蔣勇，蔣紹堅，黃靚云，陳蓮瑛，鐘偉

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生物柴油燃燒火焰溫度場的實驗研究

蔣勇，蔣紹堅，黃靚云，陳蓮瑛，鐘偉

(中南大學能源科學與工程學院，湖南長沙，410083)

對生物柴油經(jīng)由旋流燃燒器在爐窯內燃燒時火焰區(qū)域溫度場的變化規(guī)律進行研究，分析不同過量空氣系數(shù)和助燃空氣溫度對火焰區(qū)域溫度場的影響。研究結果表明：軸線上火焰溫度較低，沿軸線遠離噴嘴方向變化趨勢為先平緩增大，隨后快速增長，到達峰值后又迅速回落；增大過量空氣系數(shù)，火焰高溫區(qū)長度變短，且逐漸靠近噴嘴，火焰溫度分布越來越穩(wěn)定，局部高溫區(qū)更集中，沿燃燒方向火焰溫度分布向均勻化發(fā)展；提高助燃空氣溫度，火焰整體溫度升高，高溫區(qū)域面積變大，燃燒過程趨于穩(wěn)定，在垂直方向上火焰上揚趨勢越來越明顯。

生物柴油；過量空氣系數(shù)；助燃空氣溫度；溫度場

生物柴油是一種脂肪酸甲酯，是以精制后的生物油、動植物油脂、餐飲廢油、微生物油脂等可再生油脂為原料，經(jīng)提純加工以后，使用酯化/酯交換制備而成[1]。與常規(guī)的生物油相比，生物柴油的碳鏈長度縮短，黏度降低，有效地改善了油品的流動性和霧化性能，能直接應用于普通柴油發(fā)動機和工業(yè)爐窯。與傳統(tǒng)石化柴油相比，生物柴油的十六烷值和氧含量高，并且基本不含硫和芳香烴等，使得其燃燒時排煙少，CO排放減少約10%，SO2和硫化物的排放可減少30%，具有良好的環(huán)保特性[2?4]；生物柴油閃點高，無添加劑，冷凝點達?20 ℃，使用較安全且具有較好的低溫發(fā)動機啟動性能，因此，生物柴油作為一種新型能源，具有很大的經(jīng)濟效益和社會效益。自20世紀以來，許多研究者對生物柴油進行了大量研究，主要集中在2個方面：生物柴油的制備研究[5?9]和內燃機燃用生物柴油試驗研究[10?12]。Jha等[13]利用熱電偶和紅外熱像儀研究了生物柴油中甲酯含量對火焰溫度分布的影響以及摻合不同體積分數(shù)的乙醇的生物柴油火焰溫度分布特性。Jeon等[14]研究了單缸柴油機內生物柴油噴射時刻和壓力對燃燒火焰溫度的影響。梅德清等[15]通過高速攝影儀采集了生物柴油在柴油機內燃燒的火焰圖像，實測了缸內壓力示功圖。目前人們對生物柴油應用于工業(yè)爐窯和工業(yè)鍋爐上的研究較少，缺少生物柴油大規(guī)模應用所需要的設計依據(jù)和可參考數(shù)據(jù)。為此，本文作者通過軟件Matlab對所測的散點溫度分布進行處理，得出所測平面的火焰內部及周圍溫度場，探索在工業(yè)爐窯系統(tǒng)中生物柴油燃燒的火焰區(qū)域溫度場分布規(guī)律，研究不同過量空氣系數(shù)、助燃空氣溫度對溫度場的影響規(guī)律，以便為生物柴油的工業(yè)化應用提供參考。

