全自动生物质燃烧机的设计与分析
郑州达冠节能环保设备有限公司
中国 郑州
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达冠
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DG-120
燃料类型
颗粒
120万大卡
2100*830*1650
180万大卡
2250*1170*1790
全自动生物质燃烧机的设计与分析
摘要：全自动生物质燃烧机技术是现代燃烧应用领域的发展方向之一。介绍了全自动生物质燃烧机的结构及其技术特点，给出了全自动生物质燃烧机燃烧头部件、燃油系统、空气系统及控制系统的一般设计方法，并对其设计进行了分析。
1简言
随着我国国民经济的发展，能源多样化的推进及环保要求的提高，各种以轻油为燃料的燃烧机在各种需要热源的场合得到广泛应用。目前，我国燃烧机市场大多被国外品牌所占领，耗油量在30 kg/h以下的小型生物质燃烧炉市场被意大利意高( Ecoflam)，利雅路(RIELLO)．百特(Baltur)和日本奥林佩亚(OLYMPLA)等占领，而耗油量大于30 kg/h的中大型生物质燃烧机市场则被德国威索( Weishaupt)，英国海威(Hamworthy)等国外厂商的产品所垄断，国产品牌则屈指可数。如果国产生物质燃烧炉技术和产品不能形成自己的技术特色，创出品牌，就有可能退出竞争激烈的市场，失去本可以获得的经济和社会效益。因此在我国发展全自动生物质燃烧机具有重要意义。
2全自动生物质燃烧机的结构特点
全自动生物质燃烧机由燃烧头，燃油系统，空气系统及控制系统4部分组成，其结构外形如图1所示。
燃烧头包括燃烧筒、喷嘴、喷嘴座及稳焰器等零件。燃油系统包括油泵、燃油电磁阀、燃油管路和管件等零件。空气系统由风机、风门调节机构和空气通道组成。控制系统则由程序控制器、点火装置和火焰探测器
全自动生物质燃烧机采用机电一体整体式设计，集喷嘴、油泵、电磁阀、风机、风门控制器、点火装置、火焰探测器及程序控制器于一体。产品结构紧凑，便于操作和维护，且具有预吹扫、自动点火、负荷调节、火焰监控、后吹扫、低压启动、欠压保护等功能，能确保全自动生物质燃烧机安全、高效和低污染运行。通过对燃烧头部件和风机的合理设计，全自动生物质燃烧机能获得高燃烧效率（一般可达99%以上）和低噪声(一般<84 dB)，并能大大减少燃烧产物中一氧化碳等污染物的排放量，使其达到当今欧洲的空气排放标准。
3全自动生物质燃烧机的结构分析
3.1燃烧头
燃烧头是全自动生物质燃烧机的一个非常重要的部件，合理的设计可以保证燃烧机高效稳定运行，废气排放达到环保要求，具体结构如图2所示。
喷嘴和稳焰器是燃烧头的两个重要零件。由于轻油的燃烧是先将燃料油雾化形成细小而均匀的油滴后再与空气混合燃烧的，而喷嘴的作用是将油雾化成为细小而均匀的油滴，即形成油雾[1]。因此喷嘴设计质量的优劣对全自动生物质燃烧机具有重要影响。由于轻油的运动粘度值一般≤3～8 ffiff12/S(合恩氏粘度oE= 1.22～1.65)，因此全自动生物质燃烧机适宜采用机械雾化喷嘴，喷嘴内的结构如图3所示。
喷嘴内的旋流体是一个锥体，锥体上开有4条斜槽，油从切线方向流入旋流室，高速旋转后从喷口喷出，通过离心力的作用产生很大的切线速度，使燃油得到良好雾化。
