（工程热物理专业论文）生物质成型燃料应用于取暖炉的燃烧特性实验研究.pdf

t h e f a c u l t yo fc e n t r a ls o u t hu n i v e r s i t y i np a r t i a lf u l f i l l m e n tt h er e q u i r e m e n tf o rt h e d e g r e eo fm a s t e r m a y , 2 0 1 1 s c h o o lo fe n e r g ys c i e n c ea n d e n g i n e e r i n g c e n t r a ls o u t hu n i v e r s i t y c h a n g s h a ，h u n a n ，erc h i n a 原创性声明 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。尽我所知，除了论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 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名：董波日期：型年月丝日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文， 允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 摘要 全球环境日益恶化、能源短缺，利用生物质能源可有效解决我国 的能源安全与环境问题。 本文通过热重实验研究玉米秸秆颗粒和木质颗粒不同升温速率 的燃料特性参数，并建立相应的燃烧动力学模型。以玉米秸秆颗粒、 木质颗粒为燃料，研究不同助燃空气温度、不同炉体温度条件下生物 质取暖炉点火过程、熄火过程中污染物排放行为。通过热平衡试验研 究取暖炉热效率与过量空气系数的函数关系。利用f l u e n t 仿真软件对 取暖炉炉内的燃烧过程进行数值模拟。 研究得出的主要结论有：挥发份析出及燃烧阶段，两种生物质成 型燃料的活化能、频率因子随着升温速率的提高而增加；而焦炭燃烧 阶段，两种生物质成型燃料的活化能、频率因子随着升温速率的提高 而减少，因此提高升温速率有利于焦炭的燃烧。点火过程中c o 的排 放量高于稳态的；提高助燃空气温度、加强炉体保温可降低c o 的排 放量；点火过程中，木质颗粒的c o 与n o 质量浓度比随排烟温度的 升高呈乘幂关系减小，玉米秸秆颗粒的c o 与n o 质量浓度比随排烟 温度的升高呈指数关系减小，因此，一种污染物的排放量与其他污染 物有关。降低过量空气系数，可有效提高取暖炉的热效率。二次助燃 空气不仅增加了炉内气流的扰动，还在近壁面区域产生局部旋流，延 长了炉内气流的停留时间。 关键词生物质成型燃料，燃烧特性，取暖炉，污染物，数值模拟 a b s t r a c t n o w a d a y s ，h u m a ni sf a c i n gt h ep r o b l e m so fd e t e r i o r a t i n gg l o b a l e n v i r o n m e n ta n de n e r g ys h o r t a g e s ，a n dt h eu s eo fb i o m a s se n e r g yc a nb e a ne f f e c t i v es o l u t i o nt oo u re n e r g ys e c u r i t ya n de n v i r o n m e n t a li s s u e s b yt g a ，t h ew o r km a k e sr e s e a r c ho np r o p e r t yp a r a m e t e r so fc o r n s t a l k s p e l l e t s a n dw o o dp e l l e t s ，a n dt h e a p p r o p r i a t e c o m b u s t i o n k i n e t i c sm o d e lw a se s t a b l i s h e d u s i n gc o r ns t a l k sp e l l e t sa n dw o o d p e l l e t sa sf u e l s ，t h ee m i s s i o no fp o l l u t a n t so fb i o m a s sh e a t i n gf u r n a c e s i g n i t i o np r o c e s sa n de x t i n c t i o