胡艷花 何宏舟 侯懿寧

（1集美大學福建省能源清潔利用與開發(fā)重點實驗室 福建廈門 361021 2集美大學福建省清潔燃燒與能源高效利用工程技術研究中心 福建廈門 361021 3集美大學輪機與工程學院 福建廈門 361021）

0 引言

醇基燃料是一種生物質能，以甲醇為主，混合油二甲醚、乙醇、丙醇等多元醇和烷烴的液體燃料，可由多種工業(yè)配方調配制得。醇基燃料［1］具有來源廣泛、再生快、清潔環(huán)保等特點。與重油、煤相比，醇基燃料火焰?zhèn)鞑ニ俣瓤欤旧砗跆匦允谷紵浞郑紵矢撸紵笾饕伤投趸迹傻奈廴疚镙^少。與天然氣相比，具有安全、易儲存、成本低廉且不需要鋪設大面積管道等優(yōu)勢。醇基燃料在價格方面也具有較強的競爭力，是未來極具發(fā)展?jié)摿Φ那鍧嵀h(huán)保能源。其中甲醇、乙醇汽化潛熱值分別為1 109 kJ/kg、904 kJ/kg，熱值分別為19 930 kJ/kg、26 770 kJ/kg，醇基燃料具有較高的汽化潛熱和熱值，能夠滿足鍋爐等熱能動力設備要求，可在工業(yè)、廚房等領域應用。燃燒器是保證醇基燃料高效燃燒的關鍵設備，設計具有燃料適應性強、燃燒效率高、污染物少等特點的燃燒器，有利于醇基燃料的推廣和應用，對推動我國能源變革和低碳經濟發(fā)展等國家重大戰(zhàn)略實施有重要意義。

1 醇基燃料燃燒器發(fā)展現(xiàn)狀

圖1為國內醇基燃料燃燒器的地域分布，由圖可知，廣州是使用醇基燃料燃燒器最多的地區(qū)，占36%，上海和河北兩地次之，均占11%。主要由于這些地區(qū)的天然氣價格高、管網不全造成的，使用醇基燃料更經濟便捷，性價比較高。

目前市場上燃燒醇基燃料使用的燃燒設備，燃燒時會出現(xiàn)黃色火焰，存在火焰長度較長，燃燒效率低、NOx排放多等問題。同時易出現(xiàn)霧化的油氣因缺氧而熱解為炭黑，從而堵塞管道，縮短燃燒器的壽命。這些因素很大程度上阻礙了醇基燃料更廣闊的推廣和使用。

2 影響醇基燃料燃燒器的燃燒性能因素

2.1 影響醇基燃料燃燒器的霧化質量因素

燃油霧化質量是影響醇基燃料的燃燒效率和污染物排放的重要因素之一。液體燃料燃燒是先蒸發(fā)再混合的過程，而燃油霧化后形成了小液滴，可強化燃料與空氣的混合過程，加快燃燒的速度［2］。由于燃料的燃燒速率受蒸發(fā)速率影響，而燃料的蒸發(fā)速率與燃料霧化質量相關，提高燃油的噴霧質量會加快燃燒速率，從而提高燃料的燃燒效率，降低污染物的排放。故燃油的霧化質量是目前醇基燃料燃燒設計中重點研究的問題之一。

（1）噴射壓力和環(huán)境壓力對噴霧質量的影響。宋瀾波［3］以乙醇混合燃料為對象，研究了低背壓環(huán)境下不同噴射壓力和環(huán)境壓力對乙醇混合燃料霧化特性的影響。研究表明，隨噴射壓力的增大，噴霧貫穿長度增大。這主要是燃油噴射壓力大，油滴初始動量大，速度快而貫穿深度增加。環(huán)境壓力主要影響噴霧的橫向和軸向擴散過程，隨環(huán)境壓力增加，噴霧貫穿長度減小。這是由于環(huán)境壓力高，密度大，對燃料射流運動時的摩擦阻力大，導致振蕩不斷加劇，從而促進液滴的破碎過程使噴霧液滴粒徑變小縮短了噴霧貫穿長度。而噴霧錐角隨環(huán)境壓力增大而增大。這是因為當環(huán)境壓力增大時氣體密度增加，噴霧向前擴散時阻力增大，從而促進噴霧液滴的徑向運動，導致燃料噴霧錐角增大。故噴射壓力和環(huán)境壓力對燃油的霧化質量影響較大。

