（农业生物环境与能源工程专业论文）秸秆自然对流正向阴燃规律的研究.pdf

山东理t 大学硕十学位论文 摘要 摘要 秸秆是一种分散分布、能量密度低的可再生能源，直接燃烧用于炊事是农村地区传 统的、主要的应用方式，在北方地区，利用秸秆在炕连灶的灶堂中长时间阴燃进行冬季 夜间取暖也较常见。近些年来，一种新型的利用秸秆等农业废弃物阴燃进行取暖的设施 燃池开始在北方出现和广泛应用。这种自发的应用方式具有经济性好，设备简 单的优点，又能充分利用秸秆资源，应该具有一定的发展前景。但由于这方面的研究较 少，目前的应用也存在着一些问题，如热效率低、燃烧不完全、燃烧速度控制方面存在 很多问题等。因此研究秸秆阴燃过程，对于农村目前这种应用方式的评价和改进，以及 相关应用方式的提出，具有重要的意义。 为了研究秸秆阴燃规律，设计制作了装料框体积为5 2 x 4 0 x 5 5 c m ，整体尺寸为 6 7 x 5 2 x l o o c m 的自然对流正向阴燃实验台。设计制作了相应的温度监测系统，配备了气 体分析仪器和质量监测仪器，编制了数据采集软件，使该实验台能实现秸秆阴燃过程中 的温度、质量以及烟气成分进行同步实时监测和记录。 对麦秸、玉米秸和草坪高羊茅草进行了三种堆密度( 4 0 、5 0 和6 0k e d m 3 ) 和不同进 风量的单因素实验和部分重复实验。实验表明：( 1 ) 高羊茅草阴燃速度明显小于麦秸和 玉米秸。堆密度为4 0 k g ，m 3 的高羊茅草在炉中最大失重速率为2 0 m i n ，在炉中燃烧时间 为1 4 8 5 m i n ，而麦秸和玉米秸相应的为3 3 3 、6 0 卧i l i n ，对于的阴燃时间分别为3 6 4 m i n 、 5 3 4r a i n 。而且在实验堆密度范围内，堆密度对麦秸和玉米秸的阴燃速度影响很大，对高 羊茅草阴燃速度影响并不明显。( 2 ) 麦秸阴燃过程中内部各点在点燃后6 0 r a i n 内先后迅 速升至4 0 0 v 以上，然后均缓慢上升直到燃尽，各点温度根据在炉中的位置不同以不同 的规律下降。这表明麦秸在阴燃炉中的阴燃过程并不明显呈燃烧波向下传播，更多表现 为整体阴燃。另外，麦秸的阴燃过程内部最高，达到8 9 7 ，壁面温度4 0 以上持续鲕 以上。各种堆密度的高羊茅草阴燃过程壁面温度4 0 以上持续时间最长，均在1 7 h 以上。 ( 3 ) 三种物料阴燃气体产物中，c o 与c 0 2 摩尔比的变化规律类似，均从点火时的o 4 o 5 降至最后接近0 1 ，玉米秸、高羊茅草阴燃过程中平均c o c 0 2 在o 2 以下，麦秸相对高 一点，但不超过0 3 ，与农村炊烟( o 1 5 枷3 ) 相当。( 4 ) 三种秸秆阴燃灰碳含量一般为 3 墙，比文献资料记载的流化床中生物质燃烧灰碳含量( 5 0 o - - 1 5 ) 低。麦秸、玉米 秸的阴燃灰堆积呈外凸状，高羊茅草则为内凹状。 应用反平衡法和炉体散热计算两种方法对实验台中秸秆阴燃热效率进行了初步估 算，结果表明：实验台的阴燃热效率在4 0 以上。 关键词：秸秆，自然对流，正向阴燃，阴燃特性，热效率 a b s t r a c t t h ea g r o - s t a l ki sak i n do f r e n e w a b l ee n e r g yw i t hc h 锄卸抽暑r i 刁e db yd e c a m a l i 刎o nd i s t r i b u t i o na n dl o w a l e r g yd e n s i t y a tp r e s e n t , l l a em a i na p p l i c a t i o n sa r ed i 胤b u m i n g f o rc o o k i n ga n ds m o l d e r i n gc o m b u s t i o ni n f i r ep i tf o rh e a t i n gi nr l a - a lp i a c e t h es p o n t l m e o t l sa p p l i c a t i o no f s m o l d e r i n gc o m b u s t i o ni sag o o dc h o i c ei n r u r a lc h i n af o ri t se c o n o m i e s , b u tb e a c a u s eo f t h em r e s e a r c h , t h e r e 躺s o m ep r o b l e m sf o rt h i sa p p l i c a t i o n t h eo b j e c t o f t h i s p a p e r i s t o i n v e s t i g a t e t h es m o l d e r i n g p r o c e s s e x p e r i m e n t a l l y i no r d e rt oi n v e s t i g a t et h ed 均啦虻t e d 9 6 co fa g r o - s t