DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2015.09.051

生物柴油燃烧火焰温度场的实验研究

蒋勇，蒋绍坚，黄靓云，陈莲瑛，钟伟

(中南大学 能源科学与工程学院，湖南 长沙，410083)

摘要：对生物柴油经由旋流燃烧器在炉窑内燃烧时火焰区域温度场的变化规律进行研究，分析不同过量空气系数和助燃空气温度对火焰区域温度场的影响。研究结果表明：轴线上火焰温度较低，沿轴线远离喷嘴方向变化趋势为先平缓增大，随后快速增长，到达峰值后又迅速回落；增大过量空气系数，火焰高温区长度变短，且逐渐靠近喷嘴，火焰温度分布越来越稳定，局部高温区更集中，沿燃烧方向火焰温度分布向均匀化发展；提高助燃空气温度，火焰整体温度升高，高温区域面积变大，燃烧过程趋于稳定，在垂直方向上火焰上扬趋势越来越明显。

关键词：生物柴油；过量空气系数；助燃空气温度；温度场

中图分类号：TK6             文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2015)09-3540-06

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)

Abstract: 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.

Key words: biodiesel; excess air coefficient; combustion air temperature; temperature field

生物柴油是一种脂肪酸甲酯，是以精制后的生物油、动植物油脂、餐饮废油、微生物油脂等可再生油脂为原料，经提纯加工以后，使用酯化/酯交换制备而成^[1]。与常规的生物油相比，生物柴油的碳链长度缩短，黏度降低，有效地改善了油品的流动性和雾化性能，能直接应用于普通柴油发动机和工业炉窑。与传统石化柴油相比，生物柴油的十六烷值和氧含量高，并且基本不含硫和芳香烃等，使得其燃烧时排烟少，CO排放减少约10%，SO₂和硫化物的排放可减少30%，具有良好的环保特性^[2-4]；生物柴油闪点高，无添加剂，冷凝点达-20 ℃，使用较安全且具有较好的低温发动机启动性能，因此，生物柴油作为一种新型能源，具有很大的经济效益和社会效益。自20世纪以来，许多研究者对生物柴油进行了大量研究，主要集中在2个方面：生物柴油的制备研究^[5-9]和内燃机燃用生物柴油试验研究^[10-12]。Jha等^[13]利用热电偶和红外热像仪研究了生物柴油中甲酯含量对火焰温度分布的影响以及掺合不同体积分数的乙醇的生物柴油火焰温度分布特性。Jeon等^[14]研究了单缸柴油机内生物柴油喷射时刻和压力对燃烧火焰温度的影响。梅德清等^[15]通过高速摄影仪采集了生物柴油在柴油机内燃烧的火焰图像，实测了缸内压力示功图。目前人们对生物柴油应用于工业炉窑和工业锅炉上的研究较少，缺少生物柴油大规模应用所需要的设计依据和可参考数据。为此，本文作者通过软件Matlab对所测的散点温度分布进行处理，得出所测平面的火焰内部及周围温度场，探索在工业炉窑系统中生物柴油燃烧的火焰区域温度场分布规律，研究不同过量空气系数、助燃空气温度对温度场的影响规律，以便为生物柴油的工业化应用提供参考。

1  实验

1.1  实验原料和设备

图1所示为生物柴油燃烧特性实验平台示意图，该实验平台由供油系统、送风系统、燃烧系统和排烟系统组成。其中，燃烧系统主要由燃烧器和燃烧室组成，生物柴油燃烧器为自主设计旋流燃烧器，在喷嘴前增加了空气旋流装置。燃烧器主要由助燃空气通道、油枪、雾化喷嘴和空气旋流片组成。燃烧器全长为442.0 mm，空气管道内径为51.0 mm，油枪内径为1.5 mm，喷嘴距旋流片0.8 mm，旋流片距燃烧器出口2.2 mm；旋流片直径为56.0 mm，分为内、外2层，2层旋向相同，且分别有18片大小相同的叶片，每片叶片与旋流片本体有30°左右的夹角。燃烧室由耐火保温纤维材料砌成，在侧面开有火焰观察口，也便于火焰温度测量，整个燃烧室长200 cm，宽90 cm，高90 cm，壁厚20 cm。实验燃烧的生物柴油由湖南省林业科学院提供，该生物柴油为多种甲酯的混合物，热值为39.198 kJ/g。

