（动力机械及工程专业论文）层燃炉中生物质燃烧性能的研究.pdf

中文摘要 中文摘要 生物质作为可再生能源具有分布广阔、可再生性和洁净性等突出的优点，同 时在我国层燃炉数量多，效率低，出力小和环境污染严重，关于生物质燃烧性能 的研究对于缓解能源压力和环境保护有着重要的意义。本文以一台1 0 t h 层燃炉 为研究对象，对生物质在层燃炉中燃烧性能进行研究。 通过实验得到了所选三种生物质的工业分析结果、热值以及动力学性能等， 结果表明：生物质的挥发分含量高，达到7 0 以上，热值较低，活化能较小，说 明生物质的点火性能好。通过数值模拟得到了它们的温度分布、速度分布、压力 分布以及辐射热负荷分布等，结果显示：果木枝条的温度和热流密度均大于小麦 秸秆和花生壳，小麦秸秆的压力大于果木枝条和花生壳，三种生物质的燃烧比较 完全，温度分布均匀。花生壳产生的c 0 2 量大于小麦秸秆和果木枝条，三种生 物质c 0 2 浓度分布相似。 分析过量空气系数对生物质燃烧特性的影响，计算结果表明：萨1 4 时，燃 烧温度最高，热流密度最大，但燃烧压力较小，燃烧均匀，炉膛充满度高。铲1 2 时，燃烧不完全，燃烧温度较低，经济型最差。a _ 1 4 时，辐射传热系数为 1 3 5 2 4 5 w m 2 k ，a = 1 2 时，辐射传热系数最小，为1 2 0 2 3 0w m 2 - k 。萨1 4 时 玻尔兹曼特征数最大，为o 7 1 7 ，萨1 3 时，特征数为o 6 1 6 ，a = 1 2 时，特征 数最小，保持在o 5 1 5 。 通过数值模拟，比较了生物质和煤在层燃炉燃烧不同的特性，结果表明：煤 的燃烧温度高于生物质，但生物质燃烧更为完全，炉膛充满度高，燃烧产生的 c 0 2 较少。 对炉膛炉拱结构进行改造，并对生物质在新炉膛中燃烧特性进行研究，发现 增大后拱倾角可以加强气流的扰动作用，提高前拱附近的烟气温度，同时可以提 高整个炉膛的温度，增大锅炉效率。 本文的研究可以为生物质燃烧利用以及工业锅炉的燃烧优化提供一定的理 论依据，并对层燃炉的改造和设计具有指导意义。 关键词：生物质层燃炉燃烧特性辐射传热炉膛改造数值模拟 a b s t r a c t a bs t r a c t b i o m 嬲s 嬲a 他n e w a b l ee n e r g yh a sab r o a dd i s 讲b u t i o ni nc l l i n 玛b i o m 嬲si s 佗n e w a b l e 缸dc l e 锄髓dh 璐o m e ra d v a n 切g e s w 1 l i l ei i lc l l i 舱t l l em 蚰b e ro f m u l t i - l a y e r b u r n e ri sl a 玛e ，l o we 街c i e n c y 、s m a l lo u 印u t 锄de n v i r 0 衄e n t a lp o l l u t i o ni s r i o u s ，托s e a r c h e so nb i o m 嬲sc o m b i l s t i o no fe n e r g ) rf o rm i t i g a t i o np r e s s u r e 锄d 即v i r o 吼e n t mp r o t e c t i o na r es i g i l i f i c 趴t 1 1 1m j sp 印e r ，w ec h o o s ealo t m l ，e rb u n l 盱 弱m r e s e a r c h o b j e c t 1 机ee x p e 血i l e n t sh a v eb e e n l e c t t 沮b yb i o m 弱si i l d u s 时觚a l l y s i s ，c a l o r i f i c 砌u e ，m dd ) ，i l 锄i cp e r f 0 m l a l i c e ，e t c t h er c s m t ss h o w 帆：v o l a ：t i l ec o n t e n to f b i o m 勰sc a nr e 锄c hm 伽et l l a n7 0 ，w h i l eh e a tv a l u ea n da c ： t i v a t i o n e r g ya r el o w w l l i c hm i c a ：t ct h a ti 鲥t i o np e r f o 肌锄c e so fb i o m 嬲sa r e9 0 0 d o b t a i n e db yn u m e r i c a l s h u l a t i o no f t l l et e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o n 、v e l o c i t ) rd i s t r i b u t i o n 、p r e s s u 陀d i s t r i b u t i o n 锄dr a d i a t i o nh e a tl o a dd i s t r i b u t i o 玛t h e 陀s