1 實驗

1.1 實驗原料和設備

圖1所示為生物柴油燃燒特性實驗平臺示意圖，該實驗平臺由供油系統(tǒng)、送風系統(tǒng)、燃燒系統(tǒng)和排煙系統(tǒng)組成。其中，燃燒系統(tǒng)主要由燃燒器和燃燒室組成，生物柴油燃燒器為自主設計旋流燃燒器，在噴嘴前增加了空氣旋流裝置。燃燒器主要由助燃空氣通道、油槍、霧化噴嘴和空氣旋流片組成。燃燒器全長為442.0 mm，空氣管道內徑為51.0 mm，油槍內徑為1.5 mm，噴嘴距旋流片0.8 mm，旋流片距燃燒器出口2.2 mm；旋流片直徑為56.0 mm，分為內、外2層，2層旋向相同，且分別有18片大小相同的葉片，每片葉片與旋流片本體有30°左右的夾角。燃燒室由耐火保溫纖維材料砌成，在側面開有火焰觀察口，也便于火焰溫度測量，整個燃燒室長200 cm，寬90 cm，高90 cm，壁厚20 cm。實驗燃燒的生物柴油由湖南省林業(yè)科學院提供，該生物柴油為多種甲酯的混合物，熱值為39.198 kJ/g。

1—油罐；2—閥門；3—過濾器；4—油泵；5—壓力表；6—電磁閥；7—燃燒器；8—助燃空氣管道；9—燃燒室；10—引風機；11—空氣流量計；12—鼓風機；13—空氣過濾器；14—實驗數(shù)據(jù)測量系統(tǒng)

本實驗選用直徑為1 mm和2 mm的同材質K型熱電偶，分別對不同工況下穩(wěn)定燃燒過程的火焰內部固定點進行測量。為了得到整個燃燒溫度場分布，必須在燃燒空間內合理布點，燃燒室的溫度測量點分布如圖2所示。

72個點均勻分布在火焰的內部和周圍，溫度測量點之間的軸向距離為20 mm，徑向距離也為20 mm(實驗中，火焰有明顯的上揚，所以，測量溫度時，上半平面多布置了1排測點)。為了精確定位熱電偶在火焰中的位置，在試驗中采用一套能夠進行，和3個方向精確測距的平移組合坐標臺，熱電偶被固定在坐標臺的頂面，并且能在沿火焰剖面方向上進行多點測量時精確調節(jié)熱電偶的位移量。為了確保爐窯燃燒工況的穩(wěn)定，對爐窯壁溫、煙氣流速進行在線監(jiān)控，在燃料量和空氣量已穩(wěn)定的情況下，待壁溫穩(wěn)定后，方可開始實驗。

圖2 溫度測量點分布圖

1.2 實驗條件和方法

生物柴油燃燒器具有可調節(jié)霧化壓力的功能，但在調節(jié)霧化壓力的同時，生物柴油流量會有變化。因此，實驗時，采用固定霧化壓力為14×105Pa，流量為32.5 mL/min，選取過量空氣系數(shù)()分別為1.00，1.05，1.10和1.15，助燃空氣溫度為20(常溫)，300和500 ℃，對過量空氣系數(shù)和助燃空氣溫度進行交叉實驗。生物柴油為常溫20 ℃。對所測的散點溫度分布利用軟件Matlab進行處理，得出所測平面的火焰內部及周圍溫度場。

1.3 實驗誤差分析

由于火焰存在瞬態(tài)脈動特性，爐膛內火焰溫度總存在波動，熱電偶的響應滯后于溫度的波動，而且考慮到輻射散熱和導熱損失，熱電偶測溫存在一些誤差。實驗中采用自行設計的旋流燃燒器，能夠實現(xiàn)不同工況下比較穩(wěn)定的燃燒，保證動態(tài)溫度測量的準確性，減小火焰脈動對實驗結果的影響。同時，本實驗采用細直徑熱電偶，并且套有細長的瓷管，可以減少導熱系數(shù)，提高氣流對熱電偶接點的放熱系數(shù)，因此，導熱損失可以忽略。

由于熱輻射與絕對溫度的4次方成比例，因而在測量端溫度較高時，輻射的影響往往大于導熱的影響而占支配地位。本實驗采用Brohez等[16]提出的輻射修正方法，即采用2個不同直徑K型熱電偶同時對溫度進行測量，引入1個參數(shù)——輻射衰減誤差(RE)，將2個熱電偶的溫度差值乘以RE，再加上直徑大的熱電偶溫度，即可認為為實際被測溫度。

