（工程热物理专业论文）rijke管型自激式脉动流化床燃烧、脱硫和干燥特性实验研究.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 摘要 脉动燃烧技术具有燃烧强度高、燃烧效率高、传热效率高、排烟污染小、能 形成自吸以及结构紧凑，节省固定投资等特点。流化床燃烧技术是- - f l 比较成熟 的已得到广泛推广应用的燃烧技术。浙江大学热能工程研究所将脉动燃烧与流化 床燃烧相结合，提出了r i j k e 管型自激式脉动流化床的概念。本文就这种新型燃 烧方式的燃烧特性、烟气脱硫特性和干燥特性进行了研究，以完善鼬i k e 管型自 激式脉动流化床的研究工作，为流化床领域的研究拓宽新的思路和研究方向。 首先本文在综述了国内外流化床技术、脉动燃烧技术及二者相结合的脉动流 化床燃烧技术的燃烧效率，脱硫特性及干燥特性研究进展的基础上，提出了本课 题的研究工作。 接着本文进行了r i j k e 管型自激式脉动流化床燃烧特性的实验研究，研究了 静止床层高度、进1 ：3 空燃比及燃烧区温度对燃烧效率的影响，研究发现：r i j k e 管型自激式脉动流化床的燃烧效率非常高，在进口空燃比只有0 8 o 9 的情况 下，燃烧效率仍然能达到接近l o o 。 而后本文进行了r i j k e 管型自激式脉动流化床脱硫特性的实验研究，研究了 在不同c a s 比、不同床层燃烧温度、不同脱硫剂颗粒尺寸及不同s 0 2 初始浓度 情况下，脉动与非脉动两种工况的脱硫特性，研究发现：r i j k e 管型自激式脉动 流化床脱硫特性和常规流化床脱硫特性相似，但脉动的存在更有利于流化床脱硫 反应的进行。 最后本文进行了r i j k e 管型自激式脉动流化床干燥特性的实验研究及数学模 型的初步研究，在实验研究了床层料厚、干燥温度，干燥风速及干燥物料粒径各 因素对脉动流化床干燥特性的影响基础上，采用常用薄层干燥模型对干燥实验数 据进行了拟合研究，考虑到脉动燃烧的存在对物料干燥的影响，对常用薄层干燥 模型进行了一定程度的改善，获得了更适合戳f k e 管型自激式脉动流化床干燥的 薄层干燥模型，对这种新型燃烧方式在于燥领域的应用具有一定的指导作用。 关键词：r i j k e 管型自激式脉动流化床；燃烧效率；脱硫特性：干燥特性；薄层 干燥模型 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t p i l l s a t i n gc o m b u s t i o nh a s t h em e r i to fh i g hc o m b u s t i o n i n t e n s i t y , h i g h c o m b u s t i o n e f f i c i e n c y , h i g h h e a t t r a n s f e r e f f i c i e n c y , l o wd i s c h a r g ep o l l u t a n t , s e l f - i n s p i r a t i o n c o m p a c tc o n f i g u r a t i o na n dl c s si n v e s t m e n t f l u i d i z e db e dc o m b u s t i o n i sac o m p a r a t i v e l ym a t u r ea n dw i d e l yu s e dt e c h n o l o g y b a s e do nt h ec o m b i n a t i o no f p u l s a t i n gc o m b u s t i o na n df l u i d i z e db e dc o m b u s t i o n ，t h ei r t s t i t u t eo ft h e r m a lp o w e r e n g i n e e r i n go fz h e j i a n gu n i v e r s i t yh a db r o u g h tf o r w a r dac o n c e p to fr i j k e - t y p e s e l f - p u l s a t i n gf l u i d i z e db e d 础st h e s i si sd e v o t e dt ot h es t u d yo fm ec o m b u s t i o n p r o p e r t y , f l u eg a s d e s u l f u r i z a t i o np r o p e r t ya n dd r y i n gp r o p e r t yo ft h i sn e w c o m b u s t i o nm o d e ，w h i c hw i l lh e l pt oc o n s u m n l a t et h er i j k e - t y p es e l f - p u l s a t i n g f l u i d i z e db e dr e s e a r c hw o r ka n de n r i c hi t ss t u