机械雾化喷嘴根据其油雾截面形状的不同分为实心型、半实心型和空心型[1]，选用何种型式的喷嘴取决于对燃烧机火焰形状的要求。喷嘴的喷射角度有450，500，600，800等多种，选用何种角度应根据燃烧室的内腔结构尺寸决定，一般以油雾不喷到燃烧室的内腔壁为准。
为了加强燃烧机出口气流的扰动，促进油气的均匀混合，造成一个烟气回流区和不破坏着火条件，在燃烧头内部安装了一个内旋流式乎板型稳焰器，稳焰器结构如图4所示。从图4可以看出，在稳焰器的中心有一圆孔，周边有切向槽。燃烧机工作时，由风机提供的空气一部分从稳焰器的中心孔和切向槽供入，称为根部风（又称一次风），另一部分风从稳焰器与燃烧筒之间喷出，形成二次风。根部风在油雾尚未着火之前与油雾混合，避免油雾着火时由于缺氧而产生热分解，形成大量碳黑。根部风的大小直接关系到回流区的大小和着火条件，根部风太大会破坏着火条件，而根部风太小则不利于回流区的建立和燃料的稳定燃烧[2]。实践表明，当一次风量为总风量的15%～25%时，燃油才能稳定高效燃烧。二次风的作用是加强油与空气的后期混合，以保证燃油燃烧完全和防止油雾的裂解析碳。
3.2燃油系统
燃油系统由油管、过滤器、油泵及电磁阀等组成。燃油系统的设计要实现在一定的油压下(一般0.9～1.2MPa)能克服阀门、管道和管件的流动阻力，排除燃油中的空气，保证一定的燃油量，使燃烧机的热负荷满足要求。
从油泵喷出后燃油的压力损失为
Ap=△pl+△p2+Ap3 (1)
式中：卸，为电磁阀流动阻力，Pa；Ap2为燃油管路流动阻
力，Pa; Ap3为燃油经过喷嘴的压力损失，Pa。
下面铃析各部分的阻力及相应的计算方法。
(1)电磁阀流动阻力
电磁阀流动阻力一般可根据电磁阀生产厂家提供的阀门流量一压降关系图（或表），以燃烧机热负荷折算相应的燃油流量，查找到相应的压力损失值。
(2)燃油管路流动阻力
燃油管路流动阻力包括燃油管道沿程阻力和局部阻力，即却，=△p2+△p2 (2)
其中：Ap2为燃油管道沿程阻力；4p2为燃油管道局部阻力。
由于全自动生物质燃烧机的油管为细长管，因此燃油在管道中主要为层流，其沿程压力损失为式中：Re为燃油的雷诺数；工为燃油管道长度，m;钠燃油管道内径，m;¨为燃油流速，m/s;卢为燃油密度，kg／m3。
其中燃油流速¨可由下述公式计算
u=21.44 Q，/d2 (4)
式中：Qf为燃油输出流量，L/min;纳燃油管道内径，m。
由于燃油管一般弯曲900，因此其局部压力损失为：{净加热设备 《工业加热》第33卷2004年第6期
△p2 =0.09pt/2 全自动生物质燃烧机控制系统工艺流程图如图5所示。
(3)燃油经过喷嘴产生的损失
由于燃油通过喷嘴时经过了旋流雾化，其压力损失可忽略不计。
对于全自动生物质颗粒燃烧机来说，燃油系统主要阻力是燃油管路的流动阻力。从燃油管路的流动阻力计算公式可知，燃油管路的流动阻力与燃油流速的平方成正比，可见燃油流速是影响燃油阻力的主要因素。因此，在燃油系统的设计上除了选用压力损失小的电磁阀外，在保证燃油一定流速的前提下，应尽量缩短燃油的输送距离，或增加输油管道的内径。
3.3空气系统
空气系统由风机、风门调节机构和空气管道组成。其主要作用是给燃油燃烧提供足够数量且具有一定压力的空气，使燃油稳定快速燃烧。由于燃烧机的工作负荷是变化的，因此应根据燃烧机在最大热负荷下对风量和风压的要求对空气系统进行设计。