a l k ss m o l d e r i n g an a t u r a lc o n v e c t i o nd o w n w a r d f o r w a r ds m o l d e r i n gs t o v eh a sb e e ns e tu p , t h ef u e lv o l u l n eo f t h es i 撇w a s5 2 4 0 x 5 5 e m t h et e m p e r a t u r e s i n s i d e 甜l do u t s i d el h es t o v e ，t h el i l t sr e s i d u eo f 雄阳柏i k s ，t h em o l ec o n t e n to fc 越b c mm o n o x i d e ，c a r b o n d i o x i d e m l d o x y g e n i n f l u e g a s e s c o u l d b er e c o r d e d o n l i n e d u r i n g t h e s m o l d e r i n g p r o c e s s , e x p e r i m e n t so f w h e a ts t r a w ，c o l t is t a l ka n d 舀 a s sa td i f f e r e n tb u l kd e i l s i t yo f 4 0 5 0a n d6 0 k e m h a v e b e e nc a r r i e do u t r e s u l ts h o w e dt h a t ：( 1 ) c o m b u s t i o nr a t eo f g r a s si sq u i t el o w e rt h e nw h e a t 目曲【wa n de o m s t a l k t h em a x i m a lr n 档l o s sr a t eo f g r a s sw i t h4 0 k g m 3i s2 0 e m i na n dt h ec o m b u s t i o nt i m ei s1 4 8 5 r a i n , w h i l et i l 砒o f w h e a ts t l a wa n dc o r ns t a l ki s3 3 3 6 0 e , m i na n d3 6 4 , 5 3 4 m i nr e s p e c t i v e l y b u l kd e s i t yw i t h i n 4 0 - 6 0 k g m 3d i d1 1 0 ta f f e c te o m b u s d o nr a t eo fg r a s so b v i o u s l yw h i l ei td i dt ow h e a ts l r a w 缸l dt o m s t a l k , ( 2 ) a l li n s i d et e m p e r a t u r e so f w h e a ts 咖s m o l d e r i n gr e a c h e da b o v e4 0 0 cw i t h i n6 0 r a i na n di ts h o w e d 抽 t h em a t e r i a l ss m o l d e r e da l m o s ts i m u l t a n e o u s l y , t h eh i g h e s tt e m p e r a t u r e si n s i d ew h e l l ts t r a wa n do nd p 舭o f s t o v ed u r i n gs m o l d e r i n gl u e8 9 7 1 4 1 r e s p e c t i v e l y a n dt e m p e r a t u r eo nt h eo u t s i d es l n f a c e0 f t | l e s t o v e k e p t a b o v e 4 0 f o r a t l e a s t 6 h o u r s f o r w h e a ts l l i i w a n d1 7 h o u r s f o r g r a s s ( 3 ) t h e m o l er a t i o o f c o t o c 0 2 i n f l u e g a s e s w a ss i m i l a r t o e a c h o t h e r a m o n g t h e t h r e e e x p e r i m e n t a l m a t e r i a l s i t w 罄a b o u t 0 4 - 0 5a t t h e b e r r y i n g a d d e s c e n d e d t 0 0 , 1m l a s l t h e 2 f c e r d g e m o l e l 