d y i n gt h r e a d sa n do r i e n t a t i o n s f i r s t l y , t h es t u d yw o r ki sp r o p o s e da f t e rt h es u m m a r i z a t i o no ft h es t u d yo ft h e c o m b u s t i o np r o p e r t y , f l u eg a sd e s u l f u r i z a t i o np r o p e r t ya n dd r y i n gp r o p e r t yo f f l u i d i z e db e dc o m b u s t i o n ，p u l s a t i n gc o m b u s t i o na n dp u l s a t i n gf l u i d i z e dc o m b u s t i o ni n a n da b r o a d s e c o n d l y , e x p e r i m e n t so nt h ec o m b u s t i o np r o p e r t yo fr i j k e - t y p es e l f - p u l s a t i n g a r ed o n eu n d e rd i f f e r e n tc o n d i t i o n si n c l u d i n gd i f i e r e n ti n a c t i o nb e dh e i g h t d i f f e r e n t i n l e tr a t i oo fa i rt op l ga n dd i f f e r e n tb u r n i n gr e g i o nt e m p e r a t u r e t h ee x p e r i m e n t r e s u l t ss h o wt h a tt h ec o m b u s t i o ne f f i c i e n c yo ft h er i j k e t y p es e l f - p u l s a t i n gf l u i d i z e d b e di sv e r yh i g h ，e v e ni ft h ei n l e tr a t i oi so n l y0 8 - 4 ) 9 ，w h i c hc a ns t i l la c h i e v en e a r l y 1 0 0 t h i r d l y , e x p e r i m e n t so nt h ef l u eg a sd e s u l f u r i z a t i o np r o p e r t yo fr i j k e t y p e s e l f - p u l s a t i n gf l u i d i z e db e da r ec a r r i e do u tu n d e rd i f f e r e n tc o n d i t i o n si n c l u d i n g d i f f e r e n tp r o p o r t i o no f c a s ，d i f f e r e n tb u r n i n gr e g i o nt e m p e r a t u r e ，d i f f e r e n ts i z eo f t h e d e s u l f u r i z a t i o nr e a g e n ta n dd i f f e r e n ti n i t i a ls 0 2d e n s i t yw i t hp u l s a t i n go rn o t 1 1 l e e x p e r i m e n tr e s u l ti n d i c a t e st h a tt h ef l u eg a sd e s u l f u r i z a t i o np r o p e r t yo fr i j k e t y p e s e l f - p u l s a t i n gf l u i d i z e db e di ss i m i l a rt ot h ef l u i d i z e db e dc o m b u s t i o n b u tp u l s a t i n g c o m b u s t i o nc a l la d v a n c ed e s u l f u r i z a t i o no f t h ef l u i d i z e db e d f i n a l l y , b o t he x p e r i m e n t a ls t d u ya n dm a t h e m a t i c a lm o d e lp i l o ts t u d yo nt h e d r y i n gp r o p e r t yo fr i j k e t y p es e l f - p u l s a t i n gf l u i d i z e db e da r ee x e c u t e d