2 結果與分析

2.1 常溫下過量空氣系數(shù)對溫度場的影響

過量空氣系數(shù)分別為1.00，1.10和1.15時對應的火焰剖面溫度見圖3。從圖3可以看出生物柴油應用于旋流燃燒器燃燒時火焰分布有以下特點：軸線上火焰溫度較低，且沿軸線向外溫度先逐漸升高，升至最高點后，向外溫度逐漸降低；在垂直高度上，從軸線位置向靠近壁面方向，火焰溫度先逐漸升高，后逐漸下降，且軸線以上的高溫區(qū)面積較下部的大，這是由于浮力的作用，火焰整體有上揚的趨勢。該燃燒火焰溫度的分布符合旋流非預混火焰溫度的分布[17]：在整個火焰中，發(fā)生化學反應的區(qū)域比較狹窄，在到達火焰頂部以前，高溫的反應區(qū)是一個環(huán)形區(qū)域。由于旋流離心作用下產(chǎn)生的燃料徑向分布不均勻，造成軸線上燃料濃度小，燃燒強度弱，出現(xiàn)軸線溫度較低的現(xiàn)象。同時，在越靠近火焰頂部的反應區(qū)，由于反應溫度較高，受到浮力的作用，火焰會有上揚的趨勢。這增加了火焰擴散作用，上揚部分的火焰區(qū)域溫度比軸對稱對應的區(qū)域高很多。

由圖3可知常溫下過量空氣系數(shù)在1.00~1.15變化時對應溫度場的區(qū)別及規(guī)律：隨著過量空氣系數(shù)的增加，火焰高溫區(qū)逐漸向燃燒器噴嘴出口靠近；同時，不同工況對應的最高溫度逐漸升高，根據(jù)各溫度測點的實驗結果知，最高溫度分別為929，1 015和1 039 ℃。產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因是：過量空氣系數(shù)增加一方面提供了更多的氧氣，加強了燃燒過程；另一方面，空氣流量的增加同時提高了空氣流經(jīng)旋流片之后的軸向和徑向速度，因此，加強了空氣與生物柴油液滴的混合作用，從而為生物柴油的燃燒創(chuàng)造了更加有利的條件，加快了燃燒速度，使得生物柴油液滴在很短時間內就能夠實現(xiàn)完全燃燒，火焰高溫區(qū)前移，且火焰高溫區(qū)長度變長。

過量空氣系數(shù)：(a) 1.00；(b) 1.10；(c) 1.15

圖3助燃空氣溫度為20 ℃時不同過量空氣系數(shù)對應的溫度分布

Fig. 3 Temperature distributions for different excess air coefficients when combustion air temperature is 20 ℃

圖4所示為助燃空氣溫度為常溫時沿軸線的火焰溫度變化曲線。從圖4可以看出：在軸線上，火焰溫度整體的變化趨勢是先緩慢增大，隨后進入快速增長，到達峰值后又迅速回落。這也是由旋流非預混火焰的特性決定的。在焰心區(qū)，當過量空氣系數(shù)由1.00提高至1.10時，火焰溫度波動不大；當過量空氣系數(shù)升至1.15時，火焰變短，火焰溫度迅速上升，并到達峰值；在火焰尾部，過量空氣系數(shù)越高，溫度下降速度越快。而當空氣過量系數(shù)為1.00時，由于浮力的作用，在火焰前端，火焰主體向上偏離，在沿軸線對應的同一測點，其溫度低于空氣過量系數(shù)為1.10時的溫度。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因可能是噴入的空氣量和噴入的速度不同，引起內部回流區(qū)形狀和強度發(fā)生變化?；亓鲄^(qū)形狀的變化是氣體熱膨脹的直接結果，依賴于內部所釋放的熱量，即靠熾熱燃燒產(chǎn)物從反流區(qū)連續(xù)不斷向回流區(qū)供給它們所攜帶的熱量實現(xiàn)的。在過量空氣系數(shù)較大的情況下即實際空氣量大于理論空氣量時，燃燒的速度取決于噴口射流噴入空氣的速度：當噴口速度較大時，射流以與噴管較大的角度貫穿進主流中，而沿著射流的方向速度衰減則變慢，使得空氣與燃料混合的燃燒器徑向 “路程”變長，繼而影響了回流區(qū)的強度和尺寸，而回流區(qū)主要為高溫區(qū)和重要反應區(qū)。與張淑榮等[18]模擬的小型燃油鍋爐普通柴油燃燒溫度場相比，常溫下隨著過量空氣系數(shù)增加，生物柴油與柴油燃燒的高溫區(qū)面積增大，火焰長度變短，最高溫度都偏離中心線位置。由于生物柴油的低熱值比普通柴油的小，柴油燃燒的最高溫度比生物柴油的高。火焰的后方都出現(xiàn)低溫區(qū)，但生物柴油的溫度分布更加均勻、穩(wěn)定，一方面，由于生物柴油的含氧量較高，燃燒速度快；另一方面，自行設計的旋流燃燒器的霧化效果更好，使得與助燃空氣的預混更完全。