蛳o f c o t o c 0 2 w i l h g r a s s a n d c o r n s t a l k i s b e l o w 0 2 a n d b e l o w 0 3 w i t h w h e a t s t m w ，s i m i l a r t o t h a t o f t l u e g a s e s o f c o m b u s t i o n s t o v e i nr u r a l c h i n a ( o 1 3 o 3 x ( 4 ) t h ec a r b o nc o n t e n ti ns m o l d e r i n ga s hi s b e t w e e n3 a n d8 l e s st h a nt h a to fs a w d u s t , b a 静辩 e o m b u s 雠i n t l u i d i z e d b e d ( 5 一1 5 xa n d t h es h a p e o fs m o l d e r i n ga s h o f w h e a ts t r d wa n dc o t l ls t a l k w a s c o n v e x , w h i l el h a to f g r a s sw a sc o n c a v e t h eh e a te f f i c i e n c yo f t h es m o l d e r i n gs l o v ew a sp r e l i m i n a r ya s s e s s e du s i n gi n v e r s eb a l a n c em e t h o da n d a n o t h e r w h i c h q u a n t i t y t h e h e a t t m l s f e r r e d t o t h e e n v i r o n m e n t a n d h er e s u l ts h o w e d a n w e a b o v e 4 0 k e y w o l d s ：a g r o - s t a l k s ；i n i s t u r a le o n v e e l l j o u ；f o r w a r ds m o l d e r i n g ；c h a r a c t e r i s l i e ；h e a te f f i c i e n c y 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得山东理工大学或其它教育机构的 学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：霸哕吵 时间：侈7 年丁月v 拍 关于论文使用授权的说明 本人完全了解山东理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅；学校可以用不同方式在 不同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 研究生签名： 导师签名： 螟吵吵 何茜 时间：7 年f 月弋日 、 时间：r 年6 月v 阳 1 1 课题的来源 第一章绪论 本课题是在对农作物秸秆进行热转换利用、初步阴燃和燃烧试验的一系列研究基础 上提出来的。 在秸秆阴燃的一系列阴燃和燃烧的基础实验研究过程中发现，对秸秆自然对流正向 阴燃过程的研究可以为燃池的改进、阴燃设备的设计开发、阴燃过程因素参数的确定、 新技术的开发以及火灾的研究提供借鉴。 1 2 秸秆阴燃的概念 阴燃是一种缓慢的、低温的、没有火焰的燃烧形式，其靠氧直接接触燃料的凝聚相 表面时所释放的热量进行自维持。阴燃包括流体流动、传热传质及表面化学反应等许多 复杂的过程，它们之间的关系决定了阴燃的最终特性。 从能量守恒的角度讲，阴燃燃烧是燃料的化学能转换成热能，并与环境进行热交换 达到热平衡而自维持传播的过程；从质量连续燃烧产物生产形式看，它是一种不完全燃 烧，主要是反应温度低，传播速度慢，产物燃烧不彻底等。阴燃和有焰燃烧机理都非常 复杂，有很多类似之处，到目前为止，对于有焰燃烧机理的研究还不成熟，而对于阴燃 的研究则更少。 1 3 研究秸秆阴燃的目的和意义 秸秆是一种分散分布、能量密度低的可再生能源，直接燃烧用于炊事是农村地区传 统的、主要的应用方式，在北方地区，利用秸秆在炕连灶的灶堂中长时间阴燃进行冬季 夜间取暖也较常见。在2 0 世纪9 0 年代，燃池这种新型的利用秸秆等农业废弃物阴燃进 行取暖的设施开始在北方出现，并且广泛应用。这种自发的应用方式具有经济性好，设 备简单的优点，又能充分利用秸秆资源，而且秸秆具有普遍性、易取性【l 】，应该具有一定 的发展前景。但由于这方面的研究较少，目前的应用也存在着一些问题，如热效率低、 燃烧不完全、燃烧速度控制方面存在很多问题等，因此其应用又存在一定的局限性，阻 碍了其继续发展。因此研究秸秆阴燃过程，对于农村目前这种应用方式的评价和改进， 以及相关应用方式的提出，具有重要的意义。 