d u r i n gt h i s p r o c e s s ，f a c t o r si n c l u d i n g i n a c t i o nb e d h e i g h t ，d r y i n gt e m p e r a t u r e ，e m p t y c r o s s - s e c t i o nw i n ds p e e da n ds i z eo ft h ed r y i n gm a t e r i e la r ee n g a g e di nr e s p e c t i v e l y t l l i n 1 a y e rm o d e l sa r eu s e dt os i m u l a t et h ed r y i n ge x p e r i m e n td a t u m c o n s i d e r i n gt h e e f f e c to ft h ep u l s a t i n gc o m b u s t i o n ，s o i n en e wt h i n l a y e rd r y i n gm o d e l s ，w h i c ha r e m o r ec o m p a t i b l ef o rt h er o k e t y p es e l f - p u l s a t i n gf l u i d i z e db e dd r y i n gc h a r a c t e r , a r e s u g g e s t e d t h e s en e wt h i n l a y e rm o d e l sa r eu s e f u lf o rt h er i j k e t y p es e l f - p u l s a t i n g f l u i d i z e db e dc o m b u s t i o na p p l i e dt od r y i n gf l u i d k e y w o r d s ：r i j k e - t y p es e l f - p u l s a t i n g f l u i d i z e d b e d ；c o m b u s t i o ne f f i c i e n c y ； d e s u l f u r i z a t i o np r o p e r t y ；d r y i n gp r o p e r t y ；t h i n l a y e rd r y i n gm o d e l s 浙江人学硕士学位论文图目录 图目录 图1 1 各种类型脉动燃烧器 图1 2 脉动大气流化床燃烧器 图1 3 脉动燃烧干燥装置 图1 4h e l m h o l t z 型脉动燃烧干燥试验装置 图1 5 三室脉动流化床装置简图 图1 6 脉冲发生器结构示意图 图1 7 脉动流化床干燥器 图1 8 旋转脉动流化床干燥机 图1 9 脉动流化干燥实验台 图1 1 0 新型脉动流化干燥机简图 图2 1 瑙k e 管型自激式脉动流化床燃烧特性实验台示意图 图2 2a w a 6 2 9 0 a 型多通道噪声分析仪 图2 3a g i l e n t3 4 9 7 0 a 型惠普数据采集仪 图2 4r o s e m o u n tn g a 2 0 0 0m l t 多组分气体分析仪 图2 5 充分流化但未建立起热声脉动时床内压力变化情况 图2 6r i j k e 管型自激式脉动流化床燃烧情况 图2 7r i j k e 管型自激式脉动流化床声信号频谱分析 图2 8 燃烧效率与进口空燃比的关系 图2 9 燃烧效率与燃烧区温度的关系 图2 1 0 脉动流化与非脉动流化情况下燃烧效率比较 图3 1r i j k e 管型自激式脉动流化床脱硫特性实验台示意图 图3 2 电镜扫描c a o 微孔结构( 粒径0 4 5 - - 0 6 m m ) 图3 3 电镜扫描反应后的c a o 微孔结构 图3 4c a o 利用率随c a s 比的变化 图3 5c a o 利用率随燃烧区温度的变化 图3 6c a o 利用率随c a o 颗粒平均粒径的变化 图3 7c a o 利用率随时l l b j 的变化 图4 1r i j k e 管型自激式脉动流化床干燥实验台示意图 图4 2 干燥特性实验所采用的干燥小篮 图4 3 赛多利斯b s 2 2 3 s 电子天平 图4 4 脉动流化床干燥特性实验的脉动声信号 图4 5 脉动流化与非脉动流化状态干燥特性比较 i i i 4 6 j b mm”：2甜鸵筋拐巧勰勰如”砣弘弘硒扣甜铊钉钉钉 浙江大学硕士学位论文图目录 图4 6 不同床层料厚情况下，干燥物料质量随时间的变化 图4 7 不同床层料厚情况下，干燥物料湿度比随时间的变化 图4 8 不同干燥温度情况下，干燥物料质量随时间的变化 图4 9 不同干燥温度情况下，干燥物料湿度比随时间的变化 图4 1 0 不同进口风速情况下，干燥物料质量随时间的变化 图4 1 l 不同进口风速情况下，干燥物料湿度比随时日j 的变化 图4 1 2 不同进口风速情况下，干燥物料单位降水量随时问的变化 图4 1 3 不同物料粒径情况下，干燥物料质量随时间的变化 图4 1 4 不同物料粒径情况下，干燥物料湿度比随时间的变化 