（2）空氣預熱溫度對霧化質量的影響。空氣預熱溫度升高，氣流運動速度和湍流脈動增強，氣體對液滴的作用加強，流量一定時動量增大有利于液體霧化。劉暉等［4］采用數(shù)值模擬的方法研究分析了不同預熱空氣溫度下乙醇霧化蒸發(fā)流場的規(guī)律。研究顯示，預熱溫度對液滴蒸發(fā)速率、液霧矩長度影響較大。主要是由于較高的空氣預熱溫度能夠使液滴蒸發(fā)速率加快，從而使液滴存在的時間變短，較小直徑的液滴會瞬間蒸發(fā)，短時間內可觀測的液滴直徑越大，液霧矩長度越短。

（3）燃燒器的噴嘴結構及配風對霧化質量的影響。燃燒器噴嘴結構、直流風量等對霧化質量影響較大，張逸水等［5］通過數(shù)值模擬的方法研究了燃燒器的噴嘴孔徑、旋流芯螺距、螺柱槽道橫截面和槽道形狀等結構參數(shù)對霧化速度和索特平均直徑的影響，分析出噴嘴最優(yōu)的結構參數(shù)。結果表明：隨噴嘴孔徑增大，霧化錐角越大；螺距為4mm時噴嘴霧化特性最佳；梯形槽道的霧化效果最好。宋衛(wèi)國等［6］對液體燃燒器進行了霧化仿真研究，研究了配風對霧化錐角的影響。研究顯示，直流風量增加時，霧化錐被拉長，火焰成細長型，當直流風量減小時，霧化錐被縮短，火焰成短粗型。此外，研究了不同過量空氣系數(shù)對燃燒效率的影響，發(fā)現(xiàn)當過量空氣為2%時，最高溫度和平均溫度的值最大，熱效率最高。彭雨［7］也研究了醇基燃料燃燒器在不同過量空氣系數(shù)下的壓力場、速度場、溫度場及各組分的質量分數(shù)分布規(guī)律，表明配風對燃燒器燃燒性能影響較大。

（4）荷電噴霧方法對霧化質量的改善。液體燃料攜帶電荷時，液滴之間相互排斥的庫侖力有利于液滴破碎，從而改善霧化效果［8］。 甘云華等［9］使用乙醇為燃料，采用荷電噴霧燃燒技術在微尺度單電極燃燒器內進行荷電霧化與燃燒試驗研究。研究發(fā)現(xiàn)，隨著噴嘴電壓的升高，會產生4種霧化模式（如圖2），分別為脈動模式（圖 2a）、錐-射流模式（圖 2b）、偏移射流模式（圖2c）及多股射流模式（圖2d）。其中脈動模式下無法產生均勻液滴，噴霧質量差，燃燒不穩(wěn)定且燃燒效率低。錐-射流模式下產生均勻的噴霧，噴霧效果穩(wěn)定，偏移射流模式和多股射流模式噴霧會傾斜。隨著噴嘴電壓的升高，荷質比升高，電荷越多液滴之間排斥的庫侖力越大，液滴破碎更徹底，霧化效果越好。

因此，噴射壓力、環(huán)境壓力、空氣預熱溫度、配風、荷電霧化等因素可較大程度上影響醇基燃料的霧化質量。良好的霧化質量可使得醇基燃料充分燃燒，減少污染物的排放。

2.2 旋流穩(wěn)燃技術對醇基燃燒器性能的影響

旋流燃燒技術可以促進燃料與空氣更好的混合，使火焰穩(wěn)定燃燒，在燃燒器上已有廣泛應用。Hou等［10］研究了在加入旋流結構后燃燒器的燃燒效率及排放特性。與傳統(tǒng)直流燃燒器相比，旋流使燃料燃燒更充分，熱效率大幅度提高。Marc等［11］對燃油燃燒時的火焰進行實驗研究，分析了旋流空氣對火焰穩(wěn)定性和燃燒強度的影響。通過改變旋流角度，對比分析了火焰峰值位置，火焰穩(wěn)定性和火焰燃燒效率的特性。Adi等［12］研究了不同旋流葉片個數(shù)對燃燒器的火焰燃燒特性的影響。分析了旋流葉片個數(shù)對燃燒火焰的質量、放熱速率和污染物排放量的影響。張全等［13］研究了不同旋流結構下的旋流燃燒器對醇基燃料進行試驗研究。對不同燃燒室的內腔深度和不同送風口的燃燒器進行對比實驗，通過測量燃燒火焰溫度分析了不同結構的燃燒器溫度分布變化規(guī)律。但其旋流通風通過多個具有一定角度通風孔實現(xiàn)，容易導致旋流風徑向分布不均影響混合效果。李言欽等［14］設計一款新型內直流外旋流燃燒器，如圖3所示，采用數(shù)值模擬與實驗相結合的方法對燃燒器的冷態(tài)流場進行研究，分析了流場、湍流強度、湍流動能等特性。表明直流具有一定的剛性無回流區(qū)，外旋流具有較好的回流區(qū)。