1 3 1 秸秆阴燃的特点 秸秆是农作物种植的剩余物。农作物主要为谷物类，也包括油菜和其他拨种类作物。 秸秆产量主要由农艺学( 研究种植、土壤管理、作物生产以及财政因素等影响农业整体 管理的科学) 所决定，其质量和收集数量也受农作物生长期和收获期气候的影响。秸秆 作为可再生能源，有其自身的特点： ( 1 ) 分散分布 在国外，作物的种植一般集中在农场，分布相对集中一些。而在中国大多是小规模 的个人种植，特别是在2 0 世纪7 0 年代我国实行分田到户后，个人独自经营小规模的土 地，尤其是在山区和丘陵地区，可种植土地的面积特别少，分布相当分散，从而导致收 集、运输特别困难。 ( 2 ) 能量密度低 由于秸秆含氧量高，其热值相对比较低，均在1 7 g j 左右：秸秆非常松散，其自然堆 积密度 2 1 仅有2 0 - 4 0k g m 3 ，人工压实后约为5 0 - - 1 0 0 k g m 3 ，而木材中麻栎树的密度能达 到9 3 0 k g m 3 。即堆积密度小且单位热值低，所以秸秆的能量密度很低。 ( 3 ) 集中应用时收集、运输、贮存成本较高。 基于上述两个特点，导致收集运输无法实现自动化，如果用卡车运输秸秆【3 】，其c 0 2 排放量约为l k g k m ，一辆装载1 1 1 2 t 秸秆的卡车所负载热量约为1 7 0 g j 。 由于秸秆本身的物性，其阴燃情况跟研究较多的木材、锯末、聚氨酯泡沫材料以及 纸张等材料有很大的不同，具体表现在：单位质量比表面积大；渗透率高；具保温性能； 含氧量高。 作物秸秆属于多孔介质材料，其表面积与质量之比比较大，与氧气接触面积大，又 利于空气的渗透，所以这种易于渗透性使得氧气以扩散和对流的方式运输到反应位置， 与可燃物表面充分接触，这样就可以提供维持阴燃的足够的氧气；秸秆在堆积状态下， 具有蜂窝式或穴状的内部结构，这样就形成了相对显著的热绝缘作用，可有效阻止其内 部氧化反应产生的热量向外界环境散发，保证了较低的热损失，从而使得阴燃的传播和 维持在放热速率相对低的环境中也能实现和进行下去：通过对秸秆进行元素分析可知， 其含氧量高。所以秸秆容易阴燃，且能稳定的自维持和发展下去，而且其放热缓慢，可 直接进行低负荷供暖，供暖热效率高。 1 3 2 农村应用秸秆的优势 根据有关部门1 9 8 8 年的统计，中国各类农作物秸秆的年产量约为6 亿t ( 玉米秸秆 山东理t 大学硕十学位论文 第一章绪论 2 2 4 亿t 、小麦秸秆1 4 0 亿t 、水稻秸秆1 1 5 亿t ，可收集利用的约为4 8 亿t ，其中用于 造肥还田和畜牧饲料2 5 亿t ，用于造 纸等工业原料的0 5 亿t ，农民收集用 于炊事、取暖等生活燃料1 8 亿t 。每 年尚有1 2 亿t 的剩余农作物秸秆没有 利用，只能在田间焚烧【4 】。随着农业生 产方式的不断进步，农业生产水平的逐 步提高和思想观念的转变，秸秆很少再 用于烧饭、沤肥，用作饲料( 青储、氨 化、直接饲喂) 的数量不到5 ( 石家 图1 1 田间焚烧秸秆 庄地区占2 0 ) ，利用秸秆还田、副业 加工少于5 ( 石家庄地区达7 0 ) ，农村出现大量的秸秆积压闲置，大量焚烧的现象( 如 图1 1 所示) ，不仅对环境造成严重污染，而且也对资源造成了巨大的浪费。 我国现有能源供应中，生物质能特别是在农村地区占有重要地位，目前每年开发利 用量约2 x l o h 标煤，提供了4 0 0 的农村用能，占农村生活燃料的7 0 以上。由于作物秸 秆主要产于农村地区，也主要在农村经济中利用，所以农村的能源需求和经济状况对秸 秆的利用影响很大。然而随着农村经济的发展和农民收入的增加，农村生活用能种商品 能源的比例正在以较快的速度增加，以传统方式燃烧的秸秆较多被商品能源所替代，致 使被弃田间地头的秸秆量逐年增加。许多地区废弃秸秆量已占总秸秆量的6 0 0 6 以上，既 危害环境，又浪费能源。针对农村用能的特点重视经济性和分散分布、负荷低来说， 发展秸秆阴燃的应用有如下优势： ( 1 ) 经济性好； ( 2 ) 直接解决秸秆田问焚烧问题； ( 3 ) 适合当前农村不断增长的住宅供暖、畜禽舍、温室供暖、粮食干燥需求。 1 4 国内外研究现状及分析 1 4 1 阴燃概述 阴燃是燃烧学科中的一个分支，其机理特别复杂，包括生物质干燥、热解、热解气 体燃烧、残炭燃烧所涉及的流动、传热、传质和化学动力学等方面，除此之外，秸秆自 身的一些物理性质如空隙率、元素组成、对气体流动的渗透性和热物性，外部因素如环 境绝缘性、环境温度、点火源等物理状况，都对阴燃燃烧过程及其传播特性有着非常重 要的影响。国内外近年来对生物质能做了大量研究工作，在上述各方面都有相当数量的 山东理t 大学硕f 学位论文第一章绪论 文献。 对于阴燃的研究国外开展的较早，c o h ， ( d n l ：埘- a 和p a l m e r 等人从二十世纪五十年 代就开始了对阴燃现象的研究和分析f f j ，主要是针对煤粉和锯末的对比实验研究。早期对 阴燃关注的研究者主要以实验研究为主，考虑阴燃在什么条件下发生，多是描述阴燃的 外部特征，发生条件，内部化学物理机 理，传播速度，温度波和阴燃波的传播， 浮力的影响，阴燃区的温度分布，氧浓 度分布，风的作用，利用不同阴燃材料 建立许多理论模型并进行实验研究等， 对我们的研究有很好的参考价值和借 鉴意义。