图1  生物柴油燃烧特性实验平台流程图

Fig. 1  Flow chart of experimental devices of flame characteristics of biodiesel

本实验选用直径为1 mm和2 mm的同材质K型热电偶，分别对不同工况下稳定燃烧过程的火焰内部固定点进行测量。为了得到整个燃烧温度场分布，必须在燃烧空间内合理布点，燃烧室的温度测量点分布如图2所示。

72个点均匀分布在火焰的内部和周围，温度测量点之间的轴向距离为20 mm，径向距离也为20 mm(实验中，火焰有明显的上扬，所以，测量温度时，上半平面多布置了1排测点)。为了精确定位热电偶在火焰中的位置，在试验中采用一套能够进行X，Y和Z 3个方向精确测距的平移组合坐标台，热电偶被固定在坐标台的顶面，并且能在沿火焰剖面方向上进行多点测量时精确调节热电偶的位移量。为了确保炉窑燃烧工况的稳定，对炉窑壁温、烟气流速进行在线监控，在燃料量和空气量已稳定的情况下，待壁温稳定后，方可开始实验。

图2  温度测量点分布图

Fig. 2  Diagram of temperature measuring point distribution

1.2  实验条件和方法

生物柴油燃烧器具有可调节雾化压力的功能，但在调节雾化压力的同时，生物柴油流量会有变化。因此，实验时，采用固定雾化压力为14×10⁵ Pa，流量为32.5 mL/min，选取过量空气系数(n)分别为1.00，1.05，1.10和1.15，助燃空气温度t为20(常温)，300和500 ℃，对过量空气系数和助燃空气温度进行交叉实验。生物柴油为常温20 ℃。对所测的散点温度分布利用软件Matlab进行处理，得出所测平面的火焰内部及周围温度场。

1.3  实验误差分析

由于火焰存在瞬态脉动特性，炉膛内火焰温度总存在波动，热电偶的响应滞后于温度的波动，而且考虑到辐射散热和导热损失，热电偶测温存在一些误差。实验中采用自行设计的旋流燃烧器，能够实现不同工况下比较稳定的燃烧，保证动态温度测量的准确性，减小火焰脉动对实验结果的影响。同时，本实验采用细直径热电偶，并且套有细长的瓷管，可以减少导热系数，提高气流对热电偶接点的放热系数，因此，导热损失可以忽略。

由于热辐射与绝对温度的4次方成比例，因而在测量端温度较高时，辐射的影响往往大于导热的影响而占支配地位。本实验采用Brohez等^[16]提出的辐射修正方法，即采用2个不同直径K型热电偶同时对温度进行测量，引入1个参数——辐射衰减误差(R_RE)，将2个热电偶的温度差值乘以R_RE，再加上直径大的热电偶温度，即可认为为实际被测温度。

2  结果与分析

2.1  常温下过量空气系数对温度场的影响

过量空气系数分别为1.00，1.10和1.15时对应的火焰剖面温度见图3。从图3可以看出生物柴油应用于旋流燃烧器燃烧时火焰分布有以下特点：轴线上火焰温度较低，且沿轴线向外温度先逐渐升高，升至最高点后，向外温度逐渐降低；在垂直高度上，从轴线位置向靠近壁面方向，火焰温度先逐渐升高，后逐渐下降，且轴线以上的高温区面积较下部的大，这是由于浮力的作用，火焰整体有上扬的趋势。该燃烧火焰温度的分布符合旋流非预混火焰温度的分布^[17]：在整个火焰中，发生化学反应的区域比较狭窄，在到达火焰顶部以前，高温的反应区是一个环形区域。由于旋流离心作用下产生的燃料径向分布不均匀，造成轴线上燃料浓度小，燃烧强度弱，出现轴线温度较低的现象。同时，在越靠近火焰顶部的反应区，由于反应温度较高，受到浮力的作用，火焰会有上扬的趋势。这增加了火焰扩散作用，上扬部分的火焰区域温度比轴对称对应的区域高很多。

