生物質燃燒機爐膛結構優化設計＊

曲凱，徐波，鄭建華，劉坤

生物質燃燒機爐膛結構優化設計＊

曲凱，徐波，鄭建華，劉坤

（臨沂大學 機械與車輛工程學院，山東 臨沂 276005）

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

生物質；燃燒機；爐膛；燃料

1 引言

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

生物質燃燒機是以生物質顆粒為燃料，廣泛應用在鍋爐、工業窯爐、干燥設備等作為熱源供給，生物質燃料在燃燒機中的燃燒是一種劇烈的放熱和吸熱理化反應。

生物質燃料在燃燒過程中由于各種因素的影響導致燃燒不充分、燃燒效率低、熱量流失比例高等問題，本項目通過研究生物質燃料的燃燒及氮氧化合物排放特性，分析其燃燒機理與特性，并根據生物質燃燒機的工作原理，提高燃料的燃燒率，對傳統的生物質燃燒機的爐膛結構進行改造，設計一種新型的生物質燃燒機的爐膛結構，增加燃燒所需的空氣量；采用流體仿真軟件模擬生物質燃料在爐膛內的燃燒過程，確定爐膛內溫度分布圖，根據模擬仿真結果，對爐膛的結構尺寸進行優化設計，以達到最佳輸出熱量，為生物質燃燒機制造企業提供參考依據。

2 生物質燃燒機結構及工作原理

生物質燃燒機由于其燃燒的燃料是生物質顆粒，具有獨特的燃燒特性。燃燒機的主要組成部分為燃料輸送機構、送風系統、燃燒系統、控制系統和排渣機構等，生物質燃燒機的結構如圖1所示。

圖1 生物質燃燒機的結構

生物質燃燒機的工作過程是顆粒經送料機構送入爐膛，經高溫點火，顆粒在爐膛中燃燒，釋放出火焰和熱量，同時送風系統不斷向爐膛中輸送空氣，生物質顆粒在富氧狀態下燃燒。由于送風系統向爐膛中輸送大量的空氣，使得爐膛中的生物質顆粒處于懸浮狀態并且向前流動，從而保證燃料完全燃燒。

本項目與山東省臨沂市木子原熱能科技有限公司合作，在其研發的生物質顆粒燃燒機基礎上，對燃燒機的燃燒性能進行優化，提高生物質顆粒的燃燒效率，主要針對影響燃燒效率的燃燒機爐膛進行分析，改善爐膛的結構，通過顆粒燃燒仿真優化其尺寸，進一步提高顆粒的燃燒效率。

3 生物質燃燒機爐膛優化設計

生物質顆粒燃燒主要在爐膛內進行，爐膛的結構將極大影響顆粒的燃燒效率，如果爐膛內的氧氣含量不足或爐膛的尺寸過大，顆粒都將產生不完全燃燒，導致熱量供給不達標。為了保證顆粒在爐膛內充分燃燒，增加空氣供給量，首先對爐膛的結構進行了改進，將爐膛設計成具有內壁和外壁的夾層結構，形成送風通道，外壁與外界隔離，內壁開有通風孔，空氣在一定的壓力下通過通風孔進入爐膛。爐膛外形結構如圖2所示。

圖2 爐膛的外形結構圖

要使燃料在爐膛內充分燃燒，需對通風量、爐膛直徑和爐膛長度進行優化設計，使用流體仿真軟件對生物質顆粒在爐膛內的燃燒過程進行仿真，仿真結果顯示爐膛內溫度分布情況。初步設定爐膛長度為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行網格劃分，如圖3和圖4所示。

圖3 仿真軟件中的爐膛模型

圖4 結構化網絡

在仿真過程中，采用非預混模型模擬生物質顆粒的燃燒過程，選用標準k-雙方程湍流模型來模擬湍流運動，輻射模型采用P1模型，通風量為3.15 Nm3/kg。不同長度下爐膛內顆粒燃燒過程中溫度分布如圖5所示，溫度高點處于爐膛中部。調整爐膛的長度為1 200 mm和800 mm，由仿真結果可知，當長度為1 200 mm時，爐膛內溫度分布擴散，不集中，當長度變短為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，仿真結果如圖6所示。通過溫度分布對比可知，直徑為270 mm爐膛內火焰局部高溫區域小于280 mm，但溫度速度流場分布更加均勻，火焰噴射射程遠，供火力度強。

圖6 不同直徑下溫度分布情況

4 結論

作為節能環保型的生物質燃燒機，燃燒效率是衡量其性能的重要指標之一，如何提高燃燒機的燃燒效率成為生物質燃燒機設計的重點內容。影響顆粒燃燒效率的因素主要有空氣量、爐膛的結構、顆粒的特性等，本文主要對爐膛結構的優化設計進行研究，對在一定通風量下不同爐膛長度和直徑的顆粒燃燒過程進行了流體仿真，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，為生物質燃燒機的設計和生產提供理論支持。

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［3］郭軍華，高海宇.基于Fluent的預混燃燒分析［J］.現代制造技術與裝備，2017（3）：24-28.

TK229.6

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.13.048

2095－6835（2020）13－0119－02

山東省大學生創新訓練項目（編號：201910452065）

曲凱（1999—），男，山東青島人，本科，研究方向為機械設計制造及自動化。

徐波（1975—），男，山東青島人，研究生，講師，研究方向為機械設計。

〔編輯：張思楠〕