国内科研人员从事阴燃研究起 步较晚，2 0 世纪9 0 年代才有解茂昭 m 、孙文策【州等人关于阴燃研究的文 献出现，内容涉及到阴燃的发生情况， 阴燃传播与风速的关系以及森林火灾 中地下火的阴燃特性等。 图l - 2 阴燃传播过程中温度和气体产物 浓度分布示意图 随着阴燃研究的深入，研究者开始 研究阴燃反应的化学机理，并逐步建立各种条件下的阴燃模型。近年来，随着计算机技 术的发展，复杂的微分方程组的数值求解变得可行，人们逐渐用数值模拟方法来求解阴 燃中的复杂问题。通过利用计算机对阴燃着火过程的模拟，结合实验对比，使人们对阴 燃机理有了进一步的了解。图l - 2 是计算得到的一维阴燃传播过程中的温度和气体成分 浓度分布。 总的来说，阴燃的研究主要集中在两个方面：其一，关于阴燃燃烧研究的普遍机制( 物 理、化学机制) 和一般特性进行概括研究，得到反映阴燃规律的具有广泛意义的结论；其 二，对特定条件下发生的阴燃进行具体的分析和研究，建立不同的物理和数学模型，设 计实验，从多方面研究各种因素对阴燃过程及其传播特性等问题的影响。 对于特定的阴燃方式的研究，如图l - 3 所示，主要可以分为下面几个方面来展开。 由于氧气的传输在大多数情况下是阴燃传播过程的决定性因素，所以按照氧气运动方向 与阴燃传播方向的相对关系，阴燃可以分为以下两种方式：在一维的阴燃传播过程中， 如果氧的扩散方向与阴燃的传播方向相反，此类阴燃方式称为反向阴燃；反之，如果氧 气的传输方向和阴燃传播方向一致的话，则为正向阴燃。单纯按传播方向又分为竖直和 水平方向的阴燃，竖直方向上又有向上和向下阴燃之分；按照氧气流经阴燃区的形式可 以分为自然对流和强迫对流下的阴燃等。 目前的阴燃研究热点和手段是从不同的角度来探讨阴燃过程的规律，如针对不同的 氧供应量，不同的阴燃材料，不同的燃烧装置，不同的外部条件，不同的燃烧方式等来 4 建立数值计算模型，然后再与实验结果作比较。通过对国内外生物质阴燃研究现状的分 析可以看出，对生物质阴燃的研究主要分为理论研究和实验研究两个部分。 阴 燃 方 式 及 分 类 气流来流方向和阴燃 正向阴燃f o r w a r d 叫i 水平方向酬力等因素 聚氨酯泡沫材料p 0 虮w 吐l a mf o a m 不同的燃料种类 锯末w o o ds a w d u s t 共同特征：固体燃 些纤维质材料c e l l u l o s i cm a t e r i a l s 料、颗粒状、多孔、 布料、纸张等c l o u l e s ，p a p 眦 渗透性好、绝热 农作物秸秆a g r a - s t a l k s 气体来源方式 j 自然对流n 孤l r a l a i r 胁，咖幽 1 4 1 国外对于阴燃的研究 图l - 3 阴燃研究及阴燃方式分类 ( 1 ) 理论研究 国外多结合火灾进行理论、模型等研究。b u c k m a s t e rj 【1 0 1 等讨论了一维非稳态正相阴 燃，用两个特征前沿一放热氧化前沿面和吸热热解前沿面描写阴燃过程，理论分 析表明放热前沿温度及两个前沿面速比与气流速度无关。h y u n gmk ，i 州v a n gcc 【1 1 】 山东理t 大学硕 学化论文第一章绪论 对热平面上可燃颗粒层的着火进行了研究，讨论了可燃颗粒厚度、颗粒直径等对着火的 影响。r e i n e l t 气l a u r sa 1 2 1 研究了碳粒床在驻点流中的点燃规律。r o s t a m i l l 3 1 等结合 热解、燃烧动力学模型和流动、能量方程的c f d 模拟，建立了二维非稳态生物质棒阴燃 模型，预测了阴燃过程，但并未进行实验验证。阴燃过程进展缓慢，物料干燥、热解特 性等对其有重要影响，但上述阴燃模型中，大多采用简单的干燥、热解动力模型，确定 模型中参数时假设条件较多，模型准确性有待提高 ( 2 1 实验研究 关于阴燃的实验研究，国外主要以火灾预防为背景，侧重于研究阴燃的传播以及向 明火转变的规律和特征，如m e l i s s a 1 4 哗研究了聚氨酯泡沫的着火特性，w 缸t h e r t 髓1 司等研 究了氧浓度对聚氨酯泡沫着火特性的影响以及在空间微重力下的阴燃传播过程，这些研 究为深刻揭露阴燃的本质奠定了基础。同时，还对聚氨酯泡沫，纤维质保温材料的阴燃 过程进行了研究。 针对阴燃造成的火灾来说，研究阴燃向有焰燃烧的转捩是非常必要的，国外在这方 面的研究较多，c h e r t 等【1 7 1 进行纤维质的水平阴燃研究时，发现当表面风速达到3 m s 时 就会转化为有焰燃烧。o t d e m i n e r t l 8 1 在研究纤维质的水平阴燃时，观测到逆向阴燃对风速 的响应很小，即使达到5 m s 也没有转化为有焰燃烧；而在正向阴燃中风速接近2 m s 就 会转化为有焰燃烧。c h a o 1 9 】等则对聚亚安酯材料在自然对流条件下，考察了水平阴燃变 为有焰燃烧的情形。1 k 脚】等对聚亚安酯材料的垂直阴燃过程进行研究，在阴燃过程中不 断增加风速，当风速达到0 2 5 2 r i d s 的范围，都会转化为有焰燃烧。 