醇基燃料及其燃烧技术研究(20170518)

实事求是敢为人先醇基燃料及其燃烧技术研究湖南大学教授/博导鄂加强实事求是敢为人先☞Content:Part1醇基燃料基础Part2醇基燃料燃烧技术研究现状Part3醇基燃料应用实事求是敢为人先Part1醇基燃料基础■■■以醇类(如甲醇、乙醇、丁醇等)物质为主体配置的燃料。■■■以液体或者固体形式存在的。■■■是一种生物质能，和核能、太阳能、风力能、水力能一样，是目前大力推广的环保洁净能源。■■■面对石化能源的枯竭，醇基燃料是最有潜力的新型替代能源。醇基燃料燃烧实事求是敢为人先■■■到2015年底，我国甲醇产能达到7454万吨(比2010年增长86.3%)。■■■到2020年，预计我国甲醇需求量约为8683万吨，其中国产甲醇约占90％。■■■按照80％的产能发挥率计算，到2020年甲醇产能应达到9868万吨。■■■我国甲醇行业存在部分不具备竞争力的落后产能，预计到2020年落后产能退出约600万吨，综合甲醇主要下游产品需求分析，我国甲醇新增产能需控制在2800万吨以内。Part1醇基燃料基础甲醇产能分析实事求是敢为人先■■■醇基燃料成分复杂①醇基燃料是一种以甲醇为主，混合有乙醇、丙醇等多元醇类和烷烃的液体燃料；②其闪点为7℃，属于中闪点液体燃料(-18~23℃)；③沸点范围为64.7~200℃；④自燃温度为436℃。■■■醇基燃料能量密度较低，蒸发潜热大①醇基燃料的热值一般在20100~26000kJ/kg之间，是柴油、液化气等高热值燃料热值的60%左右，属于低热值液体燃料，②醇基燃料能和水以任何比例相互溶解，但不与水形成共沸混合物，含水燃料的热值将更低。③蒸发潜热为1130kJ/kg，是汽油的4倍多。Part1醇基燃料基础实事求是敢为人先■■■醇基燃料是一种非常清洁的燃料①醇基燃料本身含氧，燃烧时需氧较少，燃料燃烧充分，呈蓝色火焰，烟气中不含有碳粒，主要为二氧化碳和水；②醇基燃料硫含量极低，燃料燃烧后烟气中硫化物生成浓度也极低，醇基燃料是仅次于氢气的最清洁的燃料之一，③未燃尽的醇基燃料气体对眼睛有强烈的刺激作用，并可使人致盲。■■■醇基燃料适应面广醇基燃料适用于城市餐饮业炉灶、中小型锅炉、居民家用灶具及工业炉窑。Part1醇基燃料基础实事求是敢为人先优势1环保性Part1醇基燃料基础■■■新型醇基环保水性燃料的燃烧产物主要是H2O、CO2；■■■具有无烟尘、无味、无压力、无污染、使用无需烟道、无残留物等特点；■■■新型环保醇基水性燃料若与研制的专用灶具配合使用，各项指标能达到国家安全与环保的相关标准。实事求是敢为人先优势2热效性Part1醇基燃料基础■■■新型环保醇基水性燃料热效能高，且能完全燃烧。■■■汽化潜热是汽油的4倍左右混合燃料蒸发汽化：①可使进气温度进一步降低；②增加充气量；③提高充气效率，燃烧速度快，改善燃烧后灶具灶头的热循环条件；④可显著提高燃烧效率。实事求是敢为人先优势3经济性Part1醇基燃料基础■■■目前新型环保醇基水性燃料市场价格约为4000元/吨，价格优势明显。■■■随着高温气化合成技术的完善，以及低温低压法和液相法生产燃料技术日臻完善，其工艺流程将得到简化，燃料的生产成本还会逐渐降低。实事求是敢为人先实用性Part1醇基燃料基础■■■与液化石油气、煤油、柴油等相比，醇基燃料价格较低，对空气污染轻；■■■与煤炭、柴草等固体燃料相比，可明显减轻环境污染，并且储运方便；■■■与天然气相比，不需要昂贵的管道输送系统。■■■醇基燃料灶具采用脉冲电子打火，自动调节空气加入量，能保证燃料安全稳定燃烧；■■■可用于大、中、小型餐馆、酒楼等的灶具燃料。优势4实事求是敢为人先安全性Part1醇基燃料基础■■■对人体无毒；■■■储存方便(铁桶、塑胶桶均可存放)；■■■具有较高的抗爆性能；■■■燃点也较高，不容易发生火灾事故；■■■闪点为20℃，用水即灭；■■■比使用石油类燃料、天然气燃料及城市燃气类燃料安全。