生物質(zhì)液體燃料霧化蒸發(fā)燃燒實(shí)驗(yàn)平臺的搭建及應(yīng)用

李法社 王 霜 劉慧利 呂順利 陳 勇 李 博

昆明理工大學(xué) 云南昆明 650093

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是高等學(xué)校教學(xué)工作的重要組成部分，通過實(shí)驗(yàn)可以培養(yǎng)學(xué)生的動手能力、分析和解決問題的能力、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)乃季S方式及科學(xué)態(tài)度[1,2]。依據(jù)能動專業(yè)教學(xué)需求，基于省部共建復(fù)雜有色金屬資源清潔利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究項(xiàng)目，針對生物質(zhì)液體燃料已被世界公認(rèn)為“綠色燃料”，是最有潛力替代常規(guī)汽油、柴油的清潔燃料的現(xiàn)狀，為解決生物質(zhì)液體燃料存在黏度大、霧化不完全、霧化顆粒大、燃燒不完全以及燃燒效率低等問題，設(shè)計了集教學(xué)研究、科學(xué)探索、實(shí)驗(yàn)于一體的生物質(zhì)液體燃料霧化蒸發(fā)燃燒實(shí)驗(yàn)平臺，實(shí)用性強(qiáng)，操作簡便，同時結(jié)合平面激光誘導(dǎo)熒光燃燒火焰檢測技術(shù)(Planer Laser Induced Fluorescence，PLIF)開展綜合性、設(shè)計性實(shí)驗(yàn)，研究火焰特性，教學(xué)效果顯著。國內(nèi)沒有這一技術(shù)開發(fā)成實(shí)驗(yàn)教學(xué)的相關(guān)報道，論文工作在補(bǔ)充這一方面空白的同時，也為研究型和探究型實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的開設(shè)創(chuàng)造條件[3,4]。

1 設(shè)計及搭建過程

1.1 設(shè)計方案

本實(shí)驗(yàn)平臺以生物質(zhì)液體燃料為研究對象，用于能動專業(yè)課程教學(xué)，霧化采用對沖霧化為主、二次風(fēng)經(jīng)過含有內(nèi)螺旋結(jié)構(gòu)的霧化燃燒器二次噴吹破碎霧化為輔的方式，其產(chǎn)生的霧粒均勻且顆粒又細(xì)，霧化效果好，大幅度提高了霧化效果，在霧化燃燒器出口直接點(diǎn)燃進(jìn)行燃燒，一次風(fēng)系統(tǒng)提供主要助燃?xì)怏w，二次風(fēng)系統(tǒng)提供主要霧化介質(zhì)與霧化動力。

1.2 實(shí)驗(yàn)平臺組成

生物質(zhì)液體燃料霧化蒸發(fā)燃燒實(shí)驗(yàn)平臺(如圖1所示)，包括燃料系統(tǒng)、供氣系統(tǒng)、載氣系統(tǒng)、霧化蒸發(fā)系統(tǒng)和燃燒器，燃料系統(tǒng)包括燃料注射泵以及液體加熱器。供氣系統(tǒng)包括由空氣壓縮機(jī)、流量計構(gòu)成的空氣氣路，由氧氣瓶、流量計構(gòu)成的氧氣氣路，以及混氣瓶、氣體加熱器；載氣系統(tǒng)包括空氣瓶、流量計、氣體加熱器；霧化蒸發(fā)系統(tǒng)包括液體噴吹針頭、氣體噴吹針頭1、氣體噴吹針頭2、霧化蒸發(fā)腔體、陶瓷加熱器和測溫?zé)犭娕肌?/p>

圖1 生物質(zhì)液體燃料霧化蒸發(fā)燃燒實(shí)驗(yàn)平臺系統(tǒng)圖

1.2.1 燃料系統(tǒng)

燃料系統(tǒng)中植物油脂或生物油通過燃料注射泵經(jīng)管道輸送到液體加熱器中，液體加熱器出口通過保溫管路連接液體噴吹針頭。

1.2.2 供氣系統(tǒng)

供氣系統(tǒng)中空氣依次經(jīng)空氣壓縮機(jī)、調(diào)壓閥、流量計連接混氣瓶入口，氧氣瓶依次經(jīng)調(diào)壓閥、流量計連接混氣瓶入口，混氣瓶出口與氣體加熱器連接，氣體加熱器出口通過三通閥分為兩路，一路依次通過保溫管路連接氣體噴吹針頭2，另一路依次連接保溫管路、三通閥后再分為兩路，通過保溫管路后連接燃燒器外環(huán)圓形套筒兩端。

1.2.3 載氣系統(tǒng)

載氣系統(tǒng)中空氣瓶依次通過調(diào)壓閥、流量計、氣體加熱器，通過保溫管路連接氣體噴吹針頭1。

1.2.4 霧化蒸發(fā)系統(tǒng)