由图3可知常温下过量空气系数在1.00~1.15变化时对应温度场的区别及规律：随着过量空气系数的增加，火焰高温区逐渐向燃烧器喷嘴出口靠近；同时，不同工况对应的最高温度逐渐升高，根据各温度测点的实验结果知，最高温度分别为929，1 015和1 039 ℃。产生上述现象的原因是：过量空气系数增加一方面提供了更多的氧气，加强了燃烧过程；另一方面，空气流量的增加同时提高了空气流经旋流片之后的轴向和径向速度，因此，加强了空气与生物柴油液滴的混合作用，从而为生物柴油的燃烧创造了更加有利的条件，加快了燃烧速度，使得生物柴油液滴在很短时间内就能够实现完全燃烧，火焰高温区前移，且火焰高温区长度变长。

图3 助燃空气温度为20 ℃时不同过量空气系数对应的温度分布

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

图4所示为助燃空气温度为常温时沿轴线的火焰温度变化曲线。从图4可以看出：在轴线上，火焰温度整体的变化趋势是先缓慢增大，随后进入快速增长，到达峰值后又迅速回落。这也是由旋流非预混火焰的特性决定的。在焰心区，当过量空气系数由1.00提高至1.10时，火焰温度波动不大；当过量空气系数升至1.15时，火焰变短，火焰温度迅速上升，并到达峰值；在火焰尾部，过量空气系数越高，温度下降速度越快。而当空气过量系数为1.00时，由于浮力的作用，在火焰前端，火焰主体向上偏离，在沿轴线对应的同一测点，其温度低于空气过量系数为1.10时的温度。产生这种现象的原因可能是喷入的空气量和喷入的速度不同，引起内部回流区形状和强度发生变化。回流区形状的变化是气体热膨胀的直接结果，依赖于内部所释放的热量，即靠炽热燃烧产物从反流区连续不断向回流区供给它们所携带的热量实现的。在过量空气系数较大的情况下即实际空气量大于理论空气量时，燃烧的速度取决于喷口射流喷入空气的速度：当喷口速度较大时，射流以与喷管较大的角度贯穿进主流中，而沿着射流的方向速度衰减则变慢，使得空气与燃料混合的燃烧器径向 “路程”变长，继而影响了回流区的强度和尺寸，而回流区主要为高温区和重要反应区。与张淑荣等^[18]模拟的小型燃油锅炉普通柴油燃烧温度场相比，常温下随着过量空气系数增加，生物柴油与柴油燃烧的高温区面积增大，火焰长度变短，最高温度都偏离中心线位置。由于生物柴油的低热值比普通柴油的小，柴油燃烧的最高温度比生物柴油的高。火焰的后方都出现低温区，但生物柴油的温度分布更加均匀、稳定，一方面，由于生物柴油的含氧量较高，燃烧速度快；另一方面，自行设计的旋流燃烧器的雾化效果更好，使得与助燃空气的预混更完全。

图4  沿轴线火焰温度变化曲线

Fig. 4  Curves of flame temperature change along axis

2.2  高温下过量空气系数对温度场的影响

将助燃空气温度控制为500 ℃，过量空气系数设置为1.00，1.05，1.10和1.15，研究高温时不同过量空气系数对火焰区温度场的影响。图5所示为所测平面的火焰内部及周围温度场，对比助燃空气温度为常温时的火焰区域温度场可以看出：助燃空气温度提高时，火焰整体温度有所提高，高温区域变大，实验过程中火焰亮度显著提高。