u bs h o w ：t l l et e i t l p e r a n 鹏锄dh e a tf l u ) ( o f 丘u i tb r a n c h e sa 北m g h e rt i l a nw h e a ts t 【a w 觚dp 啪u ts h e l l s ，圮p r e s s u 】陀o fw h e a t s t 均wi s1 1 i 幽e rn l a n 行m tb 瑚c h e s 锄dp e 锄u ts h e u s t h - e el 【i i l d so fb i o m a s s c o m b 憾c o m p l e t e l y - p r o d u c t i o no fc 0 2f o rp e 锄u ts h e n s i sg r e a t e rt 1 1 锄、：h e a ts 吮w 锄d 觚i tb 豫n c h e s ，她eb i o m a s s e sh a v es i m i l a rc 0 2c o n c e n t m t i o nd i s t r i b u t i o n a 船y si n n n c e0 nc o m b u s t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fb i o m 嬲sf o r e x c e s sa i rr a t i o ， t l l er c s u l t ss l l o wt h a t ：a = 1 4 ，t i l em a x i i l l u mc o m b u s t i o nt e m 肼服i ：t u r eo c c u r s ，h e a t n u xi sb i g g e s t b u tl e s sc o m b u s t i o np r e s s u r c = 1 2 ，c 0 m b u s t i o ni si n c o m p l e t e ，伦 c o m b u s t i o nt e m p e r a n 鹏i sl o w ，e c 0 n o m yi sm ew o r s ti i l l ec 嬲e a = 1 4 ，l er a d i a t i o n h e a t 衄s f e rc o e 伍c i e n tc 趾a c h1 3 5 2 4 5 w 一k g = 1 2 ，m er a d i 砒i o nh e a t 衄s 矗贸c o e f f i c i e n ti sm es m a l l e 瓯w m c hc 孤托h1 2 0 2 3 0w j 寻k 旺= 1 4 ， b o l t 珊猢舢m b e rr e a c h e s0 7 1 7 ，a = 1 3 ，b o l t 硼锄nn 啪b e rr e a c h e s 0 6 一1 6 ， a = 1 2 ，b o l 切m 锄m 姗b e r 陀a u c h e so 5 1 5 b y n u n l e r i c a ls h u l a t i o i l c o m p 耐s o no fd i 丘 e r e n tc h a 瑚u c t e r i s t i c sf o rb i o m 弱s 锄d c o a li sm a d e ，也e 陀刚t ss i l o w ：c 0 m b u s t i o nt 啪p 锄m 鹏f 0 rc o a li sh i g l l e rm 眦 b i o m 孙s ，b u tb i o m 嬲sc 肌c o m b 惦c o m p l e t e l y 锄dp r o d u c e1 e s sc 0 2 c h a i l g e 咖c n 啪o ff h m a c e 盯c h ，i ti sf 1 0 岫dt l l a ti i l c 他髂i n gm ea r c h 锄g i ec 姐 e nh a n c ed i s t u r b 锄c eo fa j rn o wt 0i i l l p r o v et e m p e m t u r e 鹏盯t l l ea r c h ，a tt h es 锄et i m e i tc 觚i n c r e 嬲et l l et e m p e r a _ t u r eo fm e 胁a c e 锄db o i l e re 伍c i e n c y t l l i ss t u d yc 姐b e 潞e dt 0p r 0 v i d eat 1 1 e o 陀t i c a lb 嬲i s 锄dd e s i 弘g u i d a n c e 弱 v 北京交通大学硕士学位论文 c o m b 嘶o no p t 洒切t i o no f b i o m 罄sb u m i n g 锄di n d u s t r i a jb o i l e r 1 皿y w o l s ：b i o m 嬲s ；l a y e rb 啪e r ；c 0 m b u s t i o np e f f o 珊衄c e ；m d i 撕o nh e a t 缸挪f i e r ：c h a m b e r 仃a n s f 0 n n a ：t i o n ；n u m 耐c 砒s 山l a r t i o n 致谢 致谢 本论文的工作是在我的导师陈梅倩教授的悉心指导下完成的，陈梅倩教授严 谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。