霧化蒸發(fā)系統(tǒng)中霧化蒸發(fā)腔體設(shè)有液體噴吹針頭、氣體噴吹針頭1和氣體噴吹針頭2，霧化蒸發(fā)腔體上部還設(shè)有測溫?zé)犭娕?，霧化蒸發(fā)腔體上方出口連接至燃燒器入口，霧化蒸發(fā)腔體外圍包裹有陶瓷加熱器進(jìn)行輔助加熱。霧化蒸發(fā)腔體中液體噴吹針頭出口依次和氣體噴吹針頭1出口形成90 °。

1.2.5 燃燒器

燃燒器兩端入口通入熱空氣或空氣與氧氣混合氣，通過在燃料出口處的同軸射流保護(hù)氣向上托舉火焰，使火焰穩(wěn)定，不受外界干擾。

1.3 運(yùn)行原理

燃料裝置將植物油脂或生物油加熱后通入到霧化蒸發(fā)系統(tǒng)中；供氣系統(tǒng)提供的加熱空氣為霧化蒸發(fā)系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)熱，并通過陶瓷加熱器輔助加熱，供氣系統(tǒng)提供的空氣和氧氣混合氣體為燃燒器提供助燃?xì)?；載氣系統(tǒng)中的空氣經(jīng)升溫和調(diào)壓后通入到霧化蒸發(fā)系統(tǒng)中將植物油脂或生物油霧化蒸發(fā)形成氣體，氣體通入燃燒器中，在助燃?xì)庀氯紵?/p>

1.4 解決問題

(1)霧化腔體在高溫時不易變形，強(qiáng)度高。

(2)實(shí)驗(yàn)教學(xué)時，為了保證實(shí)驗(yàn)安全，避免溫度、壓力過高，霧化燃燒腔體采用高溫高壓材料制成。

(3)查閱相關(guān)文獻(xiàn)，氣流方向與燃料進(jìn)樣方向呈90 °，霧化效果達(dá)到最佳；因此兩側(cè)液體噴吹針呈180 °并與一次風(fēng)噴吹針呈90 °布置。

2 教學(xué)實(shí)驗(yàn)成果

根據(jù)能動專業(yè)課程教學(xué)及實(shí)驗(yàn)教學(xué)要求，為檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)平臺運(yùn)行效果，鍛煉學(xué)生的動手及思考能力，利用實(shí)驗(yàn)平臺進(jìn)行生物柴油霧化模擬實(shí)驗(yàn)及生物柴油層流預(yù)混燃燒實(shí)驗(yàn)，并結(jié)合平面激光誘導(dǎo)技術(shù)(PLIF)進(jìn)行綜合實(shí)驗(yàn)、綜合教學(xué)，效果如下。

2.1 霧化實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

霧化顆粒平均直徑是評定霧化效果質(zhì)量的一項(xiàng)重要指標(biāo)，霧化顆粒的大小直接影響著燃燒的好壞，因此需要對霧化顆粒平均直徑進(jìn)行計算。根據(jù)公式(1)可以計算出該系統(tǒng)顆粒平均直徑，公式如下[5]。

根據(jù)公式(1)，理論計算得到的結(jié)果如表1所示。

表1 油品霧化顆粒的平均直徑

同時，利用馬爾文激光粒度儀測量該系統(tǒng)的霧化顆粒平均直徑，與理論計算的結(jié)果進(jìn)行對比。以小桐子生物柴油為原料進(jìn)行測試，結(jié)果如圖2所示。

圖2 小桐子生物柴油霧化顆粒平均直徑分布圖

由圖2得出，通過該系統(tǒng)霧化后顆粒平均直徑主要集中在0.1～0.3 μm之間，大約為93%，這與理論計算結(jié)果平均直徑為0.206 μm趨于一致，霧化質(zhì)量非常高。說明該實(shí)驗(yàn)平臺運(yùn)行的可行性，可以使生物質(zhì)液體燃料高效霧化，并且燃燒充分。

2.2 燃燒實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

對不同工況下的火焰溫度進(jìn)行了測量，外焰的溫度最高為1 500 K左右。采用與實(shí)際燃燒條件相同的工況，利用Fluent數(shù)值模擬計算不同工況下的火焰燃燒溫度。結(jié)果如圖3、圖4所示，可以看出測量結(jié)果火焰鋒面呈較好的錐形分布，火焰溫度最高可達(dá)1 500 K左右，與實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果達(dá)成了非常好的一致性，圖5為生物柴油燃燒火焰圖像。

圖3 不同當(dāng)量比時火焰溫度分布計算值(K)