np r o c e s sw a sr e s e a r c h e da tt h ec o n d i t i o no f d i f f e r e n tc o m b u s t i o na i rt e m p e r a t u r ea n dd i f f e r e n tf u r n a c et e m p e r a t u r e b yt h e r m a lb a l a n c et e s t ，w em a k er e s e a r c ho nf u n c t i o nr e l a t i o n sb e t w e e n t h et h e r m a le f f i c i e n c ya n dt h ee x c e s sa i rr a t i o 砀ew o r ku s e sf l u e n tt o s i m u l a t et h ec o m b u s t i o np r o c e s so ft h eh e a t i n gf u r n a c e r e s e a r c hr e s u l t sa r ea sf o l l o w s ：a tt h es t a g eo fv o l a t i l ep r e c i p i t a t i n g a n db u r n i n g ，a c t i v a t i o ne n e r g ya n df r e q u e n c yf a c t o ro ft h et w ob i o m a s s f u e l sw i l li n c r e a s ew i t ht h ei n c r e a s i n go fh e a t i n gr a t e ，w h i l ea tt h es t a g e o fc o k eb u r n i n g ，t h ed i s c i p l i n ei sj u s tr e v e r s e d s oi ti sc o n d u c i v ef o r c o k eb u r n i n gt oi n c r e a s eh e a t i n gr a t e 1 1 1 ee m i s s i o no f p o l l u t a n t so f i g n i t i o np r o c e s s i sm o r et h a nt h a to fs t e a d y s t a t e ；i n c r e a s i n g t h e c o m b u s t i o na i rt e m p e r a t u r ea n de n h a n c i n gt h ef u r n a c ei n s u l a t i o nc a n r e d u c ec oe m i s s i o n s ；d u r i n gi g n i t i o np r o c e s s ，f o rw o o dp e l l e t s ，t h e p o w e rr e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h em a s sc o n c e n t r a t i o nr a t i oo f c oa n dn o a n dt h ee x h a u s tg a st e m p e r a t u r ei sf o u n d ；f o rc o r ns t a l k sp e l l e t s ，t h em a s s c o n c e n t r a t i o nr a t i oo fc 0e m i s s i o n sa n dn 0e m i s s i o n sd e c r e a s e e x p o n e n t i a l l yw i t he x h a u s tg a st e m p e r a t u r e t h e r e f o r e ，e m i s s i o no fo n e p o l l u t a n ti sc l o s e l yr e l a t e dw i t ht h ee m i s s i o n so fo t h e rp o l l u t a n t s 劢e t h e r m a le f f i c i e n c yw i l ls i g n i f i c a n t l yi n c r e a s ew i t hr e d u c eo ft h ee x c e s sa i r r a t i o 。