风机设计分蜗壳内壁型线和叶轮两部分。一般生物质燃烧炉蜗壳的内壁型线根据叶轮直径和蜗壳的张开度A值等边基四偏心法作近似对数螺旋线，由四段型线组成蜗壳。而叶轮的设计则采用多翼式强前向叶轮，这种叶轮具有流量系数大、压力系数高、尺寸系数小等优点[3]，其动压、静压与全压的比例关系有利于提高生物质颗粒燃烧机的燃烧稳定性。叶轮、蜗壳及长风道的有效组合可使生物质燃烧炉具有调节燃烧负荷时风压稳定、负荷调节范围宽、燃烧稳定性好等优点。
4全自动生物质颗粒燃烧机控制系统
全自动生物质颗粒燃烧机的控制系统包括程序控制器、风门控制器、火焰探测器、电机、电磁阀、点火变压器、点火电极等。其中程序控制器是燃烧机控制系统的核心部件，而其它设备为开关信号源或命令执行部件。
燃烧机控制系统的主要功能包括燃烧机自动启动、停止、负荷调节、预吹扫、自动点火、燃烧火焰监控、点火失败保护、熄灭保护、超温超压保护、断电保护等。
对控制系统的主要技术措施：
(1)预吹扫。燃烧机在点火前必须进行预吹扫，把燃烧室与烟道内可能留有的可燃气体吹除，以保证燃烧室及姻道的可燃气体的浓度不在爆炸极限范围之内。
(2)自动点火。生物质颗粒燃烧机采用高压电子点火变压器产生的电弧点火。为了保证点火的成功率，一般要求点火电压>8 kV，电流>15 mA，点火时间一般为5～10 s。
(3)点火失败保护。如果火焰探测器在一定时间内感应不到火焰信号，则燃烧机关闭电磁阀，切断油路并进行吹扫。
(4)断电保护。燃烧机在工作过程中如果突然断电，必须立即切断燃油供应以保护设备安全。因此，燃油电磁阀必须是常闭型的，一旦断电，自动切断燃油供应。
(5)燃油泄漏保护。为了防止燃烧机在预吹扫期间因电磁阀泄漏，使大量油液落入燃烧室内造成点火时爆燃，在油路上装有安全电磁阀以确保燃烧机安全运行。
5结语
摘要：全自动生物质燃烧机技术是现代燃烧应用领域的发展方向之一。介绍了全自动生物质燃烧机的结构及其技术特点，给出了全自动生物质燃烧机燃烧头部件、燃油系统、空气系统及控制系统的一般设计方法，并对其设计进行了分析。
1简言
随着我国国民经济的发展，能源多样化的推进及环保要求的提高，各种以轻油为燃料的燃烧机在各种需要热源的场合得到广泛应用。目前，我国燃烧机市场大多被国外品牌所占领，耗油量在30 kg/h以下的小型生物质燃烧炉市场被意大利意高( Ecoflam)，利雅路(RIELLO)．百特(Baltur)和日本奥林佩亚(OLYMPLA)等占领，而耗油量大于30 kg/h的中大型生物质燃烧机市场则被德国威索( Weishaupt)，英国海威(Hamworthy)等国外厂商的产品所垄断，国产品牌则屈指可数。如果国产生物质燃烧炉技术和产品不能形成自己的技术特色，创出品牌，就有可能退出竞争激烈的市场，失去本可以获得的经济和社会效益。因此在我国发展全自动生物质燃烧机具有重要意义。
2全自动生物质燃烧机的结构特点
全自动生物质燃烧机由燃烧头，燃油系统，空气系统及控制系统4部分组成，其结构外形如图1所示。
燃烧头包括燃烧筒、喷嘴、喷嘴座及稳焰器等零件。燃油系统包括油泵、燃油电磁阀、燃油管路和管件等零件。空气系统由风机、风门调节机构和空气通道组成。控制系统则由程序控制器、点火装置和火焰探测器