過量空氣系數(shù)n：1—1.00；2—1.10；3—1.15

2.2 高溫下過量空氣系數(shù)對溫度場的影響

將助燃空氣溫度控制為500 ℃，過量空氣系數(shù)設置為1.00，1.05，1.10和1.15，研究高溫時不同過量空氣系數(shù)對火焰區(qū)溫度場的影響。圖5所示為所測平面的火焰內部及周圍溫度場，對比助燃空氣溫度為常溫時的火焰區(qū)域溫度場可以看出：助燃空氣溫度提高時，火焰整體溫度有所提高，高溫區(qū)域變大，實驗過程中火焰亮度顯著提高。

在實際工業(yè)應用過程中，過量空氣系數(shù)有一半大于1.00(液體燃料過量空氣系數(shù)一般取值1.10~1.15)。在圖5(a)中，過量空氣系數(shù)為1.00，在燃燒實驗過程中，燃燒產(chǎn)物中碳煙含量較多，不完全燃燒現(xiàn)象顯著。該火焰溫度分布較不均勻，且局部區(qū)域溫度較高，溫度梯度逐漸減小。在火焰前端初始反應區(qū)，生物柴油油粒經(jīng)過蒸發(fā)、熱解和裂化，油的蒸汽與氧的混合燃燒過程達到另一個強烈過程，會出現(xiàn)高溫區(qū)域。而在過量空氣系數(shù)較低時，噴入的空氣量和速度較低，導致油蒸汽與空氣混合不均勻，從而產(chǎn)生了局部區(qū)域溫度較高的現(xiàn)象。從圖5可以看出：當助燃空氣溫度提高時，隨著過量空氣系數(shù)增加，燃燒火焰的溫度分布越來越穩(wěn)定，局部區(qū)域溫度較高現(xiàn)象減弱，高溫趨于穩(wěn)定且區(qū)域面積有所增大，沿火焰燃燒方向溫度分布向均勻化方向發(fā)展。結果表明：當過量空氣系數(shù)為1.15時，燃燒穩(wěn)定，火焰分布均勻且火焰溫度最高，可以認為此時獲得了最佳燃燒效果，因此，在之后的助燃空氣溫度對溫度場影響的實驗中，過量空氣系數(shù)均選擇1.15。

2.3 助燃空氣溫度對溫度場的影響

針對助燃空氣溫度分別為20，300和500 ℃，過量空氣系數(shù)為1.15時進行實驗，對應火焰溫度分布如圖6所示。從圖6可見：當過量空氣系數(shù)一定時，隨著助燃空氣溫度升高，火焰溫度明顯升高，火焰變亮，火焰長度逐漸變短，面積逐漸變?。划斨伎諝鉁囟葹?00 ℃時，火焰溫度場與助燃空氣溫度為300 ℃時相比，高溫區(qū)域面積變小且離噴口更近，溫度梯度變大，出現(xiàn)明顯的局部溫度過高的現(xiàn)象。這說明助燃空氣溫度在一定范圍內升高能使燃燒更充分更穩(wěn)定，但當升高到一定值時，會出現(xiàn)高溫分布不均的現(xiàn)象，反而不能達到最佳燃燒狀態(tài)，同時，在垂直高度上，火焰上揚趨勢越來越明顯。向上的高溫區(qū)面積較下部的大，這是由于浮力的作用，致使上部的燃燒區(qū)域更大，火焰整體呈現(xiàn)上揚的趨勢。助燃空氣溫度升高，加速了生物柴油的蒸發(fā)，在火焰前端，浮力的作用大于動量的作用，導致火焰的上揚趨勢更加明顯。