砀es e c o n d a r yc o m b u s t i o na i ri n c r e a s e dt h ea i r f l o wd i s t u r b a n c ei n t h ef u i t i a c e ，a n di ta l s og e n e r a t e dl o c a lc y c l o n en e a rt h ew a l lr e g i o n ， w h i c he x t e n dt h er e s i d e n c et i m eo fa i ri nt h ef u m a c e k e yw o r d sb i o m a s sb r i q u e t t e s ，c o m b u s t i o nc h a r a c t e r , h e a t i n gf u m a c e ， p o l l u t a n t s ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n i i 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第一章绪论1 1 1 研究背景1 1 2 生物质颗粒燃料的发展概况4 1 2 1 生物质颗粒燃料概念4 1 2 2 生物质燃料成型技术简介4 1 3 生物质燃烧技术的研究现状5 1 3 1 层燃技术6 1 - 3 2 流化床技术7 1 3 3 悬浮燃烧技术7 1 4 生物质成型燃料燃烧设备发展现状7 1 4 1 国外生物质成型燃料燃烧设备发展现状7 1 4 2 国内生物质成型燃料燃烧设备发展现状8 1 5 房屋取暖9 1 6 研究的主要内容、目的及意义9 1 6 1 主要内容9 1 6 2 目的及意义9 第二章生物质成型燃料热重分析与燃烧动力学研究ll 2 1 生物质热分析原理1 1 2 2 实验装置及实验方法1 2 2 3 实验原料1 4 2 4 实验结果与分析1 6 2 4 1 热重曲线分析1 6 2 4 2 生物质燃料燃烧特性分析2 0 2 5 生物质燃料燃烧动力学分析2 2 2 5 1 生物质燃料燃烧反应动力学模型建立2 2 2 5 2 动力学参数的确定2 3 2 6 本章小结2 5 第三章生物质取暖炉点火与熄火过程污染物排放实验研究2 7 3 1 生物质取暖炉介绍2 7 3 2 试验测试仪器和试验方法2 8 3 3 试验结果与分析2 9 3 3 1 点火过程中n o 的排放。2 9 3 3 2 点火过程中c o 的排放3 2 3 - 3 3 点火过程c o 与n o 质量浓度比随排烟温度的变化3 6 3 3 4 熄火过程中n o 的排放3 7 3 3 5 熄火过程中c o 的排放3 8 3 4 本章小结3 9 第四章过量空气系数对生物质取暖炉热效率的影响4 0 4 1 热平衡试验4 0 4 2 试验测试仪器与试验方法4 1 4 3 热平衡试验结果与分析4 3 4 4 过量空气系数与热效率的函数关系4 4 4 5 本章小结4 7 第五章生物质取暖炉燃烧过程的数值模拟4 8 5 1 数学模型和控制方程4 8 5 1 1 湍流气固两相流动模型4 8 5 1 2 气相燃烧模型4 9 5 1 3 颗粒相燃烧模型5 0 5 1 4 辐射换热模型5 1 5 2 数值模拟51 5 2 1 取暖炉几何模型与工况参数5 1 5 2 2 网格划分5 2 5 2 3 边界条件。5 2 5 2 4 计算结果与分析5 3 5 3 出口截面试验值与模拟值对比5 6 5 4 本章小结5 7 第六章结论与建议5 8 6 1 结论5 8 6 2j 枣议5 9 参考文献6 0 至定谢6 5 攻读硕士学位期间发表论文情况6 6 中南大学硕士论文第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 自然环境是人类生存与发展的基础，人类在社会经济发展过程中不断消耗 自然环境中的物质资源，其中最重要的就是能源。由于人类无节制的利用自然 资源，使得环境污染越来越严重、能源越来越匮乏。能源是社会经济发展的动 力，所以人类必须正视能源、环境问题与社会经济发展之间的矛盾。作为一个 年均经济增长速度达1 0 的发展中大国，我国能源消耗速度快速增长，成为世 界能源消耗大国。因此能源安全将是我国政治、经济领域的重大问题【1 1 。 ( 2 0 0 6 年中国能源发展报告【2 】指出，全球能源消费组成为：约9 0 化石 能源，1 0 核电、水电。而中国消耗的主要能源是煤和石油，具体组成见表1 1 。 据世界能源会议统计，世界已探明可采煤炭储量共计1 5 9 8 0 亿t ，预计还可开采 2 0 0 年；探明可采石油储量共计1 2 1 1 亿t ，预计还可开采3 0 , - - , 4 0 年i 探明可采 天然气储量共计1 1 9 万亿立方米，预计还可开采6 0 年【3 ，刖。