒機(jī)設(shè)計(jì)上均采用理論計(jì)算和試驗(yàn)相結(jié)合的方法。上世紀(jì)五六十年代起，我國(guó)各大鍋爐廠就依托前蘇聯(lián)資料進(jìn)行了生物質(zhì)燃燒機(jī)設(shè)計(jì)的理論研究和推廣。純理論計(jì)算的誤差一般較大，但是對(duì)于較大功率生物質(zhì)燃燒機(jī)而言，如50 MW以上的生物質(zhì)燃燒機(jī)，用試驗(yàn)的方式需耗費(fèi)大量的人力物力和財(cái)力，而且整個(gè)設(shè)計(jì)周期比較長(zhǎng)。上世紀(jì)九十年代初，一些國(guó)外廠家便采用數(shù)值模擬( CFD)來優(yōu)化設(shè)計(jì)，如美國(guó)是走在比較前面的國(guó)家，生物質(zhì)燃燒機(jī)廠家最早與美國(guó)航天局合作，利用仿真技術(shù)為生物質(zhì)燃燒機(jī)設(shè)計(jì)提供支持，從而大大減少了設(shè)計(jì)周期，提高了市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。特別是一些生物質(zhì)燃燒機(jī)廠家更是與CFD軟件公司合作開發(fā)了適合自己的仿真軟件，并通過試驗(yàn)及市場(chǎng)應(yīng)用驗(yàn)證，其仿真總體誤差能控制在5%以內(nèi)。

商用軟件上，各大軟件如Fluent CFX等都能對(duì)燃燒進(jìn)行模擬。而今ANSYS公司更是推出了三大軟件流固耦合平臺(tái)。商用軟件一般都留有一些輔助接口可供選擇使用，如用戶需要可以自定義編程(UDF)來限定流動(dòng)和燃燒機(jī)理與工況，或者聯(lián)合其它軟件如Chcmkir等來細(xì)化燃燒化學(xué)反應(yīng)。

(1)對(duì)燃?xì)馍镔|(zhì)燃燒機(jī)而言，目前的仿真技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，其得益于燃燒和流動(dòng)理論的成熟，如湍流燃燒理論、湍流擴(kuò)散火焰的K ￡ 驥型、Sp ald ing的E SCIVI_r流燃燒理論、機(jī)率密度函數(shù)的輸運(yùn)方程模型等。

(2)在新型油槍設(shè)計(jì)方面，目前也開始采用CID仿真技術(shù)。油在油槍內(nèi)的流動(dòng)方向、形態(tài)不斷變化，從而造成流動(dòng)可能跨越幾個(gè)流區(qū)，即連續(xù)區(qū)、滑移區(qū)、過渡區(qū)以及自由分子流區(qū)。通常模擬流體流動(dòng)時(shí)根據(jù)努森數(shù)K—吠小決定是否采用連續(xù)假設(shè)或分子假設(shè)。努森數(shù)K r鞍式(2)計(jì)算，即：

KrL入／Lo (2)

式中 入——流體分子平均自由程

L-系統(tǒng)特征長(zhǎng)

判斷方法如下：

若Krt近于零，則采用Eule祛；

KI<Q 001，采用無滑移邊條N- S方程；

Q 001< K1< Q 1采用有滑移邊條N_S方程；

Q 1< K1<10是過渡區(qū)；

10< Kr栗用分子假設(shè)，直接用波爾茲曼方程描述。

對(duì)于以上前三者，可通過傳統(tǒng)連續(xù)介質(zhì)方程加滑移修正得到模擬。

對(duì)于后兩者，傳統(tǒng)模擬方法已無效舊。這里，推薦采用直接模擬蒙特卡羅法D剛C 4]的基于分子運(yùn)動(dòng)理論和統(tǒng)計(jì)規(guī)律的流體計(jì)算方法。它通過分子運(yùn)動(dòng)和碰撞在一定條件下解耦處理，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)流體行為有效模擬。在模擬過程中，每個(gè)粒子代表大量真實(shí)氣體、顆粒，在分子混沌和氣體稀薄假設(shè)條件下，只考慮粒子間二元碰撞‘習(xí)。

(3)對(duì)于燃油燃燒仿真技術(shù)的研究已有一定的發(fā)展。目前的仿真技術(shù)還不能將油槍、生物質(zhì)燃燒機(jī)及鍋爐爐膛三者有機(jī)的聯(lián)合起來模擬，只能先規(guī)定油槍的霧化效果，比如常用的離散相模型（DIM:b規(guī)定霧化顆粒大小及碰撞模式、噴射方向、噴射流量等，然后聯(lián)合鍋爐，并運(yùn)用輸運(yùn)模型和機(jī)率密度函數(shù)(PDF)進(jìn)行燃燒模擬。但是據(jù)筆者經(jīng)驗(yàn)，該類模擬對(duì)計(jì)算機(jī)輔助工程師(CAE)提出了比較高的要求，比如網(wǎng)格處理技術(shù)、噴霧條件設(shè)置等。國(guó)內(nèi)研究只處在定性參考階段。

對(duì)于工程技術(shù)人員而言，只有深刻理解了問題的物理意義，以及問題的實(shí)際情況，同時(shí)很好的掌握上述數(shù)值模擬方法的要領(lǐng)以及適用范圍與條件，才能恰當(dāng)?shù)剡x擇這些軟件為己所用，同時(shí)，也能盡呵能求得較解。

此外，在實(shí)驗(yàn)研究方面，近年