工業(yè)生物質燃燒機的研究現(xiàn)狀

摘要：介紹了工業(yè)燃油燃氣生物質燃燒機的特點，目前的技術水平和存在的問題，著重闡述了國外先進的節(jié)能低排放生物質燃燒機的研究現(xiàn)狀以及今后的研究方向。

0前言

工業(yè)生物質燃燒機是一種將燃料和助燃空氣進行混合燃燒的鍋爐配套附機，衡量性能指標是排放、能效、性和使用壽命等。北京、上海等城市早已經明確工業(yè)鍋爐不允許燃煤，而且對生物質燃燒機的排放要求也逐年提高。目前中國每年工業(yè)生物質燃燒機有上百億市場，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350億噸油當量的可燃冰的發(fā)現(xiàn)，國內超過40萬億立方米可開采近百年的天然氣儲量的確定，國家節(jié)能減排政策的實施，我國生物質燃燒機產業(yè)必將迎來新一輪的大發(fā)展。

1生物質燃燒機類別和應用

L 1按燃料分類

工業(yè)用生物質燃燒機根據(jù)燃料不同，可以分為燃氣燃燒器、燃油生物質燃燒機和燃煤生物質燃燒機等三大類。本文主要指燃氣和燃油生物質燃燒機‘”。

1.1. 1燃氣生物質燃燒機

燃氣生物質燃燒機燃用的氣體燃料是由若干可燃氣體、不可燃氣體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、煉焦爐煤氣以及一些特殊的∞H等可燃氣體。國內外對氣體燃燒器已經有較好的研究，特別是天然氣、I_PG生物質燃燒機，技術已經相對比較成熟。但是，國內生物質燃燒機還存在著一些不足：由于在大功率生物質燃燒機(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。故而該市場仍然被歐美等生物質燃燒機廠冢壟斷，其大功率燃氣生物質燃燒機NCI排放已經可以做到1Q 25 mg/n/ CI示態(tài)）(5 ppm)以下。

過量空氣系數(shù)Q是鍋爐運行中非常重要的指標之一。隨著a的增大，煙氣量增加，排煙熱損失同步增加，同時也使得風機電耗增加。但如果a太小，則不能保證完全燃燒，產生過多的∞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，應盡量降低過量空氣系數(shù)。前，先進的生物質燃燒機廠家已經能將氣體生物質燃燒機的過量空氣系數(shù)降低到L 02左右，且保持燃燒穩(wěn)定。

此外，調節(jié)比也是用戶比較關注的。目前，燃氣生物質燃燒機可以做到20：1的高調節(jié)比。這就為新鍋爐的烘爐煮爐提供了方便。

1．L 2燃油生物質燃燒機

鍋爐用燃料油主要是原油煉制過程中的產品：輕油、重油以及渣油等。燃油鍋爐中，燃油經霧化噴入爐膛和空氣混合，并被點燃后著火燃燒。試驗證明[21，油滴燃燒完所需要的時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。重油和輕。生物質燃燒機技術。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，對于重油，油滴被包圍在火焰內部而得不到氧氣，重油會熱分解產生油焦，油焦還將繼續(xù)燃燒。由于有焦粒產生，使重油的燃燒時間延長，為了使它能完全燃燒，應當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量高低的關鍵因素之一。目前對燃油鍋爐允許的油滴直徑還沒有一個一致的看法，一般傾向于盡可能地改善霧化質量。為了實現(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，此時希望能將平均油滴直徑減小到100弘m以下。而歐美等先進生物質燃燒機霧化重油的平均油滴可達到50 Vm左右。

燃油生物質燃燒機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到100 m／蘆主要應用于輕油；現(xiàn)在也有將重油加熱后使用機械霧化油槍的生物質燃燒機，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，對油系統(tǒng)的制造和維護帶來很大困難。雖然該類霧化器技術已經非常成熟，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確計算霧化器的霉化質量。

(2)轉杯式霧化器：油經過高速旋轉(3000～6000 rlmin)的旋轉杯的內壁，在離心力作用下，油從旋轉杯四周甩出而霧化。由于它是一個高速旋轉的部件，制造和運行都較復雜，目前己較少使用。

(3)介質輔助霧化器：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，特別是蒸汽機械式霧化器，氣耗率可達到Q 03 k9/k9左右，它要求的油壓相對也較低，調節(jié)比可達到15：l目前廣泛應用于各類鍋爐上，單槍流量已經達到12 tr/h這對生物質燃燒機配風提出了的要求。一般而言，采用霧化角適當大一些的霧化器對燃燒有利，對于平流式調風器也是如此而油霧化器的霧化角應大于氣流的擴散角。油霧穿透風層的能力除了和霧化角有關外，還和油滴的粗細、油霧的噴射速度、風層的厚度以及風速、動量等因素有關。