由于煤炭、石油的大 量使用，释放了大量的热量、温室气体、酸性气体，导致臭氧层破坏、全球气 候变暖、酸雨等灾难。如果我国不采取应对气候变化的措施，到2 0 5 0 年，中国 的能源消耗量会由2 0 0 5 年的2 2 4 6 亿t 标准煤增加达6 6 9 亿t ；能源消耗产生的 二氧化碳排放量将从5 2 亿t 增加为1 2 2 亿t 5 1 。“京都议定书 和我国的防止 大气污染法都明确表示我国城镇要减少直接燃煤量、提高和完善燃煤设备的 技术水平。同时众多城市已明令禁止小型燃煤锅炉的使用，因此研究开发替代 化石燃料的清洁可再生燃料迫在眉睫。 表1 12 0 0 0 - 2 0 0 7 年中国能源消费总量与结构 能源消费总量占能源消费总量的比重 年份 ) 7 t 标准煤煤炭石油天然气水电、核电、风电 2 0 0 01 3 8 5 5 36 7 82 3 22 46 7 2 0 0 11 4 3 1 9 96 6 72 2 92 67 9 2 0 0 21 5 1 7 9 7 6 6 3 2 3 4 2 67 7 2 0 0 3 1 7 4 9 9 06 8 3 2 2 2 2 66 8 2 0 0 42 0 3 2 2 76 8 02 2 3 2 67 1 2 0 0 52 2 4 6 8 26 9 12 1 02 8 7 1 2 0 0 62 4 6 2 7 0 6 9 4 2 0 43 0 7 2 2 0 0 72 6 5 5 8 36 9 51 9 73 57 3 中南大学硕士论文 第一章绪论 生物质能源是植物通过光合作用而固定于地球上的太阳能。生物质通过光 合作用利用吸收的太阳能、土壤中的水和空气中的二氧化碳生成氧气和碳水化 合物【6 l ，其化学过程为： x c o ，+ h 2 0 塑避c 。( h ，o ) v + o ：( 1 - - 1 ) 煤、石油和天然气等化石能源也是由生物质能转变而来的。与化石燃料相 比，生物质具有以下几个特点r 卜l l j ： 1 ) 生物质产量大，分布范围广，利用方式多。 2 ) 生物质中氮和硫含量较低，灰份含量小，因此利用过程中n q ，s o , 与灰 尘排放量低于化石燃料的，是一种清洁燃料。 3 ) 二氧化碳零排放是生物质利用过程最突出的特性；由于生物质在生长时 吸收的c 0 2 相当于生物质利用过程排放的c 0 2 的量，因而对大气的c 0 2 净排放 量近似于零，可有效降低温室效应。生物质利用中c 0 2 循环如图1 1 所示【1 2 l 。 4 ) 生物质热值较低，生物质的高含水量使生物质的热解和燃烧特性差。 5 ) 生物质分布较分散，收集、运输和预处理成本较高。 6 ) 可再生性。生物质通过植物的光合作用可以再生，与风能、太阳能同属 可再生能源、资源丰富，可保证能源的持续利用。 o 彩彩镕锄r 档毒“磁i 协 铹错蝴磺咖糍自口列4 盛 躲艄聩撕 图1 - 1 生物质能利用二氧化碳零排放的原理 生物质能源是人类最早使用的能源【9 j 。而对生物质进行大规模研究始于2 0 世纪7 0 年代。中东战争导致的全球能源危机使得人们开始重视包括生物质能源 在内的可再生能源的开发利用。人类清楚的认识到煤、石油、天然气等化石能 源的短缺和负面问题，将阻碍人类可持续发展 9 , 1 3 , 1 4 。化石燃料的使用是产生“酸 雨 、“臭氧层破坏 、“温室效应 等环境问题主要原因，人类生存与发展正面 临着前所未有的挑战【”】。为了解决由于化石燃料使用产生的环境问题，全人类 2 中南大学硕士论文 第一章绪论 都在积极研究替代化石燃料的可再生清洁能源。为了不增加环境中的c 0 2 含量， 全球c 0 2 排放必须减少6 0 1 1 6 】。 目前，生物质能源消耗约占世界总能源消耗的1 4 ，是在煤炭、石油、天 然气之后，居第四位。其中，发展中国家生物质能源利用总生物质能源的7 5 、 发达国家约占2 5 【l 9 j 。发展中国家主用是以直接燃烧的方式为居民提供生活 用能，存在资源严重浪费、能源利用率低的问题。据推测，全球可供应生物质 能取决于农业生产水平和土地使用情况等不确定因素，2 0 5 0 年大致约为 1 1 0 1 4 m j 至4 l o l 4 m j t 驯。 世界上很多国家，无论是发展中国家还是发达国家都在大力推广和发展生 物质利用技术，并制定了相关的发展目标，实施了相关的激励政策。农业国苏 丹石油、天然气资源非常有限，主要能源为生物质能，占国家总能源消耗的8 7 ， 因此苏丹非常重视生物质能利用的开发、研究，认为解决环境与能源问题的关 键是生物质能1 2 1 , 2 2 1 。