圖4 火焰高度為10 mm處溫度計算值沿徑向分布圖

圖5 生物柴油燃燒火焰圖像

2.3 聯(lián)合PLIF技術(shù)綜合實(shí)驗(yàn)效果

平面激光誘導(dǎo)熒光技術(shù)作為一種非接觸型激光診斷技術(shù)，可以避免常規(guī)測量方法對火焰流場、溫度場的干擾，所得到的測量數(shù)據(jù)更加真實(shí)可靠。該技術(shù)所激發(fā)出的信號強(qiáng)，時空分辨率高，可獲得高速瞬時二維火焰圖像，目前在火焰結(jié)構(gòu)的測量中應(yīng)用廣泛。實(shí)驗(yàn)平臺與PLIF技術(shù)綜合實(shí)驗(yàn)平臺如圖6所示。

圖6 燃燒實(shí)驗(yàn)平臺-PLIF綜合實(shí)驗(yàn)臺

以小桐子生物柴油為燃料，控制油量恒定為0.16 mL/min，通過控制霧化空氣的體積流量改變當(dāng)量比，預(yù)混氣加熱溫度為200 ℃。利用燃燒實(shí)驗(yàn)平臺-PLIF綜合實(shí)驗(yàn)臺所拍攝的小桐子生物柴油在不同當(dāng)量比下層流預(yù)混火焰OH-PLIF平均圖如圖7所示。

圖7 小桐子生物柴油層流預(yù)混火焰平均圖

3 應(yīng)用推廣

該實(shí)驗(yàn)平臺一方面可以在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行火焰燃燒特性以及排放特性的研究，另一方面也可以應(yīng)用于工業(yè)上的生物質(zhì)液體燃料的燃燒裝置。并對新型環(huán)保的可再生能源的使用進(jìn)行了推廣。總體造價低，節(jié)約的能耗以及產(chǎn)出的能量較高。工業(yè)生物質(zhì)液體燃料燃燒系統(tǒng)以及霧化燃燒器如圖8所示。因此，本作品值得市場推廣、應(yīng)用。

圖8 工業(yè)生物質(zhì)液體燃料燃燒系統(tǒng)示意圖

4 應(yīng)用特點(diǎn)

(1)加工組裝成本低，維護(hù)方便。市場上的實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備專用性強(qiáng)，社會需求量小，價格昂貴，大多無法從市場直接購買到，即使能購買到，在使用和功能上也遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了教學(xué)實(shí)驗(yàn)的需求。本研制項(xiàng)目不但解決了實(shí)驗(yàn)教學(xué)問題，也節(jié)約了大量資金。系統(tǒng)整體零部件均為市場通用部件，無特殊精密儀器與特殊加工要求，可實(shí)體搭建，總體費(fèi)用比較低。

(2)實(shí)用性強(qiáng)，操作簡便，易于開展綜合性設(shè)計性實(shí)驗(yàn)。自制實(shí)驗(yàn)設(shè)備是根據(jù)專業(yè)教學(xué)大綱規(guī)定以及實(shí)驗(yàn)課題的項(xiàng)目制作更適用、更合理的實(shí)驗(yàn)裝置，這種裝置的特點(diǎn)是適用面廣、實(shí)用性強(qiáng)。本次制作的實(shí)驗(yàn)設(shè)備可操作性強(qiáng)，各部件獨(dú)立制作，組裝方便簡單，儀器配件容易得到，學(xué)生可自行組裝，由原來的被動實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)變成自主完成，實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果很好。

5 結(jié)語

本實(shí)驗(yàn)平臺具有實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象直觀、明顯；操作方便，實(shí)用性強(qiáng)；燃燒效率高, 污染物排放少；科學(xué)探究性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。同時，實(shí)驗(yàn)平臺搭建及使用對提高課堂教學(xué)效率，對學(xué)生學(xué)習(xí)能力的培養(yǎng)，對學(xué)生設(shè)計實(shí)驗(yàn)方案能力，分析問題、解決問題能力的提高具有較大的幫助，而從教學(xué)實(shí)際情況以及未來能源發(fā)展趨勢而言，生物質(zhì)能具有較大的發(fā)展?jié)摿?，因此該?shí)驗(yàn)裝備還具有較大的推廣和應(yīng)用價值。

在高等學(xué)校的科學(xué)教學(xué)中，實(shí)驗(yàn)教學(xué)占有重要的主導(dǎo)地位，生物質(zhì)液體燃料霧化蒸發(fā)燃燒實(shí)驗(yàn)平臺的創(chuàng)新設(shè)計不僅拓寬了現(xiàn)有的傳統(tǒng)課堂教學(xué)手段，而且豐富了現(xiàn)有的教學(xué)內(nèi)容。同時，實(shí)驗(yàn)教學(xué)有利于理論結(jié)合實(shí)踐，提高學(xué)生知識的實(shí)用性，有利于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。