图5 1 脉动流化床干燥过程物料含水率随时间的变化情况 图5 2 拟合得到拟合曲线 图5 3 脉动流化床干燥物料湿度比实验值与模型估计值的对比 附图1o r i 【g i n7 0n l s f 菜单中自定义拟合函数 附图2 对定义函数的参数初始化 钇铉舛舛钌弱钉锣田黔奶 浙江大学硕士学位论文表目录 表目录 表1 12 0 0 2 年中国人均化石燃料储量和人均能耗国际比较2 表1 21 9 9 0 2 0 0 0 年中国单位产值能耗的国际比较2 表1 3 脉动燃烧与稳定燃烧比较3 表2 1 实验所用的液化石油气成分分析表 2 7 表2 2 可燃物质燃烧反应式2 7 表2 3 刚k e 管型自激式脉动流化床燃烧特性数据记录表 2 9 表3 1c a o 粒度分析结果3 7 表5 1 常见的农产品薄层干燥模型6 0 表5 2 脉动流化薄层干燥模型 6 2 表5 3g i j k e 管型自激式脉动流化床耐火土颗粒干燥特性实验数据记录表 6 2 表5 4 各模型干燥系数的回归曲线拟合系数6 5 表5 5 脉动流化模型系数b 对应的回归曲线拟合系数 6 6 表5 6 分析所得各工况平衡干基含湿量的相关经验系数k 值 6 6 表5 7 各模型拟合方程的相关系数6 7 表5 8 各模型干燥系数的回归曲线拟合误差 6 7 表5 9 脉动流化模型系数b 的曲线拟合误差 6 8 附表1 单一可燃气体的特性7 9 附表2 黜i k e 管型自激式脉动流化床燃烧特性实验工况表 8 0 附表3 剐k e 管型自激式脉动流化床燃烧特性实验数据记录表 8 1 v 浙江大学硕士学位论文符号表 符号表 爿经验系数：a ，经验模型干燥常数； a 干燥常数； b 与脉动声波频率有关的系数； b j 经验模型干燥常数；c 经验系数； 函f 2 方差；c h i 2 d o f 标准方差： d o f 自由度；g 口物料的初始质量，毋 西 物料的干基质量，g ： k 待定经验系数； 肠干燥常数：幻误差的自由度 m e平衡干基含湿量，； 肼 某一时刻物料干基含湿量，； m r湿度比； m o 初始干基含湿量，； n 干燥常数：p脉动声波的声强，d b ； q低位发热量，k j n m 3 ；和 固体不完全燃烧热损失，； r 2 ( 复) 相关系数r h环境空气的相对湿度，； t瞬时时刻干燥时间，s ；t 干燥空气的温度，； 瞻实际空气量，m 3 1 1 ； 矿 完全燃烧所需理论空气量，n 1 3 1 1 ； 反应前试样的质量，g ； 口 进口空燃比； 叩 试样的钙利用率，； 玑 燃烧效率，； d进口s 0 2 分压力，p a ； 出口s 0 2 分压力，p a ； 允d 试样中c a o 的含量，； m 。dc a o 的摩尔质量，g m o l ； ，hs 0 2 摩尔流量，m o l m i m q 液化石油气高低位发热量，k j n m 3 ； 可燃气体不完全燃烧热损失，k j n m 3 ： 卯 可燃气体不完全燃烧热损失，； 矿 燃气完全燃烧所需空气量，m 3 ； q ，q ，o 各可燃气体成分的高低位发热量，k j n m 3 ； 乃，乃， 气体燃料中可燃气体的体积百分数，。 口，扛，c j ，4 ，e i ( 卢o ，1 ，7 ) 干燥模型系数的回归拟合系数 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。据我所知，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，也不包含为获得逝婆盘堂或其他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 明并表示谢意。 学位论文作者签名：租良梅签字日期：及口7 年月f 及日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解迸鎏盘堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授 权逝鎏盘茎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，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适用本授权书) 学雠文储繇征k 梅导师虢秒夏缈 签字同期： 知口律6 月1 2 同 签字h 期： 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 矿7 年 电话： 邮编： 玛f 妒h f 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 背景 1 1 1 我国的能源现状 第一章绪论 一直以来，能源问题都被世界各国所重视，能源是人类社会生活和发展进步 的物质基础。在过去的2 0 世纪中，人类使用的能源主要有四种：原油、天然气、 煤炭和电力。根据国际能源机构的统计，假使按目前的势头发展下去，不加节制， 那么地球上原油、天然气、煤炭三种能源供人类开采的年限，分别只有4 0 年、 6 0 年和2 2 0 年了【l 】。进入2 l 世纪，能源问题的重要性更是越来越突出，随着我 国经济持续快速增长对能源需求的不断扩大，能源和经济、环境之间的矛盾日益 凸显，能源对我国经济制约的瓶颈越来越大。