优势5实事求是敢为人先热能型醇基燃料动力型醇基燃料甲醇汽油甲醇柴油主要用于工业热源、集中供暖、酒店食堂、厂区餐厅、家庭厨房主要作为柴油车、汽油车、工程车、发电机组、船舶用燃料甲醇汽油能够在各种汽油车上使用甲醇的十六烷值为3，不具备完全代替柴油的基础Part1醇基燃料基础实事求是敢为人先Part2醇基燃料燃烧技术研究现状■■■理化特性表明，醇基燃料适合采用汽化燃烧技术进行燃烧。■■■需先“汽态化”，才能实现高效低污染燃烧。■■■汽化燃烧技术，就是通过分离醇基燃料燃烧的蒸发过程与燃烧过程，使得燃料在燃烧前得以气体状态与燃烧空气均匀混合，实现醇基燃料的纯气相燃烧，燃料完全燃烧的同时，能够明显减少有害物的排放；■■■汽化燃烧技术为各类高效率、低污染的醇基燃料燃烧器的发展奠定了基础。喷雾形成蒸发着火燃烧醇基燃料燃烧实事求是敢为人先■■■醇基燃料从燃料箱流出→进入多级汽化器→经预热、汽化、过热后→高温燃气。■■■高温燃气：①小部分以一次燃料的方式进入辅助汽化燃烧器燃烧，为多级汽化器汽化醇基燃料和预热空气提供所需热量；②大部分以二次燃料的方式进入主汽化燃烧器，与一次燃料燃烧后的烟气混合燃烧。■■■通过调整一、二次燃料的比例进行火力调节。因控气开关调节燃料总量较小，故该装置适合用于小型灶具(热效率可达61%)。气控式醇基液体燃料汽化燃烧装置Part2醇基燃料燃烧技术研究现状实事求是敢为人先气控式液体燃料汽化燃烧装置工作流程图空气预热空气主汽化燃烧器燃料控制装置多级汽化器辅助汽化燃烧器燃料箱Part2醇基燃料燃烧技术研究现状实事求是敢为人先■■■醇基液体燃料从燃料箱流出→燃料控制装置→进入多级汽化器中(一次燃料燃烧及收炉膛余热的热量)→经预热、汽化、过热成为高温燃气。■■■高温燃气:①小部分以一次燃料的方式进入辅助汽化燃烧器燃烧，为多级汽化器汽化液体燃料和预热空气提供所需要的大部分热量；②大部分以二次燃料进入主汽化燃烧器，与一次燃料燃烧后的烟气混合燃烧。■■■通过调节进入多级汽化器的液体燃料的流速来实现火力控制。该装置适合于中、大型炉灶，其热效率远高于同类灶具，可达55%。液控式醇基液体燃料汽化燃烧装置Part2醇基燃料燃烧技术研究现状实事求是敢为人先空气预热空气主汽化燃烧器燃料控制装置多级汽化器辅助汽化燃烧器燃料箱液控式液体燃料汽化燃烧装置工作流程图Part2醇基燃料燃烧技术研究现状实事求是敢为人先液面直燃式燃烧器■■■为最早的醇基液体燃烧器，与简易乙醇炉相近，即将一定数量的醇基燃料直接注入炉灶的小型容器中，燃烧和气化在液面同时进行。■■■主要缺点①燃烧温度低，醇基燃料燃烧不完全，热效率低；②产生大量的有害气体，污染环境，浪费能源。Part2醇基燃料燃烧技术研究现状实事求是敢为人先打气加压式燃烧器■■■特点是要打气加压，有的采取位差式加压，有的采用钢瓶打气式，或采用灶上打气式。■■■存在问题①结构复杂，操作麻烦。由于高压供气，燃烧器中阀门和接头过多，有时会造成泄漏，不够安全；②横管气化使整个气化器处于过热状态，易引起汽液混流。Part2醇基燃料燃烧技术研究现状实事求是敢为人先气体燃料加压式燃烧器采用竖管气化器特点：①不打气加压,低压供液；②在气化器里气液不混流,热量从上往下传递,逐步增大气化接触面；③燃烧器管路减少,只有气阀和液阀,减少了泄漏隐患,提高了安全性。存在问题：①由于低压供液，火力逐渐增强，若气化不足，燃烧不稳定，有喘气现象；②燃烧器调整较困难；③热效率低，对燃料质量要求较高，否则燃烧器气化不好。Part2醇基燃料燃烧技术研究现状实事求是敢为人先自增压式燃烧器这种燃烧器没有设立专门的气化器，利用燃烧器与燃料箱形成的腔体，在燃烧时通过被加热的腔体加热燃料，燃料在燃料箱中气化产生压力，供燃烧器燃烧。特点：结构简单，只有进液管、出气管和一个气阀，火力控制方便。缺点是:燃料箱温度高,压力大，并始终处于波动之中，在某种情况下有可能导致燃料箱内压力急剧升高，有引起燃料箱爆炸的可能，存在较大安全隐患。