工業(yè)用生物燃油燃燒機(jī)的設(shè)計(jì)理論及實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、能源作為人們?nèi)粘Ｉ?、社?huì)文明進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主要物質(zhì)基礎(chǔ)，隨著人們的過(guò)度開(kāi)采，石油、煤炭、天然氣等資源越來(lái)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(guó)不僅能源消耗巨大，而且能源利用率低、能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)失衡，使得環(huán)境污染嚴(yán)重，據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前我國(guó)二氧化碳的排放總量?jī)H次于美國(guó)居世界第二位，二氧化硫的排放量居世界第一，而我國(guó)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(lái)自化石燃料的燃燒。為了減緩能

2、源危機(jī)和環(huán)境污染，人們開(kāi)始尋找開(kāi)發(fā)利用新型能源。生物質(zhì)能作為一種清潔無(wú)污染的能源，被很多國(guó)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(guó)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(huì)帶來(lái)很多不利影響，而生物燃油卻缺少專(zhuān)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(guó)家863項(xiàng)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

3、依托，收集和查閱了國(guó)內(nèi)外有關(guān)燃油燃燒機(jī)的大量文獻(xiàn)、資料，并對(duì)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(shí)驗(yàn)室前期的相關(guān)研究成果和經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)一種適用生物燃油燃燒的燃燒機(jī)，具有重大實(shí)際經(jīng)濟(jì)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(guò)對(duì)玉米秸稈而制取的生物燃油的性能實(shí)驗(yàn)，對(duì)生物燃油粘性、閃點(diǎn)、密度、水分等特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，并與柴油的特性進(jìn)行比較。在生物燃油性能實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)

4、上，利用Zeldovich燃燒理論、熱理論對(duì)生物燃油的燃燒過(guò)程、燃燒基本理論、火焰?zhèn)鞑ダ碚撨M(jìn)行分析，并對(duì)生物燃油燃燒熱動(dòng)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(dòng)力學(xué)機(jī)理特性，為生物燃油的燃燒特性研究提供了理論依據(jù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:該生物燃油的燃燒可分為三個(gè)階段，即輕組分揮發(fā)、重組分裂解和焦炭燃燒。
　　對(duì)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(duì)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(duì)其霧化特

5、性產(chǎn)生影響的參數(shù)進(jìn)行了分析。同時(shí)，對(duì)生物燃油燃燒所需的理論空氣量和實(shí)際空氣量進(jìn)行了理論計(jì)算，得出實(shí)際空氣量V應(yīng)為6.37 Nm3/kg，為后續(xù)燃燒機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)做前期準(zhǔn)備。
　　本文以能夠?yàn)槟戤a(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(jī)為依據(jù)，對(duì)生物燃油燃燒機(jī)進(jìn)行了理論研究和設(shè)計(jì)，重點(diǎn)對(duì)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(jì)。通過(guò)計(jì)算得到了生物燃油燃燒機(jī)的噴嘴直徑為4.59mm，霧化角度為98°，為達(dá)到設(shè)計(jì)要求為該燃燒機(jī)

6、配備了四個(gè)可同時(shí)進(jìn)行噴油霧化的噴嘴，同時(shí)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(duì)生物燃油燃燒機(jī)霧化和燃燒過(guò)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(guò)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(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。燃燒

7、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(shí)，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(shí)也提高了燃燒效率。
　　最后，對(duì)本文所設(shè)計(jì)的生物燃油燃燒機(jī)樣機(jī)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，通過(guò)噴霧性能實(shí)驗(yàn)，確定了噴嘴結(jié)構(gòu)、噴射壓力，并根據(jù)生物燃油溫度對(duì)噴霧過(guò)程的影響，確定了最佳噴嘴直徑、噴射壓力和燃油溫度。通過(guò)生物燃油燃燒機(jī)燃燒和優(yōu)化控制實(shí)驗(yàn)，分析了旋流強(qiáng)