导师在我学习期间倾 注了大量的心血，对我的论文研究工作给予了具体有效的指导，导师的宽容和鼓 励给了我莫大的精神支持，在此致以崇高的敬意和衷心的感谢! 贾力教授、杨飞副教授对于我的科研工作和论文都提出了许多的宝贵意见， 在此表示衷心的感谢。 在实验室工作及撰写论文期间，曾时明、周晓斌、张杨、王玉叶、刘翔等同 学对我论文中的研究工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。 在求学的道路上，我的家人给了我无私的爱心、关怀和帮助，感谢父母的理 解和支持! 特别感谢我的祖母，以告慰她的在天之灵，借此机会，感谢所有参加 论文评阅和答辩的各位老师! 谨以此文献给所有帮助、支持我的老师、同学和亲人。 n l 绪论 l 绪论 1 1 课题的研究背景及其意义 1 1 1 课题的研究背景 能源是人类社会发展的动力，目前人类所利用的能源主要可以分为三类首先 主要是化石燃料，如煤、石油、天然气；其次是核能；最后是一些可再生能源， 如太阳能、水能、生物质能和风能等。 2 0 0 6 中国能源发展报告【i j 中指出，全球能源消费构成中，化石能源占 9 0 ，核电、水电仅占1 0 。化石能源中，煤炭占6 2 8 多，石油占1 9 6 ，天 然气占1 7 6 。由此可见，在全球化石能源中，煤炭占据绝对优势。在中国一次 能源生产与消费构成中也不例外，煤炭比例超过2 3 。2 0 0 4 年，中国一次能源 生产构成中原煤占7 5 6 ，原油占1 3 5 ，天然气占3 o ，水电占7 9 。能 源结构以煤为主是由资源约束决定的，能源消费结构也基本与生产结构趋同。其 中，我国每年所产煤炭的8 4 直接用于燃烧【2 】。随着工业的不断发展和人民生活 水平的不断提高，对蒸汽动力、供热采暖和电力的需求量也越来越大，这直接导 致了煤炭的开采量一直呈现逐年增长的趋势，到2 0 0 5 年末已达2 2 亿吨。因此， 在未来几十年内，煤炭仍将是我国的主要能源和重要的战略物资【3 1 。 燃煤层燃炉是我国主要的煤炭利用方式之一，广泛应用于供热和工业生产过 程。我国工业锅炉每年耗煤量约6 亿吨，约为全国总煤消耗量的3 0 ，是仅次于 电站锅炉的最大的煤炭消耗者。我国工业锅炉总量约为6 0 【4 】万台，且每年仍在以 5 的速率增长。在各类工业锅炉中，6 5 是层燃炉，2 0 是往复炉排炉，1 0 是 固定炉排炉，3 5 是循环流化床锅炉，其它类型占1 。可见，燃煤链条锅炉在 我国国民经济生活中的重要地位。 层燃炉是机械化程度较高的一种层燃炉，因其炉排类似于链条式履带而得 名。它是工业锅炉中使用较广泛的一种炉型，在l 晰5 t i l 中等容量，甚至l 2 t l l 的小容量锅炉中都有采用。层燃炉是一种前饲式炉子，煤的燃烧过程是在移动中 完成的，它的燃烧工况稳定，热效率较高，运行操作方便，劳动强度低，烟尘排 放浓度较低。它属于单面着火方式，运行时燃料无自身扰动，沿炉排长度方向燃 料层有明显的分区。为使燃料中的可燃物和飞灰可燃物燃尽，可以采用“二次风”。 由于着火条件不好，拨火又必须人工操作，因此它不适于烧水分很大、灰分又多、 结焦性强的煤。我国燃煤链条锅炉不仅数量大，而且效率普遍比较低下。据统计， 目前我国燃煤链条锅炉的平均热效率只有6 5 左右，至少有l o 的节煤潜力。 北京交通大学硕士学位论文 可见对于燃煤层燃炉的研究仍然具有重大意义。 我国燃煤层燃炉的效率很低，熟损失大，冒黑烟，污染严重，并且我国资源 短缺，寻找可替代能源非常重要。生物质作为一种可再生的资源，引起广大学者 的普遍重视。 随着石油、天然气和煤等不可再生能源的日益枯竭及它们所带来的环境污染 的只益严重，各国学者纷纷把目光转向清洁的可再生资源生物质资源。全世 界的生物质如薪柴、稻壳、秸秆、柴草、木屑、树叶等资源相当丰富，据估计世 界陆上生物质产量为1 0 1 l 1 0 1 3 吨干物质，相当于目前所耗能量的数倍。中国的 生物质资源量大面广，生物质能占农村总能耗的近7 0 ，占全国总能耗的近1 4 。 因此，生物质能源由于资源取之不尽、用之不竭，且s 、n 含量低、利用过程 c 0 2 零排放等特点，而成为最具潜力的一种代替能源。 生物质的特性决定了它具有天然的洁净性和可再生性，生物质是植物通过光 合作用合成的，植物的光合作用是燃烧反应的逆过程，而燃烧反应是人类获取和 使用能源的主要方式。若两个过程能相互匹配形成完整循环，生物质能源将取之 不尽、用之不竭【5 l ，同时，生物质与矿物燃料相比是易燃烧的清洁燃料，其可燃 部分主要是纤维素、半纤维素和木质素，而且生物质含硫量、含氮量较低，碳活 性高，挥发组分高，灰分少，因此燃烧后s 0 2 、n o x 、灰尘等的排放量比煤小得 多，造成的空气污染和酸雨现象明显降低，这也是开发利用生物质能的主要优势 之一。 