1 4 2 国内的研究进展及应用 ( 1 ) 实验和理论研究 国内对阴燃研究开始于2 0 世纪9 0 年代，较早的是孙文策叫基于燃池的研究。随后， 孙文策【2 l 2 3 1 等在水平燃料床上对阴燃传播进行了实验研究，发现当风速增加到约3 m s 时 就会转为有焰燃烧，并研究了不同含水量的燃料床( 锯末) 在不同风速下阴燃的传播速 度，测量了不同含水量的燃料由阴燃转捩成明火的临界风速。从而得出，正、逆向阴燃 的规律不同，正向阴然随风速增加，阴燃速度增加直至转捩为明火，逆向阴燃就难于转 捩为明火，而且阴燃转捩成明火的临界风速与燃料情况( 如含水量等) 、风速增加的规律 有关。 近年来国内对阴燃的研究越来越多，孙文策等 2 4 - 2 9 1 对阴燃进行了较为全面的研究， 先后对应用阴燃进行取暖的燃池的工作特点和热能利用，纤维颗粒燃料阴燃引燃过程， 燃池内的阴燃过程的实验分析，水平燃料床、竖直阴燃的传播以及阴燃气体成分等多方 面进行了一系列的实验研究和初步理论分析。给出了在不同的阴燃阶段c h 4 、i - 1 2 、c o 和 山东理t 大学硕卜学位论文第一币绪论 c 0 2 等气体的生成规律，以及含水量、空气量和阴燃传播方向等对生成气体的影响，研 究结果表明，阴燃产物可燃气含量高达2 5 ，燃池热效率低，增加燃池空气供给可使阴 燃向明火转捩。同时对多孔颗粒床阴燃着火进行了实验研究【勰】，观测了多孔颗粒床在典 型热接触情况下阴燃着火的全过程，同时应用有限区域着火理论，分析了多孔颗粒床阴 燃着火的临界条件及变化规律。孙文策等嗍对木屑阴燃过程的试验研究基于自然对流条 件下的，而浙江大学的马增益等p o - 3 1 】贝0 进行了强迫对流下木屑水平床阴燃实验，实验研 究发现，增大气流速度会增加阴燃传播速度，不同气流速度下阴燃气体中c o 和c 0 2 排 放浓度变化不大。并通过实验分析，研究了不同阴燃条件下，多孔纤维质可燃物阴燃过 程的传播特性，以及阴燃所产生的烟气中颗粒的粒度分布特性。 路长 3 2 - 3 3 1 等通过对两端开放的聚亚安酯材料的水平阴燃进行了实验研究得出，沿着 阴燃方向加风，或者在自然对流条件下增大氧的扩散量，都可以导致向有焰燃烧的转化， 对于逆向阴燃，风速增加也导致向有焰燃烧的转化，规律同正向阴燃一致。根据边界层 可燃气浓度，氧浓度，传热实现点火能供给这三个因素导出阴燃出现有焰火的数学表达 式。w 删等实验研究了聚亚氨脂泡沫水平吹扫阴燃过程，研究表明，提高吹扫速度不 仅提高了氧进入阴燃区的速度，也增加了热量散失，因此最大阴燃传播速度、温度发生 在中等吹扫速度下。另外，增加颗粒堆积密度会降低阴燃传播速度。 何芳 3 s l 等对农作物秸秆阴燃实验表明，3 6 k g 高羊茅草、麦秸均能阴燃缓慢放热6 5 小时以上，平均热释放速率约为1 2 k w ，可基本满足山东农村单个房间冬季供暖。热分析 实验表明p 6 】麦秸、玉米秸、谷秸和棉秆的理论阴燃热效率分别在6 3 9 0 , 4 ，5 8 7 ，7 0 9 ， 5 8 2 以上。 在实验研究的基础上开始了对阴燃理论的研究，郭晓平等 3 7 1 用渐近分析法对一维稳 态逆流阴燃进行了分析，分析表明阴燃峰伯温度和阴燃传播速度主要由氧化降解来决定， 而氧化降解和热解反应同时决定热解区的结构，并推导了活性物全部转换情况下的温度 分布、气固质量分布表达式。解茂昭、孙文策等 7 1 对纤维质颗粒床的阴燃特性进行数值模 拟，建立了颗粒床阴燃的二维两相流数学模型，研究了不同工况下阴燃波的传播规律， 讨论了气体流速、点火面积、空隙率和颗粒大小等参数对阴燃传播特性的影响。解茂昭嗍 等对碳粒填充床的逆向阴燃传播进行了分析，采用大活化能渐近法分别分析了氧气完全 消耗和固体完全转化两种情形，计算出了反应区的参数值。随后，对水平碳粒床和水平 纤维质填充床阴燃的过程进行了数值计算和数值模拟p 9 - 4 0 1 。 田莉、杨晓丹【4 l 】对阴燃过程及其传播机理进行了分析与研究，详尽分析了维持阴燃 的条件及影响阴燃传播的主要因素，并探讨了阴燃向有焰燃烧转变的条件。 ( 2 ) 阴燃利用技术的研究 1 1 研究进展 关于阴燃的应用在很早的时候就有如火钵( 图1 _ 4 ) ，人们利用木炭的缓慢阴燃防热 来取暖或烘干衣物等，至今南方一些山区仍然在使用，而且市场上有各种各样火钵。燃 池技术更加普遍，大约在1 9 9 0 年前后，燃池技术兴起，被广泛应用于农业设施、农村校 舍以及农村住户的取暖，其结构如图 1 5 所示。燃池采暖技术有着深远的 经济效益和社会效益，拓宽了农村能 源的范围，但是其热能利用率还比较 低。沈阳农大的王铁良等盼删对燃池 在日光温室中的加热进行了实验研 究，结果表明应用燃池对日光温室进 行加热可显著提高地温、气温，并可 降低温室内湿度，而且燃池加热系统 具有初投资低、运行费用少、使用年 限长的优点。 燃池取暖亦可用于养蝎1 4 5 、养 猪。除此之外，燃池加温也适用于黄 粉虫、黑粉虫、土元、娱蚣、水蛭等 其它特种养殖业。 