過量空氣系數(shù)n：(a) 1.00；(b) 1.05；(c) 1.10；(d) 1.15

溫度/℃：(a) 20；(b) 300；(c) 500

3 結論

1) 生物柴油應用于旋流燃燒器燃燒火焰分布有以下特點：軸線位置上溫度較低，沿軸線向外溫度逐漸升高，升至最高點時，向外溫度逐漸降低；在垂直高度上，軸線上部的高溫區(qū)面積較下部的大，火焰整體呈現(xiàn)上揚的趨勢。

2) 當助燃空氣溫度為常溫，過量空氣系數(shù)在1.00~1.15范圍內增加時，火焰高溫區(qū)逐漸變短，逐漸向燃燒器噴口靠近，沿軸線的火焰溫度整體上有所提高。在軸線上，火焰溫度整體的變化趨勢是先緩慢平緩地增大，隨后快速增長，到達峰值后又迅速回落。當過量空氣系數(shù)為1.15時，火焰的高溫區(qū)集中在火焰的前端噴霧邊界區(qū)，油滴與空氣預混充分，反應最 強烈。

3) 當助燃空氣溫度為500 ℃，過量空氣系數(shù)在1.00~1.15范圍內增加時，燃燒火焰的溫度分布越來越穩(wěn)定，局部高溫區(qū)越來越集中，沿火焰燃燒方向溫度分布向均勻化方向發(fā)展。因此，當過量空氣系數(shù)為1.15時，不僅燃燒穩(wěn)定、火焰分布均勻，而且火焰溫度最高，燃燒效果最理想。

4) 當過量空氣系數(shù)為1.15時，隨著助燃空氣溫度提高，火焰溫度逐漸升高，溫度梯度變大，火焰區(qū)域面積變小，高溫區(qū)域面積先增大后變小，并逐步出現(xiàn)局部溫度過高的現(xiàn)象。同時，在垂直高度上，軸線上部的高溫區(qū)面積較下部的大，且面積相差越來越大，火焰呈現(xiàn)的上揚趨勢越來越明顯。

[1] Meher L C, Vidya Sagar D, Naik S N. Technical aspects of biodiesel production by transesterification: A review[J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2006, 10(3): 248?268.

[2] Lim S, Teong L K. Recent trends, opportunities and challenges of biodiesel in Malaysia: An overview[J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2010, 14(3): 938?954.

[3] Lapuerta M, Armas O, Rodríguez-Fernández J. Effect of biodiesel fuels on diesel engine emissions[J]. Progress in Energy and Combustion Science, 2008, 34(2): 198?223.

[4] 滕虎, 牟英, 楊天奎, 等. 生物柴油研究進展[J]. 生物工程學報, 2010, 26(7): 892?902. TENG Hu, MU Ying, YANG Tiankui, et al. Advances in biodiesel research[J]. Chinese Journal of Biotechnology, 2010, 26(7): 892?902.

[5] ?ayl? G, Küsefo?lu S. Increased yields in biodiesel production from used cooking oils by a two step process: Comparison with one step process by using TGA[J]. Fuel Processing Technology, 2008, 89(2): 118?122.

[6] Chisti Y. Biodiesel from microalgae[J]. Biotechnology Advances, 2007, 25(3): 294?306.

[7] Stamatov V, Honnery D, Soria J. Combustion properties of slow pyrolysis bio-oil produced from indigenous Australian species[J]. Renewable Energy, 2006, 31(13): 2108?2121.

[8] Demirbas A. Comparison of transesteri?cation methods for production of biodiesel from vegetable oils and fats[J]. Energy Conversion and Management, 2008, 49(1): 125?130.

[9] Amani M A, Davoudi M S, Tahvildari K. Biodiesel production from Phoenix dactylifera as a new feedstock[J]. Industrial Crops and Products, 2013, 43: 40?43.

