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基于传统燃烧机的生物质燃烧机优化与改进
摘要：一般状态下，传统燃油燃烧机不能充分燃烧生物燃油，因此本文在普通燃油燃烧机基础上，通过增加燃油喷嘴的雾化次数改进了其雾化细度；并应用农业机械的配风系统解决了规定转速下配风量低的难题；改进燃烧室的结构使其内部预热均匀为燃油点燃创造良好的条件，一定程度上解决了燃油难点燃的难题；选取恰当的油路清洗剂，避免燃烧机的腐蚀。研究结果表明，使得改进后的燃烧机基本解决了由于生物燃油自身的一些不良性质引起的工程难题，能够最大限度燃烧生物燃油，提高了燃油利用率，提高了燃烧机技术。
主物燃油是21世纪一种新兴产业能源，是由玉米秸杆、小麦以及灌木等生物质通过一定的方法制成的可燃性液体燃料，其能量密度较高、易储存、便于运输，在未来极有可能代替石油制品。但是由于生物燃油自身的一些特性，目前市场上的燃烧机并不能充分燃烧生物燃油，导致燃油能量利用率不高。本文主要依据生物燃油自身的特点对生物燃油燃烧器在结构上做了一定改进，以使生物燃油燃烧效率提高，并为将来的生物质燃烧机产业提供借鉴。
1 燃油燃烧机
1.1 传统燃油燃烧机的结构及特点
传统燃烧机由油喷嘴和配风器组成。油喷嘴安置在配风器轴心线上，将油雾化成细滴，以一定的扩散角也称雾化角）喷入燃烧室内，与配风器送入的空气相混后着火燃烧。由于传统的燃烧机多用于燃烧汽油或者柴油，所以在保证雾化效果和良好配风的前提下，这种经典的结构可以将燃油充分燃烧。
1.2 生物质燃烧机的特殊性
燃油燃烧机的结构多是由燃油的性质决定的。生物燃油具有特殊的分子结构，其性质不同于汽油、柴油等其他燃油，在燃烧特性方面，生物燃油特点有以下几个方面。
生物燃油不易燃。生物燃油虽有可燃性，但是可燃性较差，相对于其他燃油引燃较难。所以生物燃油在燃烧机内雾化后的引燃不同于传统燃烧机的直接引燃方式，其需要在一定的温度下才能实现引燃的目的。
生物燃油酸性强。据相关实验测定，生物燃油的PH值为2，酸性较强。因此燃烧机长时间燃烧生物燃油后，燃油会对油路系统以及燃油油枪造成一定的腐蚀，进而影响燃烧效果，所以需要经常对油路系统以及燃油油枪进行清洗，费时费力。
生物燃油热值低。汽油的热值为44MJ／Kg，柴油的热值达到了46. 04MJ／Kg，而生物燃油的热值只有17MJ／Kg，热值低是生物燃油至今还没有被广泛应用的主要原因。较低的能量密度无法满足工业需求，所以如何设计燃烧机，使其克服生物燃油该缺陷成为燃烧机改进中的一个重要因素。
生物燃油含水量高。燃油含水量越高燃烧效率越低。生物燃油的含水量大约为10%，而汽油的含水量大约为0. 1%。且生物燃油中的水绝大多数是以化合态存在的，其分子结构中的水大多为结合水而非自由水，燃烧后生成游离水分子挥发出去。因此不能通过点燃前烘干等物理干燥方法来去除生物燃油中的水分。
生物燃油的特殊性使该燃油燃烧机也不同于传统燃烧机形式。在改进燃烧机时，必须以生物燃油在燃烧方面的四个特点为准则。
2 生物质燃烧机的结构及改进
2.1 生物质燃烧机的整机结构
与传统燃烧机的结构相类似，生物质燃烧机主要由五部分组成：燃油喷嘴，配风器，燃烧室，燃油系统油路系统）和控制系统‘o。
生物质燃烧机的总体结构方案如图1所示。其大致工作原理是接通电源后，电机启动，风门开关开启，带动配凤器进行预吹扫，规定时间之后，油泵开始工作，从油箱中给喷嘴供油，雾化开始，点火开关打开即可对然油进行引燃。
1．电动机；2．点火控制器；3．法兰；4．燃烧室；5．喷嘴；
6．燃烧机壳体；7．主传动轴；8．油泵；9．轴承；10．风门
2.2 燃烧机喷嘴的改进
决定燃烧机性能的一个主要的指标就是喷嘴对燃油的雾化效果，经典的雾化方法有机械雾化，发泡雾化，气动雾化等，这三种雾化方法在雾化效果上呈递增效应，但是在喷嘴结构上却趋于复杂化，由于生物燃油的粘度大于普通的汽油和柴油，燃油在流经结构较复杂的管路或者孔径时可能会聚集在一起造成油路的堵塞，而且生物燃油在燃烧的过程中如温度过高会结焦，故结构较为简单的机械压力雾化则成为了首选雾化方法。