印度重视生物质气化、液化技术，生物质能约占总能源消 耗的3 6 2 - 4 6 5 ，通过大规模的生物质能利用促进了农村经济发展，创造了大 批的就业岗位，逐步实现生物质、生物质发电替代化石燃料、化石燃料发电【1 9 ，2 3 】。 芬兰【2 4 1 1 9 9 4 年初能源消耗总量为1 2 8 3 x 1 0 圯m j ，其中生物质能( 含泥煤) 为 2 5 x 1 0 1 1 m j ，约占2 0 。芬兰政府发布了“能源政策白皮书 ，赋予了生物质能 重要地位。芬兰的目标是到2 0 0 5 年生物质能使用比例达到2 5 以上。德引2 4 1 生物质燃料的利用可获得一系列政府补贴和支持性法律措施扶持。2 0 0 0 年4 月， 德国新颁布了一项有关可再生能源发电的法律。依据可再生能源的种类和装机 容量的不同，“可再生能源法 规定电网的经营者必须以固定的价格购买绿色电 力；规定到2 0 1 0 年将德国的生物质能消耗量增加一倍。土耳其的石油、天然气 非常匮乏，水电为主要能源，但生物质资源丰富，近期土耳其加强生物质能利 用，生物质能占家庭能耗的5 2 ，仅薪炭就占到总能耗的2 1 1 2 5 1 。 国民经济和社会发展第十一个五年规划纲要中明确提出“加快开发生 物质能”。中国国家主席胡锦涛提出：“加强可再生能源开发利用，是应对日益 严重的能源和环境问题的必由之路。中共中央、国务院关于积极发展现代农 业，扎实推进社会主义新农村建设的若干意见提出，“动农作物秸秆固化成型 燃料试点项目 ，“以生物质能源、生物质基产品和生物质原料为主要内容的生 物质产业，是拓展农业功能、促进资源利用的朝阳产业”，“鼓励有条件的地方 利用荒山、荒地等资源，发展生物质原料作物种植 。为积极贯彻落实党中央、 国务院一系列有关发展农业生物质能的指示精神，全国人大制定了( n - - f 再生能 源法，依据该法，国务院在2 0 0 7 年制定了中国可再生能源中长期发展规划， 确定了生物质能主要项目的发展目标 2 6 1 。 3 中南大学硕士论文第一章绪论 根据可再生能源和新能源发展纲要，我国将建立生物质能产业基地，完善 生物质能产业体系，使生物质能在整个能源供应系统中发挥更加重要作用；以 推广生物质能先进技术改变农村用能结构，优化农村能源利用现状，实现农村 经济和社会可持续发展；2 0 2 0 年我国农林生物质能发电装机容量达到 2 4 0 0 0 m w ，垃圾焚烧发电总量为2 0 0 0 m w ，垃圾填埋气发电总量为1 0 0 0 m w ， 沼气发电总量为3 0 0 0 m w 。2 0 2 0 年我国生物质固体成型燃料年利用量达到5 0 m t 。 因此，生物质能不仅解决了我国能源问题，还保护了生态环境，保证我国可持 续发展战略的实施。 1 2 生物质颗粒燃料的发展概况 1 2 1 生物质颗粒燃料概念 生物质颗粒( 成型) 燃料，是在高压加热条件下，将秸秆、木屑等农林残 余物压缩成质地坚实的颗粒状成型物，可作为民用炉灶、工业锅炉、家庭取暖 炉的燃料。由于生物质颗粒燃料除具有灰分小、零c 0 2 排放等生物质燃料特有 的优点外，还有贮存和运输方便、比重大、燃烧稳定、热效率高等优点，是一 种理想的可再生清洁燃料，具有非常广阔的市场【2 7 1 。 1 2 2 生物质燃料成型技术简介 1 2 2 1 热压成型机理 植物细胞中含有木质素、纤维素、半纤维素。木质素是由四种醇单体形成 的一种复杂酚类聚合物，在植物组织中具有增强细胞壁及黏合纤维的作用。木 质素为非晶体，常温时不溶于任何溶剂，有软化点，没有熔点，当温度达到7 0 1 1 0 ，其粘结力增强，木质素在2 0 0 3 0 0 的高温下发生软化、液化， 这时施加压力可使纤维素与木质素紧密粘结，生物质颗粒内部相互胶合，外部 析出焦油、焦化，冷却后就固化成型【2 3 , 2 9 1 。 1 2 2 2 成型技术的研究状况 2 0 世纪初期压缩成型技术已经出现，3 0 年代美国就开始研究生物质压缩成 型机。瑞典在4 0 年代也生产了g l o m e r a 高压成型机。5 0 年代日本引进国外技术， 建立了压缩成型燃料工业体系。1 9 4 8 年申报了第1 个生产棒状木质成型燃料的 专利，6 0 年代创立成型燃料行业协会。7 0 年代，西欧许多国家开始重视研究生 物质压缩成型技术。法国开始只用秸秆压缩颗粒作为奶牛饲料，后来逐渐研究 压缩成型燃料，并达到了实用阶段。同时，比利时“t 1 1 7 螺旋压块机研制成 4 中南大学硕士论文 第一章绪论 功，联邦德国生产了r u f 压块设备、k a h l 系列压粒机。意大利阿基普公司开 发出一种大型秸秆收获、压缩成型的大型设备，能在田间收割、切碎、榨汁、 烘干秸秆，最后压缩成型【3 0 l 。8 0 年代后，石油价格上涨，能源危机，美国、西 欧的木材厂倡导以木材实现能源自给，所以，木质压缩燃料快速发展。生物质 成型技术在美国、西欧、日本等国成为了一种产业。