[10] Canakci M, Erdil A, Arcaklio?lu E. Performance and exhaust emissions of a biodiesel engine[J]. Applied Energy, 2006, 83(6): 594?605.

[11] Hossain A K, Ouadi M, Siddiqui S U, et al. Experimental investigation of performance, emission and combustion characteristics of an indirect injection multi-cylinder CI engine fuelled by blends of de-inking sludge pyrolysis oil with biodiesel[J]. Fuel, 2013, 105(1): 135?142.

[12] 趙陸明, 何旭, 鄭亮, 等. 高噴射壓力下生物柴油噴霧特性試驗與仿真[J]. 農(nóng)業(yè)機械學報, 2012, 43(9): 6?10. ZHAO Luming, HE Xu, ZHENG Liang, et al. Spray characteristics of biodiesel under high injection pressure[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2012, 43(9): 6?10.

[13] Jha S K, Fernando S, Filip To S D. Flame temperature analysis of biodiesel blends and components[J]. Fuel, 2008, 87(10/11): 1982?1988.

[14] Jeon J, Lee J T, Lim Y S, et al. Flame temperature distributions of biodiesel fuel in a single-cylinder diesel engine[J]. Fuel Processing Technology, 2013, 110: 227?234.

[15] 梅德清, 袁銀男, 孫平, 等. 生物柴油發(fā)動機燃燒火焰與放熱過程特性研究[J]. 農(nóng)業(yè)機械學報, 2012, 43(11): 26?30. MEI Deqing, YUAN Yinnan, SUN Ping, et al. Features of burning flames and heat release process of biodiesel engine[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2012, 43(11): 26?30.

[16] Brohez S, Delvosalle C, Marlair G. A two-thermocouples probe for radiation corrections of measured temperatures in compartment fires[J]. Fire Safety Journal, 2004, 39(5): 399?411.

[17] 葛冰, 臧述升, 郭培卿. 旋流非預混火焰流動特性的實驗研究[J]. 工程熱物理學報, 2009, 30(11): 1969?1972. GE Bing, ZANG Shusheng, GUO Peiqing. Experimental study on flow structures of non-premixed swirling flames[J]. Journal of Engineering Thermophysics, 2009, 30(11): 1969?1972.

[18] 張淑榮, 尹洪超. 小型燃油鍋爐的柴油燃燒適應性分析[J]. 化工進展, 2006, 25: 433?435. ZHANG Shurong, YIN Hongchao. Combustion adaptability analysis of the small fuel oil boiler burning diesel oil[J]. Chemical Industry and Engineering Progress, 2006, 25: 433?435.

(編輯 陳燦華)

Experimental research on flame temperature field during combustion of biodiesel

JIANG Yong, JIANG Shaojian, HUANG Liangyun, CHEN Lianying, ZHONG Wei

(School of Energy Science and Engineering, Central South University, Changsha 410083, China)

The variation laws of flame temperature field of biodiesel combustion were investigated in a furnace with the swirl burner. The influences of different excess air coefficients and combustion air temperatures on flame temperature field were analyzed. Results show that the flame temperature on the axis is low, Away from the nozzle along the axis direction, the flame temperature gently grows firstly, then turns into a rapid growth, and finally falls back quickly after reaching a peak. With the increase of excess air coefficient, the high temperature field of flame gets shorter and gradually close to the nozzle, Flame temperature distribution becomes more stable, local high temperature becomes more concentrated, and the flame temperature distribution tends to homogenize along combustion direction. With the increase of the combustion air temperature, the flame temperature gets higher, high temperature field gets larger, combustion processes towards stable, and the flame rising trend becomes more obvious on the vertical direction.

biodiesel; excess air coefficient; combustion air temperature; temperature field

10.11817/j.issn.1672-7207.2015.09.051

TK6

A

1672?7207(2015)09?3540?06

2014?10?12；

2014?12?25

國家科技支撐計劃項目(2007BAD41B05) (Project(2007BAD41B05) supported by the National Key Technology R&D Program)

蔣紹堅，教授，碩士生導師，從事低碳能源技術包括高效清潔燃燒技術、生物質能利用技術、流程工業(yè)節(jié)能環(huán)保技術等研究；E-mail:sjjiang@csu.edu.cn