生物质资源数量巨大，分布广阔，这为集中规模化生产提供了有利条件。综 合以上几个特点，生物质燃烧研究具有很光明的前景。它不光可以解决日益重的 环境污染和资源短缺问题，还可以创造巨大的经济效益和社会效益。 生物质对生态环境的最大贡献还在于其具有温室气体c 0 2 零排放的特点。 目前运输燃料和燃煤电厂是c 0 2 的主要排放源，随着电力需求和交通运输的不断 增长，其排放量也不断增加。而生物质中的碳来自空气中流动的c 0 2 ，如果两个 速度匹配合适、达到平衡，整个生物质能循环就能实现c 0 2 零排放，从根本上 解决矿物能源消耗带来的温室效应。 1 1 2 课题的研究意义 我国是一个主要以燃煤为主的国家，然而煤炭作为不可再生资源，面临着日 益枯竭的严重情况。我国的工业锅炉大多是以煤为原料，并且一半以上为层燃炉， 并且锅炉中煤质不均匀，无法完全燃烧，造成锅炉的效率很低，浪费资源，污染 环境。而作为可再生资源的生物质能越来越受到人们的重视。结合以上几点，针 2 1 绪论 对生物质在链条层燃炉中的燃烧特性的研究就显得很有必要，对于节约资源，环 境保护和燃料的高效利用都有着重要的作用。对于生物质在层燃炉中燃烧特性的 研究可以为层燃炉的设计与优化提供理论依据。 1 2 课题研究现状 1 2 1 燃烧过程数值模拟研究现状 燃烧过程的数值模拟是近3 0 多年来，随着计算机技术的发展，在燃烧理论 流体力学、化学动力学、传热学、数值计算方法及实验技术的基础上发展起来的。 它以计算机为桥梁，把燃烧理论，试验和燃烧设备研制三者有机的结合起来，对 燃烧学的发展具有重要的科学价值和实际意义。 s p a l d i n g 在2 0 世纪6 0 年代后期，首先得到了层流边界层控制微分方程的数 值解，并成功地接受了试验的检验。s p a l d 啦和h 砌o w 等人继承和发展了 k o l l i l o g o r o v 和周培源等人的工作，创立了“湍流模型方法 ，提出一系列的湍流 流动和湍流燃烧模型【6 j ，在一定条件下完成了湍流燃烧过程控制方程组的封闭。 。 1 2 2 层燃炉燃烧模拟的研究现状 一般研究将链条锅炉燃烧视为煤层燃烧和炉膛气相燃烧两部分，炉膛燃烧的 入口条件由煤层燃烧提供。对煤层的产物，即炉膛燃烧边界条件做简单的假设后， 可以只研究炉膛内的冷态流场或气相燃烧，以辅助设计。 钱焕群等【7 】将煤层产生的烟气简化为冷态空气计算了额定负荷情况下，不同 炉拱形状的拱区冷态流动情况，以辅助炉拱设计。 王擎等【8 9 】也采用冷态简化方法模拟了炉内的混合情况，以辅助消烟二次风 设计。 王基壮【io 】以炉膛纯气相燃烧为研究对象，假定统一的炉膛烟气入口速度和温 度，气体组分分布则采用文献中的均匀配风实验结果，分别对不同拱型炉膛内流 场和温度场的特性进行了研究分析。 柏静儒等i l l l 则对床层反应进行了一定的考虑，他们的模型中床层采用基于热 力学平衡法的“黑箱模型 来处理，在此模型中把床层分成新燃料预热干燥区、 挥发份析出和燃烧区、焦炭气化区和灰渣燃尽区。根据各区建立热平衡，以此计 算进入床层表面的烟气各组成成分，然后将其作为炉膛气相燃烧的边界条件。这 种不考虑煤层具体燃烧过程，只研究炉膛内纯气相燃烧的模型，可以用于炉膛结 3 北京交通大学硕十学位论文 构的优化辅助设计，具有积极意义，但由于不能考虑煤层在不同配风和炉拱配冕 下燃烧的复杂特征，所以也具有一定的局限性。 从上世纪9 0 年代初到上世纪末，国外学者已不满足于这种单相的简化方法， 开始对燃煤固定床的床层燃烧模型进行研究，建立的多为一维模型。 h o b b s 及所在的s m o o t 团酣1 2 - 1 6 】对9 0 年代及以前的固定床煤气化和燃烧的 技术进行了广泛地综述，同时也评价了之前开发的一些模型，建立了基于灰脱落 和基于灰增长两种不同概念的煤气化一维固定床模型。前者认为焦炭燃烧过程 中，表面灰壳不断脱落，直至燃烧结束。后者认为随着燃烧的进行，表面灰壳不 断增长，直到燃烧终止。具体计算表明，后者更能表述层燃大颗粒煤的燃烧特征。 他们基于煤粉燃烧理论开发了一个模型，在这个模型中之前的一些常用假设没有 被克服，包括气相和固相温度相同，统一的床层孔隙率等。这个模型后来由 r a d l l l o 、，i c 等【1 4 1 5 】进行了改进，包括挥发分子模型，计算技巧和气相化学处理等 方面。 c 0 0 p e r 等【l j 7 】开发了一个数值模型来描述纯焦炭颗粒在堆积床层的燃烧，模 型中包含的过程有产生c o 的异相反应，c o 在气相中的氧化，气、固相的传热 及相间传热，颗粒在床内的移动和收缩，床内传热，灰的特性等。模型研究稳态， 与横向深度相比纵向截面变化大，因而忽略所有径向的变化，假定颗粒内部温度 等温，忽略压力损失，床层中的点是通过孔隙率、比表面积、颗粒的平均质量， 解方程得时候孔隙率和固相密度认为是不变的，用颗粒平均质量来表征颗粒的收 缩【1 8 】。虽然模型与文献中的数据很好符合，但模型忽略了反向扩散，炉型设计， 灰的堆积等因素，这些对于燃烧也是有很大影响的。 b i y 岫西u 【1 9 】对小型燃煤固定床和燃烧室湍流反应进行了稳态燃烧模拟。