全自动生物质燃烧机采用机电一体整体式设计，集喷嘴、油泵、电磁阀、风机、风门控制器、点火装置、火焰探测器及程序控制器于一体。产品结构紧凑，便于操作和维护，且具有预吹扫、自动点火、负荷调节、火焰监控、后吹扫、低压启动、欠压保护等功能，能确保全自动生物质燃烧机安全、高效和低污染运行。通过对燃烧头部件和风机的合理设计，全自动生物质燃烧机能获得高燃烧效率（一般可达99%以上）和低噪声(一般<84 dB)，并能大大减少燃烧产物中一氧化碳等污染物的排放量，使其达到当今欧洲的空气排放标准。
3全自动生物质燃烧机的结构分析
3.1燃烧头
燃烧头是全自动生物质燃烧机的一个非常重要的部件，合理的设计可以保证燃烧机高效稳定运行，废气排放达到环保要求，具体结构如图2所示。
喷嘴和稳焰器是燃烧头的两个重要零件。由于轻油的燃烧是先将燃料油雾化形成细小而均匀的油滴后再与空气混合燃烧的，而喷嘴的作用是将油雾化成为细小而均匀的油滴，即形成油雾[1]。因此喷嘴设计质量的优劣对全自动生物质燃烧机具有重要影响。由于轻油的运动粘度值一般≤3～8 ffiff12/S(合恩氏粘度oE= 1.22～1.65)，因此全自动生物质燃烧机适宜采用机械雾化喷嘴，喷嘴内的结构如图3所示。
喷嘴内的旋流体是一个锥体，锥体上开有4条斜槽，油从切线方向流入旋流室，高速旋转后从喷口喷出，通过离心力的作用产生很大的切线速度，使燃油得到良好雾化。
机械雾化喷嘴根据其油雾截面形状的不同分为实心型、半实心型和空心型[1]，选用何种型式的喷嘴取决于对燃烧机火焰形状的要求。喷嘴的喷射角度有450，500，600，800等多种，选用何种角度应根据燃烧室的内腔结构尺寸决定，一般以油雾不喷到燃烧室的内腔壁为准。
为了加强燃烧机出口气流的扰动，促进油气的均匀混合，造成一个烟气回流区和不破坏着火条件，在燃烧头内部安装了一个内旋流式乎板型稳焰器，稳焰器结构如图4所示。从图4可以看出，在稳焰器的中心有一圆孔，周边有切向槽。燃烧机工作时，由风机提供的空气一部分从稳焰器的中心孔和切向槽供入，称为根部风（又称一次风），另一部分风从稳焰器与燃烧筒之间喷出，形成二次风。根部风在油雾尚未着火之前与油雾混合，避免油雾着火时由于缺氧而产生热分解，形成大量碳黑。根部风的大小直接关系到回流区的大小和着火条件，根部风太大会破坏着火条件，而根部风太小则不利于回流区的建立和燃料的稳定燃烧[2]。实践表明，当一次风量为总风量的15%～25%时，燃油才能稳定高效燃烧。二次风的作用是加强油与空气的后期混合，以保证燃油燃烧完全和防止油雾的裂解析碳。
3.2燃油系统
燃油系统由油管、过滤器、油泵及电磁阀等组成。燃油系统的设计要实现在一定的油压下(一般0.9～1.2MPa)能克服阀门、管道和管件的流动阻力，排除燃油中的空气，保证一定的燃油量，使燃烧机的热负荷满足要求。
从油泵喷出后燃油的压力损失为
Ap=△pl+△p2+Ap3 (1)
式中：卸，为电磁阀流动阻力，Pa；Ap2为燃油管路流动阻
力，Pa; Ap3为燃油经过喷嘴的压力损失，Pa。
下面铃析各部分的阻力及相应的计算方法。
(1)电磁阀流动阻力
电磁阀流动阻力一般可根据电磁阀生产厂家提供的阀门流量一压降关系图（或表），以燃烧机热负荷折算相应的燃油流量，查找到相应的压力损失值。
(2)燃油管路流动阻力
燃油管路流动阻力包括燃油管道沿程阻力和局部阻力，即却，=△p2+△p2 (2)
其中：Ap2为燃油管道沿程阻力；4p2为燃油管道局部阻力。
