曲凱，徐波，鄭建華，劉坤

生物質(zhì)燃燒機(jī)爐膛結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計＊

曲凱，徐波，鄭建華，劉坤

（臨沂大學(xué) 機(jī)械與車輛工程學(xué)院，山東 臨沂 276005）

針對生物質(zhì)顆粒燃燒率低的問題，分析了燃燒機(jī)的工作原理，根據(jù)影響生物質(zhì)燃燒率的因素，改進(jìn)了爐膛的結(jié)構(gòu)，采用流體仿真軟件，模擬了不同工況下生物質(zhì)顆粒的燃燒過程，確定出高燃燒率的爐膛的幾何尺寸，為生物質(zhì)燃燒機(jī)的生產(chǎn)提供理論依據(jù)。

生物質(zhì)；燃燒機(jī)；爐膛；燃料

1 引言

生物質(zhì)燃料是對農(nóng)林廢棄物的再利用，可以將農(nóng)林廢棄物直接或再加工后進(jìn)行燃燒，是一種環(huán)保型可再生的低碳能源，它具有污染小、再生性、儲量大、清潔環(huán)保的特點(diǎn)，已經(jīng)成為世界上第四大能源。

生物質(zhì)燃燒機(jī)是以生物質(zhì)顆粒為燃料，廣泛應(yīng)用在鍋爐、工業(yè)窯爐、干燥設(shè)備等作為熱源供給，生物質(zhì)燃料在燃燒機(jī)中的燃燒是一種劇烈的放熱和吸熱理化反應(yīng)。

生物質(zhì)燃料在燃燒過程中由于各種因素的影響導(dǎo)致燃燒不充分、燃燒效率低、熱量流失比例高等問題，本項(xiàng)目通過研究生物質(zhì)燃料的燃燒及氮氧化合物排放特性，分析其燃燒機(jī)理與特性，并根據(jù)生物質(zhì)燃燒機(jī)的工作原理，提高燃料的燃燒率，對傳統(tǒng)的生物質(zhì)燃燒機(jī)的爐膛結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造，設(shè)計一種新型的生物質(zhì)燃燒機(jī)的爐膛結(jié)構(gòu)，增加燃燒所需的空氣量；采用流體仿真軟件模擬生物質(zhì)燃料在爐膛內(nèi)的燃燒過程，確定爐膛內(nèi)溫度分布圖，根據(jù)模擬仿真結(jié)果，對爐膛的結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，以達(dá)到最佳輸出熱量，為生物質(zhì)燃燒機(jī)制造企業(yè)提供參考依據(jù)。

2 生物質(zhì)燃燒機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理

生物質(zhì)燃燒機(jī)由于其燃燒的燃料是生物質(zhì)顆粒，具有獨(dú)特的燃燒特性。燃燒機(jī)的主要組成部分為燃料輸送機(jī)構(gòu)、送風(fēng)系統(tǒng)、燃燒系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和排渣機(jī)構(gòu)等，生物質(zhì)燃燒機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 生物質(zhì)燃燒機(jī)的結(jié)構(gòu)

生物質(zhì)燃燒機(jī)的工作過程是顆粒經(jīng)送料機(jī)構(gòu)送入爐膛，經(jīng)高溫點(diǎn)火，顆粒在爐膛中燃燒，釋放出火焰和熱量，同時送風(fēng)系統(tǒng)不斷向爐膛中輸送空氣，生物質(zhì)顆粒在富氧狀態(tài)下燃燒。由于送風(fēng)系統(tǒng)向爐膛中輸送大量的空氣，使得爐膛中的生物質(zhì)顆粒處于懸浮狀態(tài)并且向前流動，從而保證燃料完全燃燒。

本項(xiàng)目與山東省臨沂市木子原熱能科技有限公司合作，在其研發(fā)的生物質(zhì)顆粒燃燒機(jī)基礎(chǔ)上，對燃燒機(jī)的燃燒性能進(jìn)行優(yōu)化，提高生物質(zhì)顆粒的燃燒效率，主要針對影響燃燒效率的燃燒機(jī)爐膛進(jìn)行分析，改善爐膛的結(jié)構(gòu)，通過顆粒燃燒仿真優(yōu)化其尺寸，進(jìn)一步提高顆粒的燃燒效率。