为保障经济增长，综合生产率的提 高，我国能源工作面临新的机遇和挑战，对能源发展也提出了更高的要求。能源 问题已经成为影响我国可持续发展的核心问题之一。 我国的能源现状：我国既是能源的生产大国，也是能源的消费大国。虽然 1 9 9 0 年以来能源生产总量已名列前茅，但人均占有能源消费量只有发达国家的 5 一1 0 ；但在另一方面，每万美元国民生产总值能耗方面则为世界各国之首， 为印度的2 2 倍，为发达国家的3 至1 1 倍1 2 1 ，表1 1 列出了我国人均一次资源量 与国际比较的具体情况，从表中可以看出我国总体能源状况是富煤缺油，且人均 占有资源量极少，能源资源相对匮乏。 另一方面我国的能源利用效率又相对低，单位能耗高。表1 2 列出了1 9 9 0 2 0 0 0 年我国单位产值能耗与各国的比较。尽管在1 0 年期间我国单位产值能耗下 降了近5 0 ，能源效率提高得比较快，但是与其他国家相比，2 0 0 0 年我国单位 产值能耗按汇率计是同本的9 倍多，美国的3 5 倍，印度的1 4 倍，远远低于国 际水平，因此我国的节能潜力很大，寻求高效率的能源利用方式对我国意义重大。 另外，我国还是全球最大的煤炭生产和消费国，在我国目前的一次能源消耗 中，煤炭占7 6 ，在今后若干年内还会有上升的趋势。我国虽以低硫煤( 含硫 0 5 1 1 o o ) 和超低硫煤( 含硫小于0 5 ) 为主，但由于煤炭消耗量大，其 燃烧效率还不够高，燃烧所产生的大气污染物还没有得到有效的控制，以致于我 国每年排入大气的8 7 的s 0 2 和6 7 的n o x 均来自于煤的直接燃烧。随着我国 工业化进程的不断加快，s 0 2 的排放量也同益增多f 5 】。囡此，如何有效地脱除烟 气中的s o z 对我国而占还是一个非常具有实际意义的研究课题。 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 表1 12 0 0 2 年中国人均化石燃料储量和人均能耗国际比较1 3 i 、里家与组织 中国美国欧盟日本o e c d俄罗斯 印度世界 项目 人口( 百万) 1 2 科52 8 8 9 3 7 8 4 1 2 7 4 1 1 4 6 01 4 4 01 0 3 3 06 2 l l0 石油可采储量( 亿t ) 2 53 82 5o 0 89 48 271 4 2 7 天然气可采储量( 万亿一) 1 5 l5 1 95 3 4o 0 0 41 5 3 84 7 5 7 0 7 61 5 5 7 8 煤炭可采储量( 亿o 1 1 4 5 0 2 4 9 9 9 1 0 4 5 0 7 7 4 4 5 7 71 5 7 0 i8 4 4 o9 8 4 4 5 一次能源消费量f m t o o 1 4 2 5 43 2 7 5 72 0 9 8 47 2 7 77 6 7 3 39 1 4 64 6 4 4 1 3 4 3 5 7 人均石油可采储量( u 人) 1 9 51 3 1 5 6 6 l o 0 68 2 0 5 6 9 4o 6 82 2 9 8 人均天然气可采储量( 一，人) 1 1 7 61 7 9 6 51 4 1 1 23 l l1 3 4 1 63 3 0 3 4 77 3 62 5 0 8 1 人均煤炭可采储量( v 人) 8 98 6 52 7 663 8 91 0 9 08 21 5 9 人均能耗( k g c e 人1 l l l 01 1 3 3 95 4 1 75 7 1 26 6 6 26 3 5 1 4 5 0 2 1 6 3 注：核电和水电按火电站转换效率3 8 换算热当量。 表1 21 9 9 0 2 0 0 0 年中国单位产值能耗的国际比较州单位：t c e 百万美元 年度 1 9 9 02 0 0 0 国家与组须、按汇率计按购买力平价计按汇率计按购页力平价计 中国2 4 1 7 5 2 1 1 2 7 4 2 7 6 美国 4 2 34 1 43 6 43 5 7 欧盟2 3 6 2 7 02 1 42 4 4 日本1 2 72 2 11 3 12 3 0 俄罗斯 2 4 2 2 7 6 5 _ 印度 9 2 41 9 48 8 91 8 7 o e c d 2 9 6 3 2 92 7 42 9 9 8 1 6非0 e c d1 0 2 3 世界4 2 33 7 7 随着我国进入全面建设小康丰十会的历史阶段，经济高速发展，能源与环境问 题更显迫切。我国政府也积极倡导节能与环保的世界主题，把环境保护和国民经 济增长及社会进一步发展列为下一时期的主要奋斗目标。当前大量科研机构及高 等院校也在积极努力开展各项节能与环保技术的研究。对于燃烧领域，高效低污 染的燃烧方式正逐步替代原有的高污染的燃烧方式，成为今后发展的一大趋势。 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 2 脉动漉化床技术 脉动流化床技术是浙江大学热能工程研究所基于脉动燃烧技术与流化床燃 烧技术而提出的一种新型燃烧技术【6 】。 1 ) 脉动燃烧技术概述 脉动燃烧是一种特殊类型的不稳定燃烧，是指在声振条件下发生的一种特殊 的周期性的燃烧过程。在燃烧区内，表征这个过程的状态参数，如压力强度、气 流速度、温度及热释放率等，是随时间周期性变化的【7 1 。