由于全自动生物质燃烧机的油管为细长管，因此燃油在管道中主要为层流，其沿程压力损失为式中：Re为燃油的雷诺数；工为燃油管道长度，m;钠燃油管道内径，m;¨为燃油流速，m/s;卢为燃油密度，kg／m3。
其中燃油流速¨可由下述公式计算
u=21.44 Q，/d2 (4)
式中：Qf为燃油输出流量，L/min;纳燃油管道内径，m。
由于燃油管一般弯曲900，因此其局部压力损失为：{净加热设备 《工业加热》第33卷2004年第6期
△p2 =0.09pt/2 全自动生物质燃烧机控制系统工艺流程图如图5所示。
(3)燃油经过喷嘴产生的损失
由于燃油通过喷嘴时经过了旋流雾化，其压力损失可忽略不计。
对于全自动生物质颗粒燃烧机来说，燃油系统主要阻力是燃油管路的流动阻力。从燃油管路的流动阻力计算公式可知，燃油管路的流动阻力与燃油流速的平方成正比，可见燃油流速是影响燃油阻力的主要因素。因此，在燃油系统的设计上除了选用压力损失小的电磁阀外，在保证燃油一定流速的前提下，应尽量缩短燃油的输送距离，或增加输油管道的内径。
3.3空气系统
空气系统由风机、风门调节机构和空气管道组成。其主要作用是给燃油燃烧提供足够数量且具有一定压力的空气，使燃油稳定快速燃烧。由于燃烧机的工作负荷是变化的，因此应根据燃烧机在最大热负荷下对风量和风压的要求对空气系统进行设计。
风机设计分蜗壳内壁型线和叶轮两部分。一般生物质燃烧炉蜗壳的内壁型线根据叶轮直径和蜗壳的张开度A值等边基四偏心法作近似对数螺旋线，由四段型线组成蜗壳。而叶轮的设计则采用多翼式强前向叶轮，这种叶轮具有流量系数大、压力系数高、尺寸系数小等优点[3]，其动压、静压与全压的比例关系有利于提高生物质颗粒燃烧机的燃烧稳定性。叶轮、蜗壳及长风道的有效组合可使生物质燃烧炉具有调节燃烧负荷时风压稳定、负荷调节范围宽、燃烧稳定性好等优点。
4全自动生物质颗粒燃烧机控制系统
全自动生物质颗粒燃烧机的控制系统包括程序控制器、风门控制器、火焰探测器、电机、电磁阀、点火变压器、点火电极等。其中程序控制器是燃烧机控制系统的核心部件，而其它设备为开关信号源或命令执行部件。
燃烧机控制系统的主要功能包括燃烧机自动启动、停止、负荷调节、预吹扫、自动点火、燃烧火焰监控、点火失败保护、熄灭保护、超温超压保护、断电保护等。
对控制系统的主要技术措施：
(1)预吹扫。燃烧机在点火前必须进行预吹扫，把燃烧室与烟道内可能留有的可燃气体吹除，以保证燃烧室及姻道的可燃气体的浓度不在爆炸极限范围之内。
(2)自动点火。生物质颗粒燃烧机采用高压电子点火变压器产生的电弧点火。为了保证点火的成功率，一般要求点火电压>8 kV，电流>15 mA，点火时间一般为5～10 s。
(3)点火失败保护。如果火焰探测器在一定时间内感应不到火焰信号，则燃烧机关闭电磁阀，切断油路并进行吹扫。
(4)断电保护。燃烧机在工作过程中如果突然断电，必须立即切断燃油供应以保护设备安全。因此，燃油电磁阀必须是常闭型的，一旦断电，自动切断燃油供应。
(5)燃油泄漏保护。为了防止燃烧机在预吹扫期间因电磁阀泄漏，使大量油液落入燃烧室内造成点火时爆燃，在油路上装有安全电磁阀以确保燃烧机安全运行。
5结语
在全自动生物质颗粒燃烧机的设计中，燃烧头部件，燃油系统，空气系统和燃烧机控制系统的合理配备至关重要。通过对燃烧机的全方位控制，不仅可提高其自动化程度，而且能确保燃烧机在最佳空燃比的状态下安全、可靠和高效运行。
生物质气化站，
