工业生物质燃烧机的研究现状

摘要：介绍了工业燃油燃气生物质燃烧机的特点，目前的技术水平和存在的问题，着重阐述了国外先进的节能低排放生物质燃烧机的研究现状以及今后的研究方向。

0前言

工业生物质燃烧机是一种将燃料和助燃空气进行混合燃烧的锅炉配套附机，衡量性能指标是排放、能效、性和使用寿命等。北京、上海等城市早已经明确工业锅炉不允许燃煤，而且对生物质燃烧机的排放要求也逐年提高。目前中国每年工业生物质燃烧机有上百亿市场，但几乎被欧美等燃娆器厂家所垄断。随着耗资200亿美元的西气东输工程的深入，俄罗斯、哈萨克斯坦、澳洲等燃油、气的输入，东海和南海油田气的开发，青海350亿吨油当量的可燃冰的发现，国内超过40万亿立方米可开采近百年的天然气储量的确定，国家节能减排政策的实施，我国生物质燃烧机产业必将迎来新一轮的大发展。

1生物质燃烧机类别和应用

L 1按燃料分类

工业用生物质燃烧机根据燃料不同，可以分为燃气燃烧器、燃油生物质燃烧机和燃煤生物质燃烧机等三大类。本文主要指燃气和燃油生物质燃烧机‘”。

1.1. 1燃气生物质燃烧机

燃气生物质燃烧机燃用的气体燃料是由若干可燃气体、不可燃气体以及水蒸气等组成的混合气体。如：天然气、高炉煤气、发生炉煤气、炼焦炉煤气以及一些特殊的∞H等可燃气体。国内外对气体燃烧器已经有较好的研究，特别是天然气、I_PG生物质燃烧机，技术已经相对比较成熟。但是，国内生物质燃烧机还存在着一些不足：由于在大功率生物质燃烧机(20 MW以上)上研发不足、研发投入少，使得燃烧不充分，过量空气系数过大，NO。和∞等排放大，能耗高，性能有所欠缺。故而该市场仍然被欧美等生物质燃烧机厂冢垄断，其大功率燃气生物质燃烧机NCI排放已经可以做到1Q 25 mg/n/ CI示态）(5 ppm)以下。

过量空气系数Q是锅炉运行中非常重要的指标之一。随着a的增大，烟气量增加，排烟热损失同步增加，同时也使得风机电耗增加。但如果a太小，则不能保证完全燃烧，产生过多的∞气体不完全燃烧损失增大且易引起锅炉喘震。因此要求在保证完全燃烧的前提下，应尽量降低过量空气系数。前，先进的生物质燃烧机厂家已经能将气体生物质燃烧机的过量空气系数降低到L 02左右，且保持燃烧稳定。

此外，调节比也是用户比较关注的。目前，燃气生物质燃烧机可以做到20：1的高调节比。这就为新锅炉的烘炉煮炉提供了方便。

1．L 2燃油生物质燃烧机

锅炉用燃料油主要是原油炼制过程中的产品：轻油、重油以及渣油等。燃油锅炉中，燃油经雾化喷入炉膛和空气混合，并被点燃后着火燃烧。试验证明[21，油滴燃烧完所需要的时间和它的直径平方成正比，即

r—d 2／K(1)式中 d——油滴直径

K-燃烧速度常数

燃烧速度常数主要取决于燃料性质。重油和轻。生物质燃烧机技术。油的燃烧有很大区别，但均符合式(1)的规律，所不同的是，对于重油，油滴被包围在火焰内部而得不到氧气，重油会热分解产生油焦，油焦还将继续燃烧。由于有焦粒产生，使重油的燃烧时间延长，为了使它能完全燃烧，应当保证火焰尾部有足够的温度，并且供给足够的氧气。