脉动燃烧最根本的特点 是：燃烧器中的气流脉动强化了燃烧器及尾管中颗粒与颗粒之间、颗粒与气流之 间的传热、传质及动量传递过程，使得脉动燃烧器具有常规燃烧器不可比拟的优 点。表1 3 将脉动燃烧和稳态燃烧进行了比较，可直观地看出脉动燃烧具有燃烧 效率高、燃烧强度高、传热系数大、n o 。排放量小等优点。 表1 3 脉动燃烧与稳定燃烧比较8 i 脉动燃烧技术的突出优点使得脉动燃烧技术近年来在工业领域中的应用越 来越广泛，除做动力用蒸汽锅炉之外，在工业干燥，化学反应设备，石灰、水泥 生产，动力能源转换，固体垃圾的焚化，以及煤的气化等各方面，都显示出巨大 的潜力及宏伟的i i 景。 在脉动燃烧应用中，主要存在以下几个问题f 7 】：1 、噪声问题：燃烧过程中 会有一定的声能从燃烧器出口辐射出去，通过空气和燃料各自的入口也会向外辐 射声能，从而对周围环境造成噪声污染。表1 3 中也可看出，高达l l o 1 3 0 d b 的噪声的确是个值得考虑的问题。近年来的最新设计已成功地把噪声水平降到 4 5 d b 以下。2 、振动问题：由于脉动燃烧器内的压力脉动会诱发装置系统组件的 振动，对系统构件的强度、工作可靠性可能会造成一定的影响。目前对这一振动 对一些系统组件的影响还没有完令的理解，这一类课题仍在研究中【9 1 。 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 根据脉动产生方式不同，脉动燃烧器分为强迫脉动式和自激脉动式两种f 7 1 。 ( 1 ) 强迫脉动式：往往是通过一定的机械部件，向燃烧室周期供气或供燃 料，从而产生脉动燃烧。由于阀门使用频繁，寿命较短，可靠性比较差。 ( 2 ) 自激脉动式：利用热声转换技术将部分热能自发地转换成声能，产生 自激、持续稳定的脉动。由于没有机械运动部件，寿命相对较长，但噪声大。 根据脉动燃烧产生的声学结构不同，主要可以分为以下几类，如图1 1 所示： 空气 ( a ) s e h m i d t 型 f 捧气口 萄 t 迸气口 ( c ) r i j k e 型 撇 ( b ) h e l i m h o l t z 型 空气f l _ 堂 龅口1 一 蒜】烂 慝臂 图1 1 各种类型脉动燃烧器 ( d ) m a r c o n n e t 型 ( 1 ) s c h m i d t 型：又称以波长型，是一端开口一端闭口的直管结构，它是 基于声学上的1 4 波长谐振管的原理，依靠自激振荡产生并维持气体脉动，这种 自激是热声转换克服摩擦等造成的声能内部损失和辐射造成的声能外部损失，放 大微弱扰动实现。 ( 2 ) h e l m h o l t z 型：h e l m h o l t z 型与s c h m i d t 型主要区别在于它有一个大的 共振腔，但两者的工作原理基本是一样的。当采用进气阀门时，这两种类型的燃 烧器可以把尾管做得很长，因此换热非常充分。 ( 3 ) r i j k e 型：也叫r i j k e 管，它是一种典型的脉动燃烧装置，它是一个两 端丌口的直立长管。当热源在进口端l 4 处时，或冷源在出口端l 4 处时，便可 产生声热耦合的脉动。它的特点在于不仅可以燃用气、液燃料，而且还可以很方 4 进huu 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 便地燃用固体燃料，并且r i j k e 管燃烧器的结构简单易行，能够方便地实现自激 脉动燃烧，提高固体燃料和液体燃料的燃烧效率，降低污染。 ( 4 ) m a r c o r m e t 型：这种类型的燃烧器最大特点在于它的进气口是一个“气 动阀”。当燃气从燃烧室向外流动时，阻力较大，而当气体向燃烧室内流动时， 阻力则较小。这样，这种“阀门”起到了一定的自吸作用。 2 ) 流化床技术概述 使固体颗粒系统处于具有一定的流体行为特性的状态下，就称之为流态化了 或处于流化状态；称这样的系统为流化床。自1 9 2 1 年德国人温克勒( f r i zw i l l l ( 1 们 发明第一台流化床开始，流化床技术已有8 0 多年的历史了。近代流态化技术以 其特殊的气一固相特性，广泛应用于能源、化工、冶金、材料、环保、生化等工 业领域的物理操作( 干燥、吸附、掺混分级、包涂等) 或化学操作( 燃烧、裂解、 催化合成、氯化等) 过程中【1 0 】。 利用流化床具有液体的性能，可以设计出不同的气固接触方式，同其它接触 方式如：固定床、移动床相比，它具有以下优点【1 l 】： ( 1 ) 颗粒的流动平稳，类似于液体，其操作可连续自动控制： ( 2 ) 固体颗粒混合迅速均匀，使整个反应器内外处于等温状态： ( 3 ) 通过两床之问固体颗粒的循环，很容易实现提供大型反应器中需要的 大量热量或取出大型反应器产生的大量热量； ( 4 ) 气体与固体颗粒之间的传热和传质速率高； ( 5 ) 密相床与浸入表面间的传热和传质速率高： ( 6 ) 由于颗粒浓度高，体积大，能够维持较低温度运行： ( 7 ) 易于大规模操作。 对于目前越来越广泛应用的循环流化床锅炉来说，还具有煤种适应性广，燃 烧效率和燃烧强度高，脱硫效率高，氮氧化物( n o x ) 和其它污染物排放量低， 负荷调节范围大，调节速度快，且易于实现灰渣综合利用等特点。 