为此 综合和修改了很多先前的研究代码，包括一维的c l a y e r l 2 0 j ( 用于计算固定床 煤燃烧的热化学场分布) 、零维的c r e k 【2 i 】( 用于计算湍流反应的热化学场分 布) 、二维的t e a c h 阎( 非床层，用于计算燃烧室内流体动力流场) 。煤燃烧采 用了收缩核模型燃烧室内湍流反应分析应用七一占湍流模型、四通量辐射 ( f o u r - f l u x ) 模型和包括化学平衡和动力学计算的燃烧模型，计算得到的结果和 实验数据在一定程度上符合得很好。 f o r d 【2 3 】等将床层视为由一系列盒子叠放而成，每个盒子内部有若干直相同、 温度相同的球体，代表固体颗粒。由于球体不可能将盒子堆满，所以存在隙，即 代表气体流道。这样可以对盒子列出守恒方程，从而求解每个盒子内部的粒温度、 直径等参数，预测床层的燃烧情况。他们的模型做了很多大的简化，例假设水分 和析出的挥发份在床层中不反应，而只在离开床层后才反应。焦炭模型中，他们 假设动力反应无限快，只受到扩散控制，这些假设有些可能会造成很大的误差。 4 l 绪论 c h e j n e 等【冽开发了一维数值模型来模拟圆柱桶形固定床中煤颗粒的非稳态 燃烧。模型可以预测沿床层高度方向的为燃尽固体颗粒比例，气体组分，反应热， 气体温度和煤( 固相) 的温度。同时，模型也可以预测颗粒内部的径向温度分布。 另外模型也可以被用来优化床层的燃烧过程，主要通过调节过量空气系数，颗粒 大小分布，煤种，反应器的几何尺寸，不同的引燃方式以及炉排前进速率来进行。 1 2 3 生物质层燃锅炉燃烧模型的研究现状 生物质成型燃料是高效洁净能源，具有体积小，密度大，储运方便，燃烧持续稳 定，燃烧效率高等特点，可替代矿物能源用于生产与生活领域。生物质成型燃料的 竞争力也会随着矿物能源价格上涨、对环境污染程度的增加及生物质成型燃料技 术水平提高、规模增大、成本降低而不断增大。目前我国对秸秆成型燃料燃烧所 进行的理论研究很少，对生物质成型燃料的点火理论、燃烧机理、动力学特性、 空气动力场、结渣特性及确定燃烧设备主要设计参数的研究才刚刚开始，关于生 物质成型燃料燃烧理论与数据还没人系统提出。关于生物质成型燃料特别是秸秆 成型燃料燃烧设备的设计与开发几乎是空白。然而，燃料在锅炉内的燃烧是一个 包含湍流流动、传热传质及湍流燃烧等的非常复杂的物理化学过程，采用传统的 实验方法周期长，耗资巨大，且很难得到全面、满意的数据。随着计算机技术以 及计算流体力学、计算传热学、计算燃烧学等学科的发展，计算机模拟技术得到 了飞速发展。以c f d 为基础的数值模拟日益成为各国能源动力领域的研究者们 用来研究锅炉炉内过程的重要手段它能对所设计的锅炉进行特性分析和变工况 分析，以改善炉内的空气动力学特性和燃料的燃烧状况，从而达到优化设计的目 的。随着对锅炉运行状况和环保等方面的要求的增高，数值模拟的重要性将越来 越高。 生物质焚烧炉床层燃烧模型多基于多孔介质方法，这种方法实际上是一种统 计方法，即认为床层是一种由固相和气相构成的弥散多孔组织，然后分别求解固 相和气相传热与流动的守恒方程。这一工作的基础来自于早期或近期化工学者们 对填充床反应器或催化固定床内传热和流动特性的研究。 吨。等【2 5 j 研究了堆积床中轴向有效导热系数，提出了预测关系式，该关系 式综合考虑了气相的导热，气相对流，气相辐射，以及固相颗粒之间的导热、对 流和辐射。对于不同的气体速度、颗粒直径和固体导热系数该关系式均能得出满 意的结果。 y a g i 和k u 衄i 1 2 6 j 同样对堆积床的有效导热系数进行了研究，分别对铁球，陶 瓷，水泥渣，耐火砖等不同材质的颗粒进行了实验，有流体情况下的有效导热系 5 北京交通大学硕士学位论文 数是在静止流体下有效导热系数的基础上得到的。 e d w a r d s 等【2 7 l 研究了堆积床纵向质扩散系数，实验首先注入一股氩气，然后 通过离子探测器测得响应曲线反推扩散系数数值，结果发现，低雷诺数下床层质 扩散系数由分子扩散系数决定，而高雷诺数下涡扩散起主导作用。最后，提出了 堆积床内质扩散系数的表达式。 t s o t s 罄等豳】随后进一步考虑了颗粒堆积不均匀情况下轴向扩散系数。d i x o n 等【2 9 1 分别对堆积床的轴向和径向的有效导热系数都进行了理论推导。考虑的因素 更为复杂，如流体速度，床层孔隙率，床层直径，颗粒直径、形状、导热系数， 流体的粘度、比热、分子导热系数等。 v o m n e v e i l 3 0 】对前人在床层颗粒之间的辐射特性进行了回顾，包括辐射时的 各种模化方法，有效吸收、散射系数的求解。 9 0 年代开始，随着计算机技术的发展和燃料燃烧数值理论的建立，以及垃 圾、生物质焚烧炉的增多，各国研究人员分别致力于开发各自完整的焚烧炉床层 燃烧数值模型。 随着先进燃烧技术的开发与研究，以生物质为燃料的燃烧器的研究也取得了 迅速的发展，特别是流化床式生物质锅炉，国内外进行了大量的研究，其具有燃 烧效率高、炉膛充满度高和污染少等特点。同时，研究人员还进行了生物质与煤 混和燃烧以及生物质在富氧条件下燃烧的相关研究，取得了不错的结果，研究表 明富氧燃烧可以提高锅炉的燃烧效率和燃尽率，而生物质与煤混烧可以减少锅炉 燃料消耗量。 