1 9 8 4 年日本生物质成型工 厂有1 7 2 家，总产量约2 6 万t ，平均每户家庭成型燃料消耗量约为7 5 0 k g 。1 9 8 5 年美国成型燃料总产量超过2 0 0 万t 。除了日本，泰国、菲律宾、印度等亚洲国 家从8 0 年代开始研制生物质压缩成型技术【3 l ，3 2 1 。 我国成型燃料技术研究开始于8 0 年代，压缩成型机大致分为：液压成型机 和螺旋挤压成型机1 3 弼引。1 9 8 5 年湖南省衡阳市粮食机械厂研制出z t - 6 3 型生物 质压缩成型机。1 9 9 0 年东海粮食机械厂与中国林科院林产化学工业研究所携手 完成国家“七五 攻关项目木质棒状成型机的开发研究，并建立了1 0 0 0 t 年棒状成型燃料生产线1 3 9 1 。1 9 9 4 年中国农机能源动力所，湖南农业大学分别研 制出c y j 3 5 型、p b 1 型机械冲压式成型机。1 9 9 7 年河南农大研究出h p b 1 型 液压驱动活塞式成型机。2 0 0 2 年中南林学院也研制出相关设备。同时，我国许 多省市能源部门、大小企业积极引进技术，创办相应的生产企业，先后4 0 多个 企业进行了产业化生产。如陕西省武功县轻工机械厂，广西桂林市安元机制碳 机械厂，江苏省国营九三零五厂，河北省正定常宏木炭设备制造厂，江苏省南 京林产化学工业研究所，西北农业大学能源研究室，辽宁省能源研究所产业基 地，中国农机院能源动力所，等都研制出自己的成型产品。 1 3 生物质燃烧技术的研究现状 生物质转化利用主要途径有化学转化、物理转化、生物转化等。生物质可 转化为二次能源热能或电力、液体燃料、固体燃料和气体燃料等。生物质 化学转化主要包括直接燃烧、气化、液化、热解、酯交换等。直接燃烧是利用 生物质最传统的方法。燃烧产生的能量可用来生产电能或供热。 生物质直接燃烧大致分为炉灶燃烧、锅炉燃烧。炉灶燃烧投资少、操作简 便，但燃烧效率低，导致生物质的严重浪费；锅炉燃烧的燃烧技术先进，生物 质作为锅炉燃烧的燃料，可提高其利用效率。锅炉燃烧可使生物质较集中、大 规模地应用。生物质燃料锅炉种类较多，根据锅炉燃用生物质种类的不同分为： 木材炉、薪柴炉、秸秆炉、垃圾焚烧炉等；根据锅炉燃烧方式的不同分为：层 燃炉、悬浮燃烧、流化床锅炉。 中南大学硕士论文 第一章绪论 、 1 3 1 层燃技术 在层燃炉中，一定数量生物质燃料平铺在炉排上，进行干燥、干馏、燃烧、 还原过程。一次助燃空气从炉排下部经过燃料层为其燃烧提供氧气，二次助燃 空气与可燃气体在炉排上部空间混合燃烧，具体燃烧过程见图1 2 。 予馏瑶 还琢朦 欲化层 获镄缓 空气 图l - 2 层燃的燃烧过程 根据燃料与气体流动的方向不同，将层燃炉燃烧技术分为：1 ) 逆流，燃料 与气体流动方向相反，热气体与新进入炉膛的燃料接触，加热新燃料，使新燃 料中的水分快速蒸发，此方式适合含水量较多的燃料；2 ) 顺流，燃料与气体流 动方向相同，此方式延长了未燃尽气体的停留时间、增加了气体和燃料层的接 触面，此方式适合较干燥的燃料和配有空气预热器的系统；3 ) 叉流，气体从炉 膛中间流出，此方式结合了逆流和顺流的优点 4 0 1 。 在我国，田宜水、张鉴铭等【4 1 】根据秸秆燃料特性分析研究，为加强高温烟 气、秸秆、空气相互混合，延长燃料在炉内的停留时间，使秸秆充分燃烧，在 秸秆热水锅炉的设计中，采用双燃烧室结构。第一个主燃区，设置在炉膛前部； 第二个辅助燃烧区，设置在炉膛后部。实践证明设计合理。翟学副4 2 】通过对甘 蔗渣的燃烧特性分析研究，设计出一种闭式炉膛结构的甘蔗渣锅炉。该锅炉分 开布置燃烧室与辐射受热面。甘蔗渣在炉膛中半层燃半悬浮燃烧，这不仅保证 甘蔗渣充分燃烧，又保证足够的受热面；通过炉膛内布置的人字型前后拱增强 了高温烟气对甘蔗渣的传热，有助于甘蔗渣的快速着火与充分燃烧。何育恒【4 3 】 开发研制了燃用木粉、木屑、树皮等燃料的层燃锅炉。该锅炉结构独特，炉膛 和前墙只有少量水冷壁管，确保炉膛温度可使木粉、木屑充分燃烧；锅炉负压 运行，确保燃烧过程不向炉外喷火；炉膛配有防爆门，以防木粉爆燃。 在国外，丹麦e l s a m 公司改造的b e n s o n 型锅炉采用两段式加热，为减 少烟气中腐蚀气体对设备的腐蚀，在炉膛和管道中配置纤维过滤器，实践运行 表明锅炉的改造比较合理。l s j o n h a n s s o n ，c t u l l i n ，b l e c k n e r 等【4 5 】研究yd , 6 中南大学硕士论文 第一章绪论 型燃烧设备中生物质燃烧过程烟尘颗粒的排放规律。排放的颗粒尺寸主要为亚 微米( l 时，随着过量空气系数的增加 气体不完全损失、固体不完全损失将发生变化，使得热效率先增加，再减少。 因此实际燃烧过程中过量空气系数与热效率的定量关系不易获得。