与此同时，流态化装置也具有一些不利的特点： ( 1 ) 气体流动状态难以描述，当设计或操作不当时会产生不平常的流化形 式，由此导致气固接触效率的显著降低； ( 2 ) 不同粒径的颗粒在反应器中的停留时问不同； ( 3 ) 脆性固体颗粒易成粉末并被气流夹带，需要经常补充物料以维持稳定 运行； ( 4 ) 气速较高时密性区内的埋件和器壁磨损严重； ( 5 ) 对于易于，| 结团或熔点低的颗粒，需要低温运行，从而降低了反应速率： ( 6 ) 与固定床相比，流化床耗能较高。 综上所述，流化床燃烧技术与其它燃烧技术相比具有自身的优缺点，但其发 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 展前景是光明的，这更需要我们去充分地了解流化床的运动规律和特定的工艺条 件，从而最大限度地克服它的缺陷，发扬优点，使流态化技术得到很好地推广应 用。 3 ) 脉动流化床燃烧技术概述 自1 7 7 7 年，b y r o nh i g g n s 在竖立的圆管中发现“会唱歌的火焰”，而后很多 研究者也都观察到了热量引起管子声振的现象。脉动燃烧现象发现至今也已有两 百多年的历史了。但由于热声脉动现象的复杂性，对该技术仍然有很多机理性的 知识不是很清楚，因此没有建立起完整的脉动燃烧理论及数学模型，这就限制了 脉动燃烧技术更广泛的应用。而对于脉动流化床的研究国内外的相关报道更不太 多。美国国家能源署曾提出过脉动大气流化床燃烧技术( p a f b c ，如图1 2 ) 【1 2 j ， 并对这种技术进行了工业性和经济性的可行性分析；浙江大学的岑可法院士和严 建华教授也曾经做过关于脉动流化床的燃烧实验【1 3 1 4 1 ；山东大学的王相友老师 也对脉动流化床中的流体力学特性进行了研引1 5 】。不过这些研究中提到的脉动 流化床均可认为是一种强迫式脉动流化床，其实质是以脉冲气流作为流化床的流 化空气的脉冲流化床，关于自激式脉动流化床的研究报道仍很少。 图1 2 脉动大气流化床燃烧器 随着我国经济的持续快速发展，对能源的需求日益增加，从而对能源利用提 出了更高的要求，不仅要求利用效率高，还要求环保效益好。鉴于流化床燃烧技 术具有燃烧强度高、燃烧效率高、脱硫效果好等优点，而脉动燃烧技术也具有很 强的传热传质特点，浙江大学热能工程研究所把两者有机地结合起来，提出了自 激式脉动流化床燃烧技术1 6 j 。刘云芳和郑海啸1 1 6 ，17 】在着重研究了r i j k e 管的脉动 机理以及其声学和传热特性的基础k ，结合流态化技术，设计了一种犟于r i j k e 6 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 管原理的自激式脉动流化床，成功实现了流态化下的脉动燃烧，验证了实现自激 式脉动流化床的可行性，称之为r i j k e 管型自激式脉动流化床。在此基础上刘云 芳博士在不同的实验工况下，对r i j k e 管型自激式脉动流化床进行了实验研究和 模拟计算，获得了这种新型燃烧方式的发生条件、特性参数的变化规律、以及对 流化床传热、传质、污染控制等方面的影响作用【沼】。然而关于这种新型燃烧方 式的燃烧效率，脱硫特性与干燥特性的研究还不是很深入，所以本文在前期研究 基础上继续了以上这三方面的研究，以获得购k e 管型自激式脉动流化床燃烧效 率，脱硫特性以及干燥特性规律，并对脉动流化床干燥进行了初步的建模研究， 获得符合脉动流化床干燥规律的相关模型。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 流化床及脉动燃烧效率的研究 燃烧效率僵反映燃烧器中燃料燃烧的完全程度，燃烧效率的评价来自于燃 烧产物中各成分的浓度，对碳氢化合物为主的燃料来说，主要决定于燃烧产物排 气中c 0 2 、c o 、0 2 的干组分浓度及未燃烧的碳氢化合物( u h c ) 的含量。对燃 煤的燃烧器来说，燃烧效率的确定还要考虑随排气飞走的、未燃尽的小煤粒的含 量和落入灰渣中的碳的含量。通常燃烧效率t b 表示为： r , = 1 0 0 一( q 3 + q a ( 1 1 ) 其中q 3 为可燃气体不完全燃烧热损失，这是由于可燃气体未燃烧放热就随 烟气离开锅炉而造成的热损失，也称化学不完全燃烧损失。i f 常情况下q 3 值很 小，其主要影响因素为：燃料的挥发分、燃烧器的过量空气系数、燃烧器结构和 布置、燃烧区温度和炉内空气动力工况等。 q 4 为固体不完全燃烧热损失，这是燃料中未燃烧或未燃烬碳造成的热损失， 这些碳残留在灰渣中，也称为机械未完全燃烧损失或未燃碳损失【1 9 】。 大型电站锅炉的燃烧效率可高达9 9 以上，层燃炉一般因为固体未完全燃 烧损失大些，燃烧效率略低些【2 0 】。 关于流化床燃烧效率的报道比较多，目前很多学者还进行了提高流化床锅炉 燃烧效率的相关技术研究：申莉，刘德昌等【2 1 】提出了稳定锅炉燃烧，或采用飞 灰底饲回燃技术或电除尘灰再循环技术来降低飞灰含碳量，从而提高锅炉燃烧效 率。何宏舟【22 】等提出了当循环流化床锅炉循环倍率较小时，增大锅炉循环倍率 来提高锅炉燃烧效率。 针对链条炉，夏纪中【23 j 则提出了采用蒸汽扰动，混合炉膛中各种气体，提 高燃烧区的炉膛温度，锁住被一次风吹走的炭粒，减少飞灰损失，从而提高燃烧 浙江犬学硕士学位论文 第一章绪论 效率。