3 生物質(zhì)燃燒機(jī)爐膛優(yōu)化設(shè)計

生物質(zhì)顆粒燃燒主要在爐膛內(nèi)進(jìn)行，爐膛的結(jié)構(gòu)將極大影響顆粒的燃燒效率，如果爐膛內(nèi)的氧氣含量不足或爐膛的尺寸過大，顆粒都將產(chǎn)生不完全燃燒，導(dǎo)致熱量供給不達(dá)標(biāo)。為了保證顆粒在爐膛內(nèi)充分燃燒，增加空氣供給量，首先對爐膛的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，將爐膛設(shè)計成具有內(nèi)壁和外壁的夾層結(jié)構(gòu)，形成送風(fēng)通道，外壁與外界隔離，內(nèi)壁開有通風(fēng)孔，空氣在一定的壓力下通過通風(fēng)孔進(jìn)入爐膛。爐膛外形結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 爐膛的外形結(jié)構(gòu)圖

要使燃料在爐膛內(nèi)充分燃燒，需對通風(fēng)量、爐膛直徑和爐膛長度進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，使用流體仿真軟件對生物質(zhì)顆粒在爐膛內(nèi)的燃燒過程進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果顯示爐膛內(nèi)溫度分布情況。初步設(shè)定爐膛長度為1 000 mm，爐膛直徑285 mm。在流體仿真軟件中建立爐膛模型并進(jìn)行網(wǎng)格劃分，如圖3和圖4所示。

圖3 仿真軟件中的爐膛模型

圖4 結(jié)構(gòu)化網(wǎng)絡(luò)

在仿真過程中，采用非預(yù)混模型模擬生物質(zhì)顆粒的燃燒過程，選用標(biāo)準(zhǔn)k-雙方程湍流模型來模擬湍流運(yùn)動，輻射模型采用P1模型，通風(fēng)量為3.15 Nm3/kg。不同長度下爐膛內(nèi)顆粒燃燒過程中溫度分布如圖5所示，溫度高點(diǎn)處于爐膛中部。調(diào)整爐膛的長度為1 200 mm和800 mm，由仿真結(jié)果可知，當(dāng)長度為1 200 mm時，爐膛內(nèi)溫度分布擴(kuò)散，不集中，當(dāng)長度變短為800 mm，溫度比較集中，主要分布于爐膛的出口位置。因此，800 mm為爐膛合理長度尺寸。

圖5 不同長度下溫度分布情況

在爐膛長度為800 mm的條件下，改變爐膛的直徑，進(jìn)行燃燒過程仿真。仿真中將爐膛的直徑修改為270 mm，將其與原始直徑285 mm相比較，仿真結(jié)果如圖6所示。通過溫度分布對比可知，直徑為270 mm爐膛內(nèi)火焰局部高溫區(qū)域小于280 mm，但溫度速度流場分布更加均勻，火焰噴射射程遠(yuǎn)，供火力度強(qiáng)。

圖6 不同直徑下溫度分布情況

4 結(jié)論

作為節(jié)能環(huán)保型的生物質(zhì)燃燒機(jī)，燃燒效率是衡量其性能的重要指標(biāo)之一，如何提高燃燒機(jī)的燃燒效率成為生物質(zhì)燃燒機(jī)設(shè)計的重點(diǎn)內(nèi)容。影響顆粒燃燒效率的因素主要有空氣量、爐膛的結(jié)構(gòu)、顆粒的特性等，本文主要對爐膛結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計進(jìn)行研究，對在一定通風(fēng)量下不同爐膛長度和直徑的顆粒燃燒過程進(jìn)行了流體仿真，得出燃燒過程溫度分布圖，通過分析火焰燃燒的溫度分布位置，進(jìn)一步明確了顆粒最佳燃燒情況下的爐膛的長度和直徑，為生物質(zhì)燃燒機(jī)的設(shè)計和生產(chǎn)提供理論支持。

［1］羅娟，侯書林，趙立欣，等.生物質(zhì)顆粒燃料燃燒設(shè)備的研究進(jìn)展［J］.可再生能源，2009，27（6）：90-95.

［2］田仲富，王述洋，曹有為.生物質(zhì)燃料燃燒機(jī)理及影響其燃燒的因素分析［J］.安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2014，42（2）：541-543.

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TK229.6

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.13.048

2095－6835（2020）13－0119－02

山東省大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目（編號：201910452065）

曲凱（1999—），男，山東青島人，本科，研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計制造及自動化。

徐波（1975—），男，山東青島人，研究生，講師，研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計。

〔編輯：張思楠〕