随着燃池技术的发展，其与气体 设施综合应用的的例子越来越多，其 中一典型示范就是辽宁地区将沼气 池与燃池相结合 4 6 1 ，保障高寒地区沼 气池正常运转和充分利用，使沼气池 更多的获取效益，这是北方高寒地区 沼气技术的又一大进步和发展。 图l _ 4 阴燃应用- 火钵 图1 5 燃池结构示意图 图l _ 6 日光温室燃池平面图 图癌 盘凡量 图l - 7日光温室燃池地中热交换系统 j t 燃池是一种利用生物质能的新型的日光温室加温方法，对于已进行的日光温室燃池 加热的研究结果表明，燃池可以显著提高地温。但是由于燃池向两侧释放热量是通过燃 池壁经过土壤向两侧传递，在土壤中热量传递过程中，温度梯度变化很大，使得对地温 的影响范围比较有限，靠近燃池附近温度升高的比较多，而远处( 一般当达到7m 左右) 变化 不是很明显。因此，如沈阳农业大学的白义奎、王铁良等w t - 4 9 将燃池和地中热交换系统 结合起来设计了日光温室燃池地中热交换系统( 如图1 7 所示) ，并对加热效果进行了初 步研究，记过表明使用燃池。地中热交换加热系统，对提高温室内土壤温度、气温均具有 较好的效果。紧接着对日光温室燃池加热系统进行了理论分析，运用热力学与传热学的 基本理论，对日光温室燃池加热系统的传热机理进行了系统分析，建立了燃池加热系统 的数学模型，并进行了数值分析与试验研究，结果表明，数值计算值与实测值基本吻合， 并得出相同的变化规律，验证了模型的正确性。 此外，垃圾焚烧已经成为国外发达国家处理垃圾的主要手段之一，在国内，中国科 学技术大学科技实业总公司提出一研发项目城市生活垃圾阴燃焚烧技术。该项目调 试完成后即可向社会推广。 应用中存在的不足 从国内外生物质阴燃技术的发展状况来看，大多数都是初步的理论上的研究，目前 其主要应用是燃池技术。燃池技术己在部分地区得到普遍应用，然而这项技术并不是很 成熟，还存在很多的问题，主要表现在以下几个方面： 燃烧稳定性难以控制，从而导致室内温度控制失调。为了调节燃烧速度，有时还采 用在燃料中加水的办法。 热效率低，燃池中燃料的含水率一般在4 0 0 o - 5 0 左右，加水可以降低燃烧速率，但 会降低热能利用效率。而且由于燃池建于地下，许多热量散失于燃池周围的土壤中，燃 池的热效率较低。孙文策等的初步计算表明，燃池的热效率约为3 5 阱1 。 燃烧产物中一氧化碳等可燃气体含量较高，资料表明，燃池排出的气体一氧化碳含 量可高达1 0 以上，不仅降低了热效率，若烟气泄漏，可能导致一氧化碳中毒。 山东理下大学硕l 学他论史第一章绪论 燃池的构造需要一个较大的池体空间，由于建于地下，仅能满足单层建筑的供暖需 求，而且施工麻烦，操作使用起来不是很方便。 综合以上分析，目前对于阴燃的研究国外多针对于火灾，而国内对煤炭和锯末研究 的比较多，将干燥、热解、气体产物燃烧、残炭燃烧原理综合，这些研究为阴燃的理论 分析和应用提供了参考。而对作物秸秆自维持向下阴燃过程机理研究，建立全面模型， 来探讨这一阴燃现象规律的文献未见报道。人们已经开始对阴燃技术的利用开始了相关 研究，然而由于阴燃可燃气体排放较多、热效率低，阴燃技术还需进一步改进才能广泛 应用。 1 4 本文主要研究内容 为了研究秸秆在自然对流情况下的正向阴燃规律，本文研究的主要内容包括： ( 1 ) 设计制作自然对流竖直向下正向阴燃实验台，编制数据采集软件并利用中泰力 控、红外线气体分析仪和天子台秤对阴燃温度、阴燃速度以及阴燃气体产物进行同步定 时监测和记录保存； ( 2 ) 分析麦秸、玉米秸和草坪高羊茅草的含水率，并利用e a 3 0 0 0 c h n s o 高精度元 素分析仪和w z r - i t 高精度微电脑自动量热仪测定三种燃料的热值以及元素组成； ( 3 ) 以麦秸、玉米秸和草坪商羊茅草为燃料，以堆密度( 4 0 k g m 3 、5 0k g m 3 和6 0 k g m 3 ) 、进风量( a 、2 a 和4 a ) 和含水率为实验因素进行单因素阴燃实验和部分重复实验， 从阴燃温度、阴燃速度、阴燃气体成分以及阴燃灰含碳量等方面对阴燃实验数据进行了 分析比较，总结其规律； ( 4 ) 采用反平衡法和计算散热量两种方法，对阴燃炉热效率进行估算。 山东理t 大学硕卜学位论文 第二章试验设备设计 i l li i 2 1 设计要求及实现方案 2 1 1 实验流程 第二章试验设备设计 本文的主要工作是研究秸秆自然对流竖直向下阴燃的规律，以三种作物秸秆在阴燃 实验装置内发生阴燃的温度、阴燃速度和阴燃气体产物成分为主要研究对象。实验流程 图如2 - l 所示。 实验前一 r 丌 燃燃燃 料料料 水元热 分 素值 测分测 图2 - 1 实验流程示意图一 实验前要对燃料的特性包括水分、元素组成和热值进行测定，所用仪器为实验室已 经具有的干燥箱、马弗炉、e a 3 0 0 0 c h n s o 高精度元素分析仪和w z r - 1 t 高精度微电脑 自动量热仪。 阴燃实验是在自行设计制作的阴燃实验台e 进行的。 