压力雾化的基本原理是，液体经过加压后具有较大的动能，经过小7L后会以很大的速度喷射出去，在液体表面张力，粘性和空气阻力的相互作用下，液体由滴落，平滑流，波状流逐渐向喷物流转变。图2 6）为传统的机械式压力雾化喷嘴，这种喷嘴结构简单，油管通过3连接口与喷嘴连接，经2旋流片乏后燃油带有切向的速度，再通过1雾化片喷出，达到雾化效果，这种喷嘴可以满足大多数烧器的雾化要求，因此被广泛应用在当今的燃烧器当中。
但是，这种喷嘴也存在着一定的弊端，液体只通过雾化片一次并不能完全保证雾化效果，针对此问题本文设计出三段式雾化喷嘴，如图2 b）所示，就喷头雾化片部分，设计了喷嘴直径依次增大的三个雾化片，从图中可知，d0<dl<d2，即已经达到雾化细度的液滴不会受下一阶段雾化片的影响滞留在喷嘴中，而是通过雾化片由喷嘴喷出，这样雾化效果得到了很大的改善。可见喷口半径的大小直接决定喷嘴雾化的质量，是雾化的一个关键参数。喷口ro半径的计算公式圈：
这种结构的喷嘴虽然可以很好的解决燃油雾化的问题，但是对于燃油热值较低这一限制，国内相关研究实践解决该问题的思路是增加单位时间的耗油量以获取更多的能量。而事实上该种方法存在较大弊端，单位时间内耗油量的过大会增加喷嘴的负荷导致其寿命大大缩短，所以拟解决方案为增加油枪喷嘴的教量，实现多喷嘴同时喷油。这种并联式喷油可以缓解喷嘴的压力，并且解决了单位体积内
低热值油提供高能量难的问题，同时，该种方法对管道的强度校核。
2.3 配风器的设计
在燃烧机的构造中与喷嘴同等重要的是配风系统。一个好的配风器不仅可以提供燃油燃烧所需的充足的空气，还能很好的控制风量把燃烧过程中产生的杂物吹扫干净，保证燃烧机火焰的质量。一般情况下，根据配风器出口气流的形式，可以将其分为直流式配风器和旋流式配风器。在工业中，旋流式配风器应用的较为广泛，主要原因是，在旋流配风器的出口，气体不仅具有轴向速度，还有切向速度，做螺旋线的切向运动，形成辐射状的环形气流，这种气流更易于与油雾混合，为燃油的燃烧创造良好的条件。
对于生物燃油来说，每千克燃油完全燃烧所需要的空气量为6. 38 lj13，在工业中燃油每小时的消量一般为300 kg，所以配风器每小时需要输出1914 IJ13的空氙量才能为燃油燃烧提供充足的空气，那么在风机的设计中，叶片数目是一个比较关键的参数，一般条件下叶片数目的选择见表1。
确定了风机的叶片数量之后，风机的一些其他基本参数就可以确定出来了。然而由于生物燃油自身的特性，其燃烧过程中会结焦，导致有大质量的分子产物生成，因此需要提高风量把这种废弃产物吹出燃烧室。在本课题风机的设计中，由于主传动轴即为风机轴，由电动机输入的转速为1 800 r／min，这样的转速限制了风机提供的风量，因此借鉴了农业机械中升运器的风机结构∞图3所示），尤其是叶片结构，这种形式的风机可以实现在规定转速下提供尽量多的风量圈。
2.4 燃烧室的改进
传统燃烧机的燃烧室是依据传热学，流体力学和空气动力学等相关学科理论来设计改进的。一般汽油和柴油燃烧机在室温Q0℃）下即可引燃，但是相关实验测定表明，主物燃油需要预热至60℃时可燃性才会提高。在燃烧室的外部缠绕电阻丝，可以解决燃油预热的问题[ -司。这种方法操作简单，可以保证在恒温的条件下对燃油进行均匀的加热，避免燃油忽冷忽热对其性质产生的影响，而且大大减小了热量的损失，加热效果好。
2.5 燃油系统的改进
根据不同的燃油性质，传统燃烧机在工作完毕后无需对燃烧机内部管路进行清洗，而生物燃油具有较强的酸性，所以在燃烧器每次停机之前，需要对内部管路进行一定的清洗。可用乙醇作为燃烧器油路和油枪的清洗剂例，即在供油系统停止供油之后，控制系统应使油泵抽取乙醇至油路中进入油枪并由制定容器收集以循环使用。
3 结束语
首先，乙醇可以中和燃油中的酸性，而且不会对油路和油枪产生任何不良影响；其次，乙醇易挥发，清洗后残留在油路管道中的乙醇可以靠自身蒸发掉，不会大量残留在管道内；最后，残留乙醇不影响燃烧效果，即使一部分乙醇液体残留在管道内，在下一次燃烧器开机工作时可以与燃油很好的混合，而且也会提高燃油的燃烧效果。
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