可见，雾化油粒的大小是燃烧质量高低的关键因素之一。目前对燃油锅炉允许的油滴直径还没有一个一致的看法，一般倾向于尽可能地改善雾化质量。为了实现低过量空气系数燃烧，必须使油雾和空气混合得很均匀，此时希望能将平均油滴直径减小到100弘m以下。而欧美等先进生物质燃烧机雾化重油的平均油滴可达到50 Vm左右。

燃油生物质燃烧机采用的雾化器主要有以下几类：

(1)卡几械式雾化器：也叫离心式雾化器或者压力式雾化器。油雾从雾化器的喷出速度可达到100 m／芦主要应用于轻油；现在也有将重油加热后使用机械雾化油枪的生物质燃烧机，但是功率不大。一般而言，该类雾化器出力不大，否则的话就要求采用很高的油压，对油系统的制造和维护带来很大困难。虽然该类雾化器技术已经非常成熟，用户只要根据需要选型就可以，但是，目前还很难通过理论方法较准确计算雾化器的霉化质量。

(2)转杯式雾化器：油经过高速旋转(3000～6000 rlmin)的旋转杯的内壁，在离心力作用下，油从旋转杯四周甩出而雾化。由于它是一个高速旋转的部件，制造和运行都较复杂，目前己较少使用。

(3)介质辅助雾化器：有空气式雾化器和蒸汽式雾化器两种。空气式雾化器一般要求油品的粘度相对较小；而蒸汽式雾化器可使得粘度较大的油品较好地雾化，特别是蒸汽机械式雾化器，气耗率可达到Q 03 k9/k9左右，它要求的油压相对也较低，调节比可达到15：l目前广泛应用于各类锅炉上，单枪流量已经达到12 tr/h这对生物质燃烧机配风提出了的要求。一般而言，采用雾化角适当大一些的雾化器对燃烧有利，对于平流式调风器也是如此而油雾化器的雾化角应大于气流的扩散角。油雾穿透风层的能力除了和雾化角有关外，还和油滴的粗细、油雾的喷射速度、风层的厚度以及风速、动量等因素有关。

L2按配风形式分类

按配风形式生物质燃烧机可分为直流生物质燃烧机、平流燃烧器和漩流生物质燃烧机。

直流生物质燃烧机一般功率不大，大约在14 MW以下，且在丌型锅炉的四角布置中有着广泛应用。漩流生物质燃烧机能够依靠自身的回流区保持稳定着火，着火性能较好，但是漩流要消耗能量，因此应刍使调风器有一个适当的漩流强度，漩流过分强烈反而不利。而平流式生物质燃烧机则综合利用了这两种气流的特点，中心一小部分气流是旋转的，可以产生回流区，在外层大部分气流是直流的，衰减较慢，有利于后期混合。大出力油枪一般应用在平流生物质燃烧机和漩流燃烧器。

L3按燃料和空气的混合分类

按燃料和空气的混合可分为非预混式、预混式和部分预混式生物质燃烧机。

非预混式生物质燃烧机又叫扩散式生物质燃烧机，燃料喷头喷出单一的燃气，燃烧过程中的火焰不会回窜入喷口内，所以生物质燃烧机和燃气供应系统中不会发生回火和爆炸目前市场上以该类生物质燃烧机为主流。但是，在燃烧碳氢含量较高的气体燃料时，常因还未来得及和氧相互混合就受热分解，形成难以燃尽的细微炭粒，使烟囱冒黑烟，并排放未燃烧完全的气体使环境受到污染。一般为了在较短的距离内使燃气与空气尽快均匀混厶，采取多股高压的形式，气流扰动程度很大，虽然生物质燃烧机的主气流没有旋转，但空气仍能很好的与燃气混合。