在实际工业应用过程中，过量空气系数有一半大于1.00(液体燃料过量空气系数一般取值1.10~1.15)。在图5(a)中，过量空气系数为1.00，在燃烧实验过程中，燃烧产物中碳烟含量较多，不完全燃烧现象显著。该火焰温度分布较不均匀，且局部区域温度较高，温度梯度逐渐减小。在火焰前端初始反应区，生物柴油油粒经过蒸发、热解和裂化，油的蒸汽与氧的混合燃烧过程达到另一个强烈过程，会出现高温区域。而在过量空气系数较低时，喷入的空气量和速度较低，导致油蒸汽与空气混合不均匀，从而产生了局部区域温度较高的现象。从图5可以看出：当助燃空气温度提高时，随着过量空气系数增加，燃烧火焰的温度分布越来越稳定，局部区域温度较高现象减弱，高温趋于稳定且区域面积有所增大，沿火焰燃烧方向温度分布向均匀化方向发展。结果表明：当过量空气系数为1.15时，燃烧稳定，火焰分布均匀且火焰温度最高，可以认为此时获得了最佳燃烧效果，因此，在之后的助燃空气温度对温度场影响的实验中，过量空气系数均选择1.15。

2.3  助燃空气温度对温度场的影响

针对助燃空气温度分别为20，300和500 ℃，过量空气系数为1.15时进行实验，对应火焰温度分布如图6所示。从图6可见：当过量空气系数一定时，随着助燃空气温度升高，火焰温度明显升高，火焰变亮，火焰长度逐渐变短，面积逐渐变小；当助燃空气温度为500 ℃时，火焰温度场与助燃空气温度为300 ℃时相比，高温区域面积变小且离喷口更近，温度梯度变大，出现明显的局部温度过高的现象。这说明助燃空气温度在一定范围内升高能使燃烧更充分更稳定，但当升高到一定值时，会出现高温分布不均的现象，反而不能达到最佳燃烧状态，同时，在垂直高度上，火焰上扬趋势越来越明显。向上的高温区面积较下部的大，这是由于浮力的作用，致使上部的燃烧区域更大，火焰整体呈现上扬的趋势。助燃空气温度升高，加速了生物柴油的蒸发，在火焰前端，浮力的作用大于动量的作用，导致火焰的上扬趋势更加明显。

图5  助燃空气温度为500 ℃时不同过量空气系数所对应的温度场

Fig. 5  Temperature distribution for different excess air coefficients when combustion air temperature is 500 ℃

图6  过量空气系数为1.15时不同助燃空气温度对应的温度场

Fig. 6  Temperature distribution for different combustion air temperatures when n=1.15

3  结论

1) 生物柴油应用于旋流燃烧器燃烧火焰分布有以下特点：轴线位置上温度较低，沿轴线向外温度逐渐升高，升至最高点时，向外温度逐渐降低；在垂直高度上，轴线上部的高温区面积较下部的大，火焰整体呈现上扬的趋势。

2) 当助燃空气温度为常温，过量空气系数在1.00~1.15范围内增加时，火焰高温区逐渐变短，逐渐向燃烧器喷口靠近，沿轴线的火焰温度整体上有所提高。在轴线上，火焰温度整体的变化趋势是先缓慢平缓地增大，随后快速增长，到达峰值后又迅速回落。当过量空气系数为1.15时，火焰的高温区集中在火焰的前端喷雾边界区，油滴与空气预混充分，反应最强烈。

3) 当助燃空气温度为500 ℃，过量空气系数在1.00~1.15范围内增加时，燃烧火焰的温度分布越来越稳定，局部高温区越来越集中，沿火焰燃烧方向温度分布向均匀化方向发展。因此，当过量空气系数为1.15时，不仅燃烧稳定、火焰分布均匀，而且火焰温度最高，燃烧效果最理想。

4) 当过量空气系数为1.15时，随着助燃空气温度提高，火焰温度逐渐升高，温度梯度变大，火焰区域面积变小，高温区域面积先增大后变小，并逐步出现局部温度过高的现象。同时，在垂直高度上，轴线上部的高温区面积较下部的大，且面积相差越来越大，火焰呈现的上扬趋势越来越明显。

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(编辑  陈灿华)

收稿日期：2014-10-12；修回日期：2014-12-25

基金项目(Foundation item)：国家科技支撑计划项目(2007BAD41B05) (Project(2007BAD41B05) supported by the National Key Technology R&D Program)

通信作者：蒋绍坚，教授，硕士生导师，从事低碳能源技术包括高效清洁燃烧技术、生物质能利用技术、流程工业节能环保技术等研究；E-mail:sjjiang@csu.edu.cn