t h 珊旺a i l 等【3 1 。3 5 1 开发了生物质固定床燃烧模型。他们将燃料模化为均匀堆积 的圆球，圆球中间存在空隙，可以供燃烧空气通过。圆球为固相部分，中间的空 隙为气相部分。固相和气相分别具有不同的控制方程。该模型可以用于顺向和逆 向燃烧。模型计算的结果与文献中的实验数据符合得很好，可以研究燃烧过程中 干燥、热解、焦炭燃烧等不同阶段的反应情况。 a f i i lg 1 m g o r 3 6 l 模拟了生物质燃料在流化床中的燃烧过程，分析了流化床的 燃效效率和排放情况。 l g 等【3 7 】在建立固定床生物质床层燃烧模型时，将床层离散为如图1 1 所 示的三类网格属性：气体，颗粒边界和颗粒内部。因此，一个颗粒可以由颗粒边 界和颗粒内部表示。对于每个网格，都有动量、能量和组分方程与之对应，但对 于不同的网格类型有不同的方案。例如，对于颗粒内部网格，传热只有导热项。 对于边界网格，有导热、对流和辐射。对于气体网格，除了三个传热方式外，还 考虑了湍流效应。 6 1 绪论 图l 1 三类网格属性 f 培l l1 r t 鹏et y p e so f 鲥d s 最近，l g 等【3 8 4 2 j 在一维模型基础上，开发了一个名为f l i c 的二维生物质 和固体废弃物焚烧炉燃烧模型，用来模拟床层的燃烧，预测燃烧的气体产物成分 和温度，同时可以给出床层内固体的温度分布。 综上所述，对于层燃炉燃烧过程的模拟，前人做了大量的研究工作，建立了 层燃炉燃烧的数学模型，有关生物质的研究也很多，掌握了生物质的特点，但是 有关生物质燃烧性能的模拟研究还不完善，特别是生物质在层燃炉中燃烧过程的 模拟更少。本文通过比较生物质和烟煤在层燃炉燃烧性能，在掌握煤燃烧特性的 基础上，分析生物质特性对层燃炉燃烧效率的影响，从而为生物质燃料的高效利 用和燃烧优化提供理论依据。 1 3 本文的研究内容 本研究以一台1 0 t m 层燃炉为研究对象，通过数值模拟重点研究生物质的燃 烧特性，并与煤在层燃炉中的燃烧特性进行比较，分析过量空气系数等因素对生 物质燃烧特性的影响，为链条锅炉的燃烧提供理论数据和优化方案。本文研究内 容可以分为以下三个方面： ( 1 ) 分别对三种生物质和煤进行工业分析、热值测定和热重实验，得到它们 的工业分析结果、热值以及动力学性能等。 ( 2 ) 对生物质在层燃炉中的燃烧特性进行数值模拟研究，得到各自炉膛内温 度分布、压力分布、浓度分布和辐射热负荷分布等，并比较不同生物质的燃烧特 性，通过分析过量空气系数等因素对燃烧特性的影响，对生物质层燃炉的燃烧组 织方式进行优化设计，找到最佳的燃烧组织方案。 ( 3 ) 对层燃炉中生物质的燃烧特性与煤的燃烧特性进行比较。分析生物质和 7 北京交通大学硕士学位论文 煤燃烧温度分布、压力分布、辐射热流密度分布以及c 0 2 浓度分布等对层燃炉 燃烧状况的影响。 ( 4 ) 对层燃炉炉膛结构进行改造和优化设计，比较不同结构对生物质燃烧性 能的影响，找到具有较好燃烧效果的炉膛结构。 3 2 生物质与煤燃烧性能的实验研究 2 生物质与煤燃烧性能的实验研究 燃料的燃烧特性直接影响了燃料的燃烧温度和分布，进而影响锅炉的燃烧效 率。不同种类的燃料表现出不同燃烧特性，这取决于燃料的化学组成和结构，具 体表现在燃料热值、工业组成和化学动力学特性等。本章采用实验和理论分析的 方法对生物质和烟煤的燃烧性能进行研究，为论文后面模拟建模提供基础数据， 同时对它们的燃烧特性进行比较。实验所用材料为果木枝条、小麦秸秆、花生壳 和烟煤。实验包括燃料热值测定实验、工业分析实验和热重实验。 2 1 工业分析实验 2 1 1 实验方案 2 1 1 1 实验目的 燃料的工业分析其内容包括燃料中水分、灰分、挥发分含量的测定和固定碳 含量的计算。从广义上讲，还包括发热量和硫的测定，但由于后者有其特殊性， 一般都将这两项单独列出，发热量的计算将在下节实验中介绍。水分和灰分不很 稳定，但对燃烧又有较大影响。根据水分和灰分的测定，可以大体了解它的可燃 质含量。而通过挥发分的测定，则可大致了解其焦渣特征。 根据燃料的工业分析结果，可以给锅炉设计提供依据，给锅炉热工试验提供 燃料资料，并可以指导锅炉运行和改进锅炉运行等。 本实验为热解重量法，即根据样品中各组分的不同的物理化学性质，控制不 同的温度和时间，使该种组分热分解或燃烧，以样品失去的质量占原试样的质量 百分比表示该成分的质量百分含量。 2 1 1 2 实验设备 ( 1 ) 干燥箱：又称恒温箱，用以测定煤的水分和干燥仪器等。 ( 2 ) 马弗炉：用来测定燃料的狄分、挥发分及灰渣含碳量等。如图2 1 所 示。 ( 3 ) 干燥器：用以防止试样吸收水分用，用厚玻璃制造，盖与缸之间有磨 口密合，其间可涂以凡士林，保证严密性。 9 2 生物质与煤燃烧性能的实验研究 ( c ) 取出坩埚放在石棉板上，在空气中冷却5 分钟后放入玻璃干燥器中冷 却至室温，称取重量，记录结果为w 3 。 ( 5 ) 各组分含量计算 水分质量份额、灰分质量份额、挥发分质量份额和固定碳质量份额可分别由 式( 2 1 ) ( 2 - 4 ) 求得： m = 1 一形 彳= 形 y = l 一职形 庀= 1 一m 一彳一矿 2 1 2 实验结果及分析 刁写o ( 2 1 ) ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 - 4 ) 通过在马弗炉里进行工业分析实验，得到了燃料各成分的含量，如表2 一l 所 表2 1 燃料工业分析实验数据 t a b l e2 一le x p e r i m e n t a jd a t ao ni n d u s 仃y 柚司y s i so fm e l s 从表2 1 可以看出，生物质的挥发分含量很高，可以达到7 0 以上，烟煤的 挥发分比例较低，生物质的含水量大于烟煤，烟煤的固定碳含量明显高于生物质， 可以达到4 0 以上，生物质的固定碳含量在1 肛1 5 之间，烟煤的灰分含量很高， 生物质的灰分相差不大。 2 2 燃料热值测定实验 2 2 1 实验方案 2 。2 1 1 实验目的 北京交通火学硕士学位论文 化情况，如果内筒温度迅速上升，表明点火成功。 ( 7 ) 收集弹筒洗液 停止搅拌，从内筒中取出氧弹，开启放气阀，用导管把燃烧废气缓缓引入装 有适量氢氧化钠标准溶液的三角烧瓶中，吸收废气中的雾状硫酸和硝酸。放气过 程不少于1 分钟。放气完毕后，拧下并打开弹筒盖，观察坩埚内试样的燃烧情况， 若有燃烧不完全则试验失败，应重做。如燃烧完全，用蒸馏水冲洗弹筒各部位， 将所有洗液都收集在三角烧瓶中。 ( 8 ) 将上述洗液加热到6 0 。c 左右，加甲基红指示剂数滴，用0 1 m o ，浓 度的n a o h 标准溶液滴定到中和点。记下n a o h 溶液的总消耗量v ( m 1 ) 。 ( 9 ) 称出残余点火丝的重量。 ( 1 0 ) 倒掉内筒的水，清洗氧弹。 通过上述实验测出各燃料的低位发热量，如表2 2 所示。 表2 2 燃料热值实验结果 7 r a b l e2 2h e a tv a l l l eo f 而l e l s 种类 热值( m j k g ) 果木枝条 小麦秸秆 花生壳 烟煤 1 7 1 1 4 7 1 8 1 2 2 4 2 3 燃料热重实验 2 3 1 实验方案 2 3 1 1 实验目的 热分析技术主要应用于物质的物理、化学性质和温度的关系。温度本身是一 种量度，它几乎影响到物质所有的物理化学常数。热重分析实验和差热分析实验 是热分析的重要组成部分。热重分析是指在程序控制温度下测量待测样品的质量 与温度变化关系的一种热分析技术，用来研究材料的热稳定性和组份。t g a 在 研发和质量控制方面都是比较常用的检测手段。热重分析在实际的材料分析中经 常与其他分析方法连用，进行综合热分析，全面准确分析材料。差热分析是指物 质在加热和冷却过程中发生物理和化学变化，伴随有吸热和放热现象，记录试样 温度随时间变化的曲线，为了显示热效应很小的变化，逐步发展形成了差热分析 1 4 北京交通人学硕士学位论文 图2 3 热重分析实验台的示意图 f i g 2 - 3n ed i 凹锄lo f l ge x p e r i m e n tb e n c h 图2 - 4 热重实验工作过程简图 f i g 2 _ 4n ed i a 舯mo fw o r kp m c e 鼹i nt ge x p e r i m e n t 2 3 2 结果和分析 图2 5 图2 8 分别为果木枝条、小麦秸秆、花生壳和烟煤的热分析曲线，该 曲线包括t g 曲线、d t g 曲线和s d t a 曲线。从图中可以看出，三种生物质和 烟煤的热重曲线( t g 曲线) 比较相似，干燥阶段主要是水分的蒸发过程，质量 变化较慢，但生物质在这一阶段质量下降的比重超过煤，说明生物质的含水量大； 在热解阶段，煤的曲线比较平滑，生物质变化较多，因为生物质的挥发分含量较 多，成分比较复杂：在最后一个阶段，生物质在5 0 0 左右质量基本不变，而烟 煤在6 0 0 以上质量才达到稳定不变，说明生物质的点火性能较好。 从d t g 曲线图可以看出，生物质的化学反应比较复杂，特别是热解反应阶 段，反应速率变化大，同时，生物质的起始反应温度、达到最大反应速率的温度 和反应终止的温度均低于烟煤，主要和它们的燃料特性有关，生物质的能量密度 暖 2 生物质与煤燃烧性能的实验研究 小。 图2 5 果木枝条热分析曲线 f i g 2 - 5c u r v e0 ft h e r m a la n a i y s i so nf r u i tb r a n c h e s - 图2 _ 6 小麦秸秆热分析曲线 f i g 2 _ 6c u n ，e0 ft h e r t 1 a ia n a i y s i s0 nw h e a ts t 陷w ；i ：j 乏 i 南面矗南 血南。矗面商t 图2 - 7 花生壳热分析曲线 1 7 北京交通大学硕士学位论文 f i g 2 7c u n ，e0 ft h e n l l a ia n a i y s i s0 np e a n u ts h e 图2 8 烟煤热分析曲线 f i g 2 8 ( ：u r v eo ft h e 盯n a ia n a i y s i s0 nc o a i 通过对s d t a 曲线的分析，在s d t a 曲线上负值表示反应是吸热的，主要是 干燥阶段，正值表示反应是放热的，处于零点表示化学反应开始，即零点所对应 的温度就是反应开始的温度，也就是挥发分开始析出的温度。