部分预混式生物质燃烧机与扩散式生物质燃烧机相比，火焰短，火力强，燃烧温度高。

全预混式生物质燃烧机过量空气系数小(a-1. 01～1.1)，燃烧效率高，火焰短。但是它发生回火的可能性较大，负荷调节范围小，一般只限于小功率。

2生物质燃烧机研究现状以及令后研究方向

2 1研究现状

传统的生物质燃烧机设计上均采用理论计算和试验相结合的方法。上世纪五六十年代起，我国各大锅炉厂就依托前苏联资料进行了生物质燃烧机设计的理论研究和推广。纯理论计算的误差一般较大，但是对于较大功率生物质燃烧机而言，如50 MW以上的生物质燃烧机，用试验的方式需耗费大量的人力物力和财力，而且整个设计周期比较长。上世纪九十年代初，一些国外厂家便采用数值模拟( CFD)来优化设计，如美国是走在比较前面的国家，生物质燃烧机厂家早与美国航天局合作，利用仿真技术为生物质燃烧机设计提供支持，从而大大减少了设计周期，提高了市场竞争力。特别是一些生物质燃烧机厂家更是与CFD软件公司合作开发了适合自己的仿真软件，并通过试验及市场应用验证，其仿真总体误差能控制在5%以内。

商用软件上，各大软件如Fluent CFX等都能对燃烧进行模拟。而今ANSYS公司更是推出了三大软件流固耦合平台。商用软件一般都留有一些辅助接口可供选择使用，如用户需要可以自定义编程(UDF)来限定流动和燃烧机理与工况，或者联合其它软件如Chcmkir等来细化燃烧化学反应。

(1)对燃气生物质燃烧机而言，目前的仿真技术已经相当成熟，其得益于燃烧和流动理论的成熟，如湍流燃烧理论、湍流扩散火焰的K ￡ 骥型、Sp ald ing的E SCIVI_r流燃烧理论、机率密度函数的输运方程模型等。

(2)在新型油枪设计方面，目前也开始采用CID仿真技术。油在油枪内的流动方向、形态不断变化，从而造成流动可能跨越几个流区，即连续区、滑移区、过渡区以及自由分子流区。通常模拟流体流动时根据努森数K—吠小决定是否采用连续假设或分子假设。努森数K r鞍式(2)计算，即：

KrL入／Lo (2)

式中 入——流体分子平均自由程

L-系统特征长

判断方法如下：

若Krt近于零，则采用Eule祛；

KI<Q 001，采用无滑移边条N- S方程；

Q 001< K1< Q 1采用有滑移边条N_S方程；

Q 1< K1<10是过渡区；

10< Kr栗用分子假设，直接用波尔兹曼方程描述。

对于以上前三者，可通过传统连续介质方程加滑移修正得到模拟。

对于后两者，传统模拟方法已无效旧。这里，推荐采用直接模拟蒙特卡罗法D刚C 4]的基于分子运动理论和统计规律的流体计算方法。它通过分子运动和碰撞在一定条件下解耦处理，从而实现对流体行为有效模拟。在模拟过程中，每个粒子代表大量真实气体、颗粒，在分子混沌和气体稀薄假设条件下，只考虑粒子间二元碰撞‘习。

(3)对于燃油燃烧仿真技术的研究已有一定的发展。目前的仿真技术还不能将油枪、生物质燃烧机及锅炉炉膛三者有机的联合起来模拟，只能先规定油枪的雾化效果，比如常用的离散相模型（DIM:b规定雾化颗粒大小及碰撞模式、喷射方向、喷射流量等，然后联合锅炉，并运用输运模型和机率密度函数(PDF)进行燃烧模拟。但是据笔者经验，该类模拟对计算机辅助工程师(CAE)提出了比较高的要求，比如网格处理技术、喷雾条件设置等。国内研究只处在定性参考阶段。

对于工程技术人员而言，只有深刻理解了问题的物理意义，以及问题的实际情况，同时很好的掌握上述数值模拟方法的要领以及适用范围与条件，才能恰当地选择这些软件为己所用，同时，也能尽呵能求得较解。

此外，在实验研究方面，近年