2 1 2 实验台设计要求及实施方案 初步实验是在第一代阴燃炉( 图2 - 2 所示) 中进行的，通过一系列的试验后发现该 阴燃炉有以下缺点： ( 1 ) 进风口大小不可以调节； 山东理t 大学硕卜学位论文第章试验设备设计 i l l l l i ( 2 ) 热电偶固定在炉体上，不便于拆卸，给装料增加了难度，而且热电偶的直径很大， 容易使物料被架空，造成装料不均匀； ( 3 ) 装料、排灰都不方便； ( 4 ) 阴燃炉外壁材料为铸铁，保温材料是保温砖，因此炉体很重，不方便搬运； ( 5 ) 在此阴燃实验台上做实验探讨了秸秆形成阴燃的可能性，仅能对阴燃过程中的温 度进行监测。 1 底睁上 | 攻口爰门3 进气口4 装抖口及盖5 烟囱6 热电偶 7 保温层8 炉外壁吼数据采集系统l q 计算机 图2 - 2 第代阴燃炉示意图及实物图 为了对秸秆自然对流正向阴燃进行研究( 如图2 - l 所示) ，探讨进风量、堆密度以及 含水率对不同类型秸秆的阴燃温度、阴燃速度以及阴燃气体成分的影响，需要重新设计 制作正向阴燃实验台( 如图2 - 2 所示) 。在基于燃池的结构特点，第一代阴燃炉的基础上 进行了改进： ( 1 ) 设计了独立的物料框，可以从炉体上方方便的取出、放入，这样就便于装料、排 灰： ( 2 ) 重新设计了热电偶的结构与尺寸，在满足测量要求的情况下使其直径尽量小，以 将对燃料的影响降到最低； ( 3 ) 将热电偶按要求安装在一平板上，装完燃料后可以将热电偶插入，固定热电偶板 到炉体，等完成实验后即可拆下热电偶板将热电偶取出，便于取出物料框排灰； ( 4 ) 进风量是影响阴燃的个重要的因素，因此，对进风口进行了改进，可以方便的 调节迸风口的大小以改变进风量； ( 5 ) 由于阴燃是缺氧的不完全燃烧，其烟气中c o 过高会使人中毒，为了监测烟气中 山东理工大学硕七学位论文 第章试验设备设计 气体成分的含量，在炉体烟气出口处开了个小孔引出气体通入红外线气体分析仪对其进 行监测分析； ( 国阴燃速度是一个关键的指标，若阴燃传播太快，容易向明火转捩，为了使其以合 适的速度传播，用电子台秤称量其质量变化，并设计了相应的程序对数据进行记录保存； ( 7 ) 因为要监测质量变化，炉体不要太重，因此在选材时选用了不锈钢，保温层选用 保温面，以尽量减轻炉体的重量，便于称量。 基于燃池的结构( 如图1 5 所示) 和存在的问题，以及第一代阴燃取暖炉( 如图2 - 2 所示) 所存在的不足，设计制作的新阴燃实验台( 如图2 - 3 所示) 主要有5 部分组成： 阴燃炉炉体，温度监测系统、质量监测系统、气体产物监测系统以及计算机，并实现了 数据的同步定时采集。 1 秸秆2 - 进风口3 炉盖4 - 咽气出口5 - 过滤和咽 气检测装置6 - 电子台秤州5 i 温棉8 - t i t 9 内部热 电偶，t i o t 1 4 表面热电偶 2 2 理论计算 2 2 1 进风口的设计 图2 - 3 阴燃试验装置示意图及实物图 该装置是自然对流阴燃的发生装置，进风口需要在自然通风条件下进行设计，自然 通风是靠设旌内外的温度差产生的热压或外界自然风力产生的风压促使空气流动。首先 山东理t 大学硕l 。学位论文第鼋试验设籍设计 计算三种秸秆完全燃烧的需氧量，由于秸秆中硫和磷的含量很少，因此需氧量主要由秸 秆中的c 、h 、o 元素含量决定，三种燃料的元素含量如表3 - 3 所示。仅考虑c 、h 、o 三种元素，玉米秸中o 含量相对低，因此需氧量相对大，其分子式可以简化为c h l 6 0 0 加 根据式4 _ 2 计算例三种秸秆完全燃烧的最大需氧量 c h l 0 0 7 + 1 1 0 5 0 2 = c 0 2 + o 8 h 2 0 然后按照阴燃炉最大装料量l o k g ，根据化学方程式计算可得需氧量为 ：i 1 0 i 1 0 5 3 2 ：1 3 5 堙 1 2 4 8 口 则所需空气的量为= 0 2 = 6 7 5 堙，生物质燃烧1 2 小时的进气口的空气流量 睁i ) ( 4 - 2 ) l ：鱼三三一：1 2 1 1 0 - 3 m 3 s ( 4 3 ) 1 2 3 6 0 0 1 2 9 、 根据流体力学的原理，可推导得出通风量 浮 式中：t 室内外温差，a t = t i - t o ，k ；王，r 一阴燃炉内、外热力学温 度，k g 一重力加速度，取g = 9 8 1 n v s 2 ；h _ - 迸气口与出气口中心高度差，值为0 3 m ： k 一由进出气口的面积与流量系数确定的系数，有： k = ) 式中a a ，a 旷- 进气口和出气口的面积，i n 2 ：心，以进气口和出气口流量系数， 一般气口没有阻挡物时取为0 6 5 0 7 0 ，气口有阻挡物或气口未全开时取值较上述值低， 可查有关资料确定。本装置假设进气口和出气口面积a f a b ，按照上述公式计算可得 好吣锄0 0 1 m 2 ，可以满足实验要求。 2 2 2 采暖负荷的计算 以山东传统普通住宅为例，农村住宅取暖热负荷的计算5 1 l 如下： 山东理t 大学硕士学位论文 第二章试验设备设计 q=q，v(ll)a(4-0 式中：啡宅采暖负荷，w ；q r - 体积热指标，w ( m 3 ) ；v 二建筑物外轮廓体积， m 3 ；l 采暖设计的室内温度，；b 一采暖设计的室外温度，；a 农村住宅采暖 热负荷调整系数，可取o 6 5 。村镇居民住宅的体积热指标见表2 1 。 以夜间卧室来计算，假设住宅卧室面积为2 0 m 2 ，屋高2 7 m 。室外设