通过比较和计算， 表2 3 为生物质和煤挥发份析出温度对比表。 表2 3 生物质和煤挥发份析出温度对比表 t a b l e2 3c o m p a n s o nb e ，np 陀c i p i t a a o nt e m p e 陷t u 陀w 胁v o i a t i l e0 fb i o m a s s a n dc o a l 种类 挥发分开始析出温度( ) 果木枝条 小麦秸秆 花生壳 烟煤 2 6 0 1 7 0 1 8 0 2 7 0 从表2 3 可以看出，生物质挥发分开始析出( 反应开始) 时的温度较大，明 显高于烟煤，同时几种生物质的温度不同，但差别不大。说明生物质的点火性能 好，生物质挥发分析出所需要的热量低于烟煤。 2 3 3 动力学特性 2 3 3 1 基本方程 对于常见的固相反应来说，其反应方程可以表示为 彳( s ) 争曰( s ) + c ( s ) ( 2 5 ) 1 3 2 生物质与煤燃烧性能的实验研究 一4 日 i 1 6 c j f i g 2 1lf i t t i n gc u r v eo f w h e a ls t r a 、 0 伪1 00 0 0 1 20 0 0 1 40 伪1 6 1 厂r 词 哒 图2 1 2 烟煤动力学拟合曲线 f i g 2 一l2f i t t i n gc u r v eo fc o a l 从图2 9 一图2 1 2 可以求得三种生物质和烟煤的动力学参数，如表2 - 4 所示。 表2 - 4 生物质和烟煤动力学参数表 t a b l e 2 - 4k i n e t i cp a r a m e t e r so fb i o m a s s e sa n dc o a l 从表2 _ 4 可以看出，烟煤的活化能最大，达到7 4 5m j m o l ，在三种生物质 中，果木枝条的活化能较大，在7 0m j m o l 左右，小麦秸秆的活化能最小，不到 6 0 批o l ，说明生物质的点火性能好于烟煤，而在三种生物质中，小麦秸秆的 点火性能最好，发生反应需要的热量最小。 2 4 本章小结 通过工业分析实验、热值测定实验和热重实验，得到了果木枝条、小麦秸秆、 花生壳和烟煤四种燃料的工业分析结果、热值以及燃烧动力学特性。本章主要结 论总结如下： ( 1 ) 生物质的挥发分和灰分含量高于烟煤，生物质含水量较高；生物质燃 料氧元素和氢元素含量高，含碳量低，能量密度低于烟煤。 ( 2 ) 生物质燃料热值较低，影响到在层燃炉中的燃烧温度。 ( 3 ) 生物质燃料挥发分开始析出温度明显超过烟煤，且挥发份成分和化学 2 l 北京交通大学硕士学位论文 一二导。 ，) 烟煤的活化能最大，达到7 4 5 舭o l ，在三种生物质中，果木枝条的 。能较大，在7 0m j m o l 左右，小麦秸秆的活化能最小，不到6 0m ，m o l ，说 ，月生物质的点火性能好于烟煤， 本章实验的结果作为物性参数输入到下一章的数值模拟，使模型准确真实。 3 生物质在层燃炉中燃烧过程模型的建立 3 生物质在层燃炉中燃烧过程模型的建立 层燃炉中燃料的燃烧过程是一个非常复杂的三维、非稳态、多相、湍流以及 多元反应相互作用的过程。对于燃烧过程的数值模拟十分复杂，它包括基本守恒 方程、湍流流动方程、燃烧方程以及辐射传热方程等，燃烧模拟过程就是相关方 程的耦合计算过程。所以燃生物质锅炉的燃烧的数值模拟是一个多模型联立的复 杂过程。 3 1 数学模型 3 1 1 基本守恒方程 ( 1 ) 质量守恒方程 质量守恒方程又称为连续性方程。其一般形式为【4 3 】： 等+ ( 肌) = s ( 3 - 1 ) 式中，p 为密度( 堙册3 ) ；f 为时间( s ) ；s 为源项，一般为o 。 该方程是质量守恒方程的一般形式，广泛适用于可压流动和不可压流动。 ( 2 ) 动量守恒方程 微分形式的动量守恒方程其如下脚】 挈= d i v 孑+ p 瓦 ( 3 2 ) d f 。 粘性流体的n a v i e r - s t o k e s 方程( 简称n s 方程) ，其微分方程的分量形式如 下 掣= 一罢m ( 鼬) + p + 丢( 罢) + 号( 妄) + 毫( 芸) + 丢( 胛叫) 掣= 一考+ d i v ( 删v ) + 如 + 昙( 爹 + 号( 考 + 昙( 考) + 昙c 名v 厅，) ( 3 - 3 a ) ( 3 3 b ) 北京交通大学硕士学位论文 掣莲蕊乳舶叫c ，+ 丢( 老) + 昙( 睦) + 鲁( 老) + 昙( 胛司】 u 扎 昙池) + 毒o ，妇+ p ) ) = 丢卜考一手_ 以m k b ) + s ( 3 4 ) 3 1 2 湍流模型 层流与湍流是两种基本的流动状态，存在临界雷诺数。当流动的雷诺数超过 相应的临界雷诺数时，就会诱发湍流，层流可以用偏微分方程来描述，实验表明， 锅炉送风的气流基本上都是湍流流动，所以本文采用湍流模型。目前针对湍流的 数值模拟方法主要分为直接数值模拟方法和非直接数值模拟方法。非直接数值模 拟方法分为大涡模拟、统计平均法和r e ) r i l o l d s 平均法。目前工程上应用较广泛 的是r e v l