为了研究过 量空气系数对热效率的影响规律，假定当过量空气系数a l ，取暖炉中燃料与空 气混合充分、均匀，燃烧稳定；气体不完全损失9 3 、固体不完全损失9 4 一定； 助燃空气温度、排烟温度一定。由式( 4 4 ) 可知，取暖炉的热效率珂是排烟损 失9 2 的一元函数。 试验过程中气体不完全损失仍、固体不完全损失织所占比重较小且数值较 稳定，结合试验结果，玉米秸秆颗粒取9 3 为o 1 9 ，q 4 为1 6 5 ，木质颗粒取 9 3 为0 0 8 ，q 4 为1 2 。助燃冷空气温度为9 c ，排烟温度为1 2 4 c 。通过计算 得出不同过量空气系数下的烟气量、热效率值见表4 3 。 从表4 3 可以看出： 1 ) 取暖炉热效率随过量空气系数的增加而减少。产生此现象的原因是由于 在气体不完全损失、固体不完全损失、排烟温度一定的情况下，过量空气系数 增加，使得烟气量增加，导致烟气带走的热量增加、排烟热损失增加，热效率 降低； 中南大学硕士论文第四章过量空气系数对生物质取暖炉热效率的影响 2 ) 随着过量空气系数的增加，热效率明显减少，所以降低过量空气系数， 减少排烟热损失是提高热效率的主要途径； 3 ) 比较两种成型燃料相同过量空气系数对应的热效率值可知，过量空气系 数相同时，木质颗粒的热效率略高于玉米秸秆颗粒的热效率。这主要因为相对 玉米秸秆颗粒，木质颗粒的挥发份高、灰分低，使得木质颗粒燃烧过程的固体 不完全损失小于玉米秸秆颗粒的。 4 ) 比较两种成型燃料相同过量空气系数时的烟气量可知，过量空气系数 a = 2 5 时，两种成型燃料的烟气量相等。当过量空气系数a 2 5 时，木质颗粒的 的烟气量略大于玉米秸秆颗粒的烟气量；而当过量空气系数a 2 5 时，木质颗粒 的的烟气量小于玉米秸秆颗粒的烟气量。 表4 3 不同过量空气系数的烟气量与热效率值 木质颗粒玉米秸秆颗粒 过量空气系数 烟气量( n m 3 h 。1 ) 热效率烟气量 ( n m 3 h 1 ) 热效率 1 21 4 0 89 2 9 31 4 0 69 2 3 4 1 51 7 3 39 1 7 61 7 3 29 1 1 6 22 2 9 58 9 8 l2 2 9 48 9 1 9 2 52 8 8 18 7 8 52 8 8 18 7 2 3 3 3 4 9 48 5 9 03 4 9 5 8 5 2 6 3 5 4 1 3 58 3 9 54 1 3 98 3 2 8 4 4 8 0 88 l - 9 94 8 1 48 1 3 2 4 55 5 1 28 0 0 45 5 2 27 9 3 5 56 2 5 27 8 0 96 2 6 67 7 3 8 5 57 0 3 l7 6 1 37 0 5 07 5 4 l 67 8 4 97 4 。1 87 8 7 57 3 4 4 6 58 7 0 97 2 2 68 7 4 47 1 4 8 为了更直观的理解热效率与过量空气系数、热效率与烟气量之间的函数关 系，分别以过量空气系数、烟气量为自变量，热效率为变量，得出热效率与过 量空气系数、热效率与烟气量的拟合曲线，见图4 1 、图4 2 。 通过回归分析得到图4 1 、图4 2 中四条拟合直线为： 木质颗粒： 可= 3 9 3 7 1 a + 9 7 0 6 6 ，r 2 = l ( 4 - 5 ) r = 0 2 8 4 5 v + 9 6 2 0 9 ，r 2 = 0 9 9 51 ( 4 6 ) 玉米秸秆颗粒： 4 5 中南大学硕士论文 第四章过量空气系数对生物质取暖炉热效率的影响 1 = 3 9 0 4 a + 9 7 6 1 3 ，r 2 = 1 ( 4 7 ) ，尸0 2 8 5 5 v + 9 5 6 1 2 ，r 2 = o 9 9 5 ( 4 8 ) 在式( 4 - 5 ) 至( 4 8 ) 中，叩：取暖炉热效率；a ：过量空气系数：v ：烟气 量；r 为相关系数。由四个回归函数的r 2 值说明四个回归函数符合两种燃料燃 烧过程叩与仅、叩与1 ，的变化规律。 鲇 9 0 鎏8 5 夸8 0 7 5 7 0 l o o 9 5 9 0 、o 1 1 5 8 0 7 5 7 0 1i 522 533 。544 ，5 55 566 57 口 图4 - 1 过量空气系数与热效率曲线图 1 02 03 04 0 5 06 07 0 c r ，( n m 3 。h - 1 ) 图4 - 2 烟气量与热效率曲线图 由图4 - 1 可得：1 ) 对于木质颗粒、玉米秸秆颗粒两种燃料，热效率是过量 空气系数线性函数；2 ) 随着过量空气系数的增加，热效率减少。 从图4 - 2 可知：1 ) 对于木质颗粒、玉米秸秆颗粒两种燃料，热效率与烟气 量是线性关系；2 ) 两种燃料相同烟气量对应的热效率值近似相等。该现象说明 在不变更引风机的情况下，该功率的取暖炉可能同时燃用木质颗粒和玉米秸秆 颗粒。 