Part2醇基燃料燃烧技术研究现状实事求是敢为人先■■■同时具有气化和燃烧的一体化燃烧装置；■■■该燃烧装置由燃料箱、燃料控制、预热空气、主燃烧气化器、多级气化器、辅助气化燃烧器等部分组成。①燃料箱为无压、常温，液体燃料经燃料控制装置进入多级气化器；②燃烧主气化器主要用于多级气化器加热和对预热空气加热；③液体燃料在多级气化器内经逐级加热完全气化，成为120~500℃的燃气，进入辅助气化燃烧器,与高温空气混合燃烧。④预热空气的热量由烟气提供，通过主气化燃烧器的加热升温，成为高温空气；⑤燃料气化热由主气化燃烧器和辅助气化燃烧器供应。无压式多级气化燃烧装置Part2醇基燃料燃烧技术研究现状实事求是敢为人先■■■燃料箱始终保持常温常压，气化燃烧部分与外界连通，安全隐患少；■■■不需另加预热油料，采用电子脉冲点火，操作方法与普通燃烧器无异；■■■点火和调节火力只需一个阀门，火力可在微小火焰和额定燃烧功率间进行无级调节；■■■燃料被加热成为高温燃气，并采用了二次燃烧技术，燃料热效率高，敞开式燃烧时热效率高达55%以上；■■■气化完全，可完全燃烧，对环境污染小(在已进行的烟气测试中，有机物HC的含量为零、NOX浓度仅为4mg/m3、CO浓度为0.02%)。结构特点：Part2醇基燃料燃烧技术研究现状实事求是敢为人先Part3醇基燃料应用■■■醇基燃料燃烧器是一个规则的圆柱体燃烧器。■■■空气从圆锥面首先喷射到燃烧区域，然后醇基燃料经中间圆柱台气化后，从圆柱台四周小孔射入燃烧区域，进行燃烧。■■■醇基燃料燃烧器可以在较短的时间内，达到稳态燃烧。醇基燃料燃烧器三维网格模型醇基燃料燃烧器三维CAD模型实事求是敢为人先Part3醇基燃料应用CH3OH质量分数分布α=0.7时醇基燃料燃烧器燃烧区域仿真结果实事求是敢为人先Part3醇基燃料应用CO质量分数分布实事求是敢为人先Part3醇基燃料应用NOx质量分数分布实事求是敢为人先Part3醇基燃料应用O2质量分数分布实事求是敢为人先Part3醇基燃料应用温度分布实事求是敢为人先Part3醇基燃料应用CH3OH质量分数分布α=1.1时醇基燃料燃烧器燃烧区域仿真结果实事求是敢为人先Part3醇基燃料应用CO质量分数分布实事求是敢为人先Part3醇基燃料应用NOx质量分数分布实事求是敢为人先Part3醇基燃料应用O2质量分数分布实事求是敢为人先Part3醇基燃料应用温度分布实事求是敢为人先Part3醇基燃料应用0.40.60.81.01.21.41.65.0x10-51.0x10-41.5x10-42.0x10-42.5x10-42massfractionofCOamassfractionofNOx1430.110.120.130.140.150.161-实测NOx质量分数；2-仿真NOx质量分数；3-实测CO质量分数；4-仿真CO质量分数；NOx和CO的质量分数随过量空气系数的变化趋势■■■NOx的质量分数随过量空气系数的增加而减小；■■■CO的质量分数在过量空气系数α=1.1时，CO的质量分数最低。实事求是敢为人先0.40.60.81.01.21.41.6130014001500160017001800190020002100220023temperature(K)a11-实测最高温度；2-仿真最高温度3-仿真平均温度Part3醇基燃料应用平均温度和最高温度随过量空气系数的变化趋势燃烧器出口的最高温度和平均温度均随过量空气系数的增加而减小，其中平均温度的下降速率较快。实事求是敢为人先Part3醇基燃料应用速度矢量与温度梯度的夹角余弦值分布图压力为0.11MPa时，夹角余弦值分布图、压强和速度分布图实事求是敢为人先Part3醇基燃料应用压强分布图实事求是敢为人先Part3醇基燃料应用速度分布图实事求是敢为人先Part3醇基燃料应用速度矢量与温度梯度的夹角余弦值分布图压力为0.20MPa时，夹角余弦值分布图、压强和速度分布图实事求是敢为人先Part3醇基燃料应用压强分布图实事求是敢为人先Par