陈爽弘l 提出了正确选择布煤方式，减少炉渣含碳量，提高链条锅炉燃烧 效率。 针对燃煤锅炉煤质劣化和低负荷运行的稳燃问题，陈冬林【2 5 l 等提出用可调 卫燃带来提高炉内温度，从而改善锅炉低负荷燃烧效率。 为解决煤粉燃烧效率低和污染严重的问题，近年来出现了不少新型燃烧方 案，脉动燃烧便是其中一种。脉动燃烧是一种节能、低污染的新型燃烧技术，是 介于正常燃烧和爆炸之间的一种燃烧方式。脉动燃烧过程的脉动性，极大地改善 了反应物间的扩散掺混和传热传质过程，从而大幅度提高燃烧效率，在很低的过 量空气条件下，燃烧效率可达9 8 1 0 0 2 “。 祝庆一【2 7 】等对刚k e 管型脉动燃烧内部温度分布进行了研究，发现热声脉动 使得燃烧器内部温度分布与通常燃烧装置有很大区别，脉动情况下炉内温度及燃 烧效率均较高。 王传法【2 8 】等对水平安置燃烧柴油的改型硒k e 管脉动燃烧器的燃烧特性进行 了研究，利用红外c 0 2 分析仪及其系统，测得补燃后c 0 2 容积含量为8 4 ，未 补燃燃气c 0 2 容积含量几乎也为8 4 ，燃烧效率接近1 0 0 ，排气温度很低，约 为5 0 0 左右。 m a f e r r e i r a 2 9 1 等对不同长径比的r i j k e 管型脉动燃烧器燃烧块煤的燃烧效 率进行了研究，发现在长径比为1 2 ：1 的燃烧器过量空气系数为1 0 时燃烧效 率便可达9 5 ，长径比为1 6 ：1 的要更高一些。 流化床燃烧效率与脉动燃烧效率都比较高，那么二者相结合的酗j k e 管型脉 动流化床的燃烧效率又将如何呢? 所以本课题进行了这方面的相关实验研究。 1 2 2 脉动燃烧脱硫研究 世界各国从二十世纪5 0 年代就开始研究脱硫技术，至今脱硫技术已达2 0 0 多种。这些技术按脱硫剂与脱硫产物的干湿状态可分为三大类：湿法脱硫技术( 脱 硫剂和副产物均为湿态) 、干法脱硫技术( 脱硫剂和副产物均为干态) 和半干半 湿法脱硫技术( 脱硫剂在干燥状态下脱硫，在湿状态下再生，或是在湿状态下脱 硫，在干状态下处理脱硫产物) 0 0 。 关于循环流化床脱硫方面的研究目前已非常多，学者们主要从影响流化床烟 气脱硫效率的四个主要因素：钙硫比、烟气流量、s 0 2 的入口浓度和趋近饱和温 度方面进行研究 3 1 , 3 2 , 3 3j 。 在脉动燃烧脱硫方面，m u h r o n gw a n g 、k e h c h i nc h a n g 等人f 3 卅对r i j k e 管 型脉动燃烧器燃煤脱硫进行了深入的研究，他们研究了c a s 摩尔比变化，脱硫 温度变化，脱硫添加剂种类( 石狄石和白云石) 与粒径变化在脉动燃烧中对脱硫 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 效率的不同影响获得以下结论：在相同的c a s 摩尔比下，小颗粒的添加剂的脱 硫效率要明显比大颗粒高，而且在相同的颗粒大小下，自云石的脱硫效率要比石 灰石高，在白云石的颗粒大小为0 5 m m ，脱硫温度为9 2 2 ，c a s 摩尔比为3 6 时，它的脱硫效率可达9 8 。同时，他们还研究了脉动燃烧器和其他传统燃烧 器在不同的c a s 摩尔比下的脱硫效率的比较，发现在添加剂( 石灰石或者白云 石) 颗粒比传统燃烧器大很多的情况下，脉动燃烧还是可以达到很好的脱硫效率。 所以用脉动燃烧进行脱硫的话，对添加剂的颗粒要求和其他燃烧方式相比要宽松 得多。另外他们还进行了脱硫温度变化的研究，发现硒i k e 管型脉动燃烧器最佳 脱硫温度为8 8 0 ，与传统流化床燃烧器最佳脱硫温度一致。 m r w a n g 、k c c h a n g i ”】还对石油焦在r i j k e 管型脉动燃烧器中燃烧的脱 硫脱硝进行了研究。实验中采用煤燃烧脱硫与石油焦燃烧脱硫进行对比，因石油 焦含硫量高，所以试验只能在低c “s 摩尔比情况下进行，实验发现同样添加剂 质量情况下，石灰石和白云石对石油焦燃烧s 0 2 的脱除没有什么区别。 关于流化床脱硫技术与r i j k e 管型脉动燃烧脱硫技术都有研究，而二者相结 合的砌i k e 管型脉动流化床的脱硫情况又将如何，国内外均未见报道，所以本课 题将进行r i j k e 管型脉动流化床脱硫特性的相关实验研究。 1 2 3 干燥技术的研究 于燥是广泛应用于石油化工、医药、食品及农副产品加1 = 等诸多领域的单元 操作，同时也是工业耗能相当大的一个单元操作。据资料记载，发达国家工业耗 能的1 4 被用于干燥，有些行业的干燥耗能甚至占到生产总耗能的3 5 ，而且 这个数字还在不断地增大f 3 6 】。另外，运用矿物燃料作为热源进行干燥操作产生 大量的二氧化碳等气体。干燥设备的尾气( 这些气体中央带一些粉尘) 对大气环 境有不良的影响，这对于日益引起全球关注的“环境保护”是一个极大的挑战。 所以在能源、环境问题日益严重的今天，发展高效、节能、低污染排放的干燥技 术具有极大的经济效益和社会效益。 1 ) 流化床干燥技术 流化床干燥器是在流化床中加入湿颗粒状物料，与经过气体分布板进入床层 的热空气接触，处于激烈的固体流态化状态，经过一定的停留时间，物料达到干 燥要求【j “。 流化床干燥器的特点如下：l 、在流化床内流体与固体颗粒充分混合，表面 更新机会多，大大强化了两相| 日j 的传热与传质，因而床层内温度比较均匀。同时，