由此可見，旋流角度、旋流葉片個數(shù)及旋流結構對火焰峰值位置、火焰穩(wěn)定性、燃燒效率及污染物排放量影響較大。在設計醇基燃料燃燒器時，合理的旋流板結構可增加紊流擾動強度，可使燃料與空氣混合均勻燃燒更充分，減少氮氧化物的排放。近年來，也有使用拉法爾噴管與旋流孔相結合的結構，當氣體經過拉法爾噴管結構時可加快燃料與空氣的混合，有利于使燃料燃燒更充分。

3 新型醇基燃料燃燒器

目前市場上燃燒甲醇的燃燒器，由于甲醇粘度低無潤滑效果，會導致噴頭易磨損。此外，燃料供應穩(wěn)定性差，會出現(xiàn)霧化不穩(wěn)定和霧化不完全的現(xiàn)象，使得燃料燃燒不完全出現(xiàn)黃色火焰，不能達到節(jié)能環(huán)保的目的。若將醇基燃料直接汽化后再燃燒，可以較大程度上提高燃燒效率。針對這些問題郭成利等［15］研究了一款醇基液體燃燒器，結構如圖4所示，該燃燒器經噴嘴霧化后點火，火焰經穩(wěn)焰盤穩(wěn)定后向前噴射，霧化的醇基燃料經過氣化室高溫氣化，使得霧化后的醇基燃料瞬間氣化，使得醇基燃料燃燒更加完全。

合理的配風可使燃燒器出口處應形成一個大小適中、位置恰當?shù)幕亓鲄^(qū)，保證燃料可以迅速著火和穩(wěn)定燃燒。陶積勇等［16］設計了一款燃燒醇基燃料可二次供氧的旋流霧化燃燒器，結構如圖5所示。在內膽的側壁設有一次燃燒供氧孔，內膽上端設有二次供氧孔。當燃料汽化后的混合氣體和燃燒火焰達到內膽上部時，空氣會通過二次供氧孔高速噴出，二次供氧明顯加強了燃燒，使燃燒完全釋放更多的熱量，提高了燃燒效率。冉景煜等［17］通過數(shù)值模擬的方法研究了甲醇燃料引射式燃燒器的配風性能，重點研究了不同位置噴嘴出口面以及喉部直徑與噴嘴出口直徑之比對引射器摩爾引射系數(shù)的影響，獲得了優(yōu)化后的配風結構參數(shù)。

醇基燃料燃燒器上采用煙氣回流技術，不僅可預熱空氣，提高燃燒器綜合熱利用率。且煙氣的回流使得火焰燃燒區(qū)的溫度降低，整個燃燒器的溫度更加均勻，降低了局部高溫，減小了碳黑形成。冉景煜等人研究一款煙氣回流汽化醇基燃料燃燒器［18］，結構如圖6所示，在外殼設有用陶瓷片組成的微型催化通道，燃料、氧氣以及回流煙氣可在微型催化道內部發(fā)生催化重整反應，回流的煙氣為催化反應提供了活性粒子，產生的H2可以強化燃燒。同時利用燃燒器自身產生的熱量加熱醇基燃料，使其表面張力減小，霧化效果更佳。

4 結論

本文介紹了醇基燃料性質及醇基燃料燃燒器的發(fā)展現(xiàn)狀，重點分析了影響醇基燃料霧化質量因素、旋流結構、多級送風及煙氣回流等對燃燒器性能的影響，對今后醇基燃料燃燒器的優(yōu)化設計具有指導意義。由于醇基燃料熱值較低，氣化潛熱較大，在設計醇基燃料燃燒器時，應重點研究空氣的預熱與回流區(qū)的強度，燃料和助燃空氣的預熱可以有效提高燃燒區(qū)的溫度，使醇基燃料在短時間內氣化，減少積碳的生成，同時注重強化回流區(qū)的形成，主要是保證燃料的及時著火，使熱量得到充分的利用進而提高燃燒器效率。

近年來，學科交叉融合成為熱點，燃燒器也亟需創(chuàng)新性的材料以及結構，使燃燒效果達到進一步提升。如陶瓷材料的使用，陶瓷因其機械強度高、耐熱、耐腐蝕性好，已普遍應用于各類燃燒器中；同時，也有使用蜂窩管、鑄鋁均熱塊等裝置，使燃料氣化性能更好，燃燒效率更佳。