L2按配風形式分類

按配風形式生物質燃燒機可分為直流生物質燃燒機、平流燃燒器和漩流生物質燃燒機。

直流生物質燃燒機一般功率不大，大約在14 MW以下，且在丌型鍋爐的四角布置中有著廣泛應用。漩流生物質燃燒機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，因此應芻使調風器有一個適當?shù)匿隽鲝姸?，漩流過分強烈反而不利。而平流式生物質燃燒機則綜合利用了這兩種氣流的特點，中心一小部分氣流是旋轉的，可以產生回流區(qū)，在外層大部分氣流是直流的，衰減較慢，有利于后期混合。大出力油槍一般應用在平流生物質燃燒機和漩流燃燒器。

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混式、預混式和部分預混式生物質燃燒機。

非預混式生物質燃燒機又叫擴散式生物質燃燒機，燃料噴頭噴出單一的燃氣，燃燒過程中的火焰不會回竄入噴口內，所以生物質燃燒機和燃氣供應系統(tǒng)中不會發(fā)生回火和爆炸目前市場上以該類生物質燃燒機為主流。但是，在燃燒碳氫含量較高的氣體燃料時，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使燃氣與空氣盡快均勻混厶，采取多股高壓的形式，氣流擾動程度很大，雖然生物質燃燒機的主氣流沒有旋轉，但空氣仍能很好的與燃氣混合。

部分預混式生物質燃燒機與擴散式生物質燃燒機相比，火焰短，火力強，燃燒溫度高。

全預混式生物質燃燒機過量空氣系數(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，負荷調節(jié)范圍小，一般只限于小功率。

2生物質燃燒機研究現(xiàn)狀以及令后研究方向

2 1研究現(xiàn)狀

傳統(tǒng)的生物質燃燒機設計上均采用理論計算和試驗相結合的方法。上世紀五六十年代起，我國各大鍋爐廠就依托前蘇聯(lián)資料進行了生物質燃燒機設計的理論研究和推廣。純理論計算的誤差一般較大，但是對于較大功率生物質燃燒機而言，如50 MW以上的生物質燃燒機，用試驗的方式需耗費大量的人力物力和財力，而且整個設計周期比較長。上世紀九十年代初，一些國外廠家便采用數(shù)值模擬( CFD)來優(yōu)化設計，如美國是走在比較前面的國家，生物質燃燒機廠家早與美國航天局合作，利用仿真技術為生物質燃燒機設計提供支持，從而大大減少了設計周期，提高了市場競爭力。特別是一些生物質燃燒機廠家更是與CFD軟件公司合作開發(fā)了適合自己的仿真軟件，并通過試驗及市場應用驗證，其仿真總體誤差能控制在5%以內。

商用軟件上，各大軟件如Fluent CFX等都能對燃燒進行模擬。而今ANSYS公司更是推出了三大軟件流固耦合平臺。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)來限定流動和燃燒機理與工況，或者聯(lián)合其它軟件如Chcmkir等來細化燃燒化學反應。

(1)對燃氣生物質燃燒機而言，目前的仿真技術已經相當成熟，其得益于燃燒和流動理論的成熟，如湍流燃燒理論、湍流擴散火焰的K ￡ 驥型、Sp ald ing的E SCIVI_r流燃燒理論、機率密度函數(shù)的輸運方程模型等。

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

KrL入／Lo (2)

式中 入——流體分子平均自由程

L-系統(tǒng)特征長

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，直接用波爾茲曼方程描述。

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

對于后兩者，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]的基于分子運動理論和統(tǒng)計規(guī)律的流體計算方法。它通過分子運動和碰撞在一定條件下解耦處理，從而實現(xiàn)對流體行為有效模擬。在模擬過程中，每個粒子代表大量真實氣體、顆粒，在分子混沌和氣體稀薄假設條件下，只考慮粒子間二元碰撞‘習。

(3)對于燃油燃燒仿真技術的研究已有一定的發(fā)展。目前的仿真技術還不能將油槍、生物質燃燒機及鍋爐爐膛三者有機的聯(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，并運用輸運模型和機率密度函數(shù)(PDF)進行燃燒模擬。但是據(jù)筆者經驗，該類模擬對計算機輔助工程師(CAE)提出了比較高的要求，比如網(wǎng)格處理技術、噴霧條件設置等。國內研究只處在定性參考階段。

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

此外，在實驗研究方面，近年