中南大学硕士论文第四章过量空气系数对生物质取暖炉热效率的影响 4 5 本章小结 本章通过热平衡试验对生物质成型燃料取暖炉的设计、运行水平及各项热 损失进行研究，结果表明： 1 ) 热平衡试验结果说明取暖炉的主要设计参数具有一定的可靠性、合理性。 2 ) 通过热平衡试验可知，排烟热损失为取暖炉的主要热损失。 3 ) 燃用木质颗粒的气体不完全损失、固体不完全损失低于玉米秸秆颗粒的。 取暖炉燃用玉米秸秆颗粒存在熔渣结渣的现象，因此取暖炉以玉米秸秆颗粒为 燃料时，需要增加一个除渣机构。 4 ) 通过分析过量空气系数与热效率的函数关系可得，降低过量空气系数， 可有效提高取暖炉的热效率。由两种生物质成型燃料烟气量与热效率关系可知， 取暖炉在同一风机的条件下，可保证提供两种生物质成型燃料的充分燃烧所需 的空气量。 4 7 中南大学硕士论文第五章生物质取暖炉燃烧过程数值模拟 第五章生物质取暖炉燃烧过程的数值模拟 燃烧设备的设计研究通常采取传统的实验方法，但由于燃烧设备内的燃烧 是一个包含传热传质、湍流流动及湍流燃烧等非常复杂的物理化学过程，所以 设备研制周期长、耗资巨大，且很难得到最优的设计参数。随着计算机技术及 计算传热学、计算流体力学、计算燃烧学等学科的发展，计算机模拟技术得到 快速发展。各国能源动力领域的研究者逐渐利用以c f d 为基础的数值模拟研究 燃烧设备内的燃烧过程，数值模拟在燃烧设备研制过程中越来越重要。数值模 拟能对燃烧设备不同工况条件的流动特性和燃烧特性进行分析，以改善设备内 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。 本章以生物质取暖炉为对象，试验数据为依据，使用计算流体力学软件 f l u e n t 研究生物质取暖炉炉膛内木质颗粒的燃烧过程。通过分析比较模拟结 果与实验结果，获得合理的数值模拟方法。 5 1 数学模型和控制方程 本章数值模拟研究生物质取暖炉稳定运行时炉膛内的燃烧过程，该燃烧过 程是一个非常复杂的湍流流动与燃烧化学反应的过程。湍流流动为三维多组分 气固两相流动；燃烧过程涉及能量交换、质量交换、动量交换。能量交换包括 对流换热、热传导和辐射换热；燃烧化学反应包括多组分气相燃烧和固体碳颗 粒燃烧。虽然炉内燃烧过程非常复杂，但一定遵循能量转换和守恒定律、质量 守恒定律、组分转换和平衡定律等定律。根据这些定律和有关假设可以建立反 映流体湍流流动和炉内燃烧过程的通用微分方程组，再建立相关的本构方程使 微分方程组封闭，然后可以根据实际工程问题确定相应的初始、边界条件，对 问题进行求解。 5 1 1 湍流气固两相流动模型 ( 1 ) 气相流动模型 生物质取暖炉炉内的气体流动为三维湍流反应流，其稳定运行时的平均流 可视为稳态流。因此，可用通常的守恒方程进行描述。本章采用标准的加模型 与壁面函数法作为炉膛内气相湍流流动模型。气体流动模型包括三维的连续性 方程、动量方程以及k 和占的两个输运方程，它们可统一表达为式( 5 1 ) ： 4 8 中南大学硕士论文第五章生物质取暖炉燃烧过程数值模拟 掣+ 粤笋+ 煎掣= 昙( 罢) + 昙一影 + 妄一警) + s ( 5 舢 式( 5 1 ) 左边为对流项，右边前三项为扩散项，最后一项以为源项，妒代表通 用的气相变量，0 为扩散系数，对于不同意义的9 对应不同的和s ，p 是密 度，u 、v 和w 是速度矢量在x ，y 和z 方向的分量。 对于近壁区域，考虑分子粘性的影响可采用壁面函数法或低雷诺数湍流模 型。低雷诺数湍流模型需在近壁区布置精细的网格分布，增大了计算机贮存量 和计算时间。而壁面函数在近壁区不需设置很细的网格，既能保证计算精度又 能节省计算资源，所以本章选用壁面函数法。 ( 2 ) 离散相模型 除了求解气相流动模型，f l u e n t 也可模拟拉氏坐标下流场中离散的第二 相。f l u e n t 可以模拟各种涉及离散相的问题，诸如：颗粒分离与分级、喷雾 干燥、液体中气泡的搅浑、液体燃料的燃烧以及煤粉燃烧。 生物质颗粒燃烧过程包括气固两相湍流流动、燃烧反应，可用煤粉燃烧模 型进行模拟。为准确的模拟生物质颗粒的挥发分析出、焦炭的燃烧过程等，必 须确定生物质颗粒的运动轨迹。为模拟气相湍流对颗粒扩散的影响，本章采用 随机轨道模型来追踪颗粒相。 5 1 2 气相燃烧模型 ( 1 ) 混合物分数 本章选用非预混燃烧的单混合分数模型模拟取暖炉炉内的气相燃烧。在非 预混燃烧中，燃料和氧化剂以不同的入口进入反应区。燃料和氧化剂不同入口 进入燃烧区产生的火焰称为扩散火焰。扩散火焰的化学反应速率远远超过反应 物间的混合速度。在气相扩散火焰中，假设反应物处于瞬时化学平衡状态，化 学平衡计算是用吉布斯自由能极小化的方法求解组元浓度场。在这一假设条件 下，热化学可以用一个简单的参数混合分数，表示【蛔： 厂：二l 二竺旦( 5 2 ) z k 。f zk 口