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硕士论文气粒两相缝状贴壁射流颗粒沉降特性试验研究 摘要 基于国家能源政策的调整和大气环境保护标准的严格执行，常规的燃煤工业锅炉 的使用日益受到限制，造成优质一次能源消费量的膨胀和生产成本的大幅度增加。生 物质能是清洁的可再生能源，将现有的燃煤工业锅炉改造为以生物质为燃料，具有特 殊的重要意义。 本着不改动锅炉受热面、尽量保留原有链条炉排和炉膛结构的原则，对于某厂的 燃煤锅炉改造为燃用稻壳后，存在的燃料沉降堆积分布不均匀和床层厚度不足的问题， 提出了使用阻挡件控制颗粒沉降的技术方案，并按1 ：1 的比例搭建了二维试验台进 行了试验研究；使用f l u e n t 软件对空气流场和离散颗粒运动轨迹进行了数值模拟， 淘汰了不合理的阻挡件结构，优选出两种阻挡件，并模拟了一次风和炉排风的配比； 在不同的一次风与炉排风配比条件下，对两种阻挡件进行了颗粒沉降试验，并且对被 淘汰掉阻挡件进行试验以验证数值模拟的可靠性。 试验结果表明，在缝状喷口气流速度、 上挡板结构等因素对颗粒沉降有显著影响； 为合理的稻壳颗粒沉降堆积分布。 阻挡件距离缝状喷口距离、阻挡件结构、 优化配置的气流速度和结构，能够获得较 关键词：稻壳，火床燃烧，数值模拟，试验研究 a b s t r a c t b a s e do nt h ea d j u s t m e n to fn a t i o n a le n e r g yp o l i c ya n dt h ea t m o s p h e r eo fs t r i c t e n f o r c e m e n to fe n v i r o n m e n t a ls t a n d a r d s ，c o n v e n t i o n a lc o a l f i r e di n d u s t r i a lb o i l e r sa r e l i m i t e dt ob eu s e d ，r e s u l t i n gh i g h q u a l i t ye n e r g yc o n s u m p t i o na n dp r o d u c t i o nc o s ti n c r e a s i n g l a r g e l y b i o m a s si sac l e a nr e n e w a b l ee n e r g y i ti ss p e c i a ls i g n i f i c a n c et ot r a n s f o r mt h e e x i s t i n gc o a l f i r e di n d u s t r i a lb o i l e r si n t ob i o m a s sf u e l i nn o tc h a n g i n gt h eb o i l e rh e a t i n gs u r f a c e ，k e e p i n gt h ep r i n c i p l eo f r e t a i n i n gt h eo r i g i n a l s t r u c t u r eo ft h ec h a i no ft h ef u r n a c eg r a t e ，f o rt h eb o i l e r sp r o b l e m so fu n e v e nd i s t r i b u t i o no f f u e l sa c c u m u l a t i o na n di n s u f f i c i e n tb e dt h i c k n e s s ，t oc o n t r o lt h eu s e o f p a r t i c u l a t em a t t e rt o b l o c kt h es e t t l e m e n to ft h et e c h n i c a lp r o g r a ma n ds e tu pt h er a t i oo f1 ：1t w o - d i m e n s i o n a lt e s t b e df o re x p e r i m e n t a lr e s e a r c h ；u s e dt h ef l u e n ts o f t w a r eh a sc a r r i e do nt h en u m e r i c a l s i m u l a t i o nf o rt h ea i rf l o wf i e l da n dt h es e p a r a t ep e l l e tp a t h ，h a se l i m i n a t e dt h eu n r e a s o n a b l e i m p e d i m e n ts t r u c t u r e ，t h eo p t i m a lt w ok i n do fi m p e d i m e n t s ，a n dh a v es i m u l a t e dw i n da n d t h ef i r eg r a t ew i n da l l o c a t e dp r o p o r t i o n ；i nd i f f e r e n tw i n da n du n d e rt h ef i r eg r a t ew i n d a l l o c a t e dp r o p o r t i o nc o n d i t i o n ，h a sc a r r i e do nt h es e t t l i n go fp a r t i c i e se x p e r i m e n tt ot w ok i n d o fi m p e d i m e n t s ，a n dt oi se l i m i n a t e dt h ei m p e d i m e n tt oc a r r yo nt h ee x p e r i m e n tt oc o n f i r m t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o nt h er e l i a b i l i t y t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h ea i rv e n t si nt h es l i t - l i k es p e e d , s t o pt h ep i e c e so ft h e d i s t a n c ef r o mt h es l i t l i k ev e n t s ，b l o c kt h ep i e c e so ft h es t r u c t u r eo ft h eb a f f l es t r u c t u r eo ft h e p a r t i c l e sh a v eas i g n i f i c a n ti m p a c to nt h es e t t l e m e n t ；o p t i m i z et h ea l l o c a t i o no ft h ef l o w s p e e da n ds t r u c t u r e ，a b l et oo b t a i nam o r er e a s o n a b l er i c ea c c u m u l a t i o no fs h e l ld i s t r i b u t i o n o fp a r t i c l ed e p o s i t i o n k e y w o r d s ：r i c eh u s k ，f i r e - b e dc o m b u s t i o n ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，e x p e r i m e n t a ls t u d y i i 声明尸明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本学 位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或公布 过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使用过的 材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均已在论文中作了明 确的说明。 研究生签名：熬缱建 2 0 0 9 年月猡e t 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或上 网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送交并授权 其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对于保密论文， 按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：鍪堡篷 2 0 0 9 引月7 日 硕士论文气粒两相缝状贴壁射流颗粒沉降特性试验研究 1 绪论 1 1 选题背景与意义 能源与环境是当今世界普遍关注的两大焦点，多年来，各国政府为解决能源短缺、 环境恶化问题付出了极大努力。在目前的世界能源消耗中，生物质能耗占世界总能耗 的1 4 ，仅次于石油、煤炭和天然气，位居第4 位【l 】。生物质遍布世界各地，其蕴藏量 极为丰富，全球每年经光合作用产生的生物质约1 7 0 0 亿吨。其能量相当于全球能量年 消耗总量的1 0 倍，而作为能源的利用量还不到总量的l ，其中发达国家每年3 左右 的能源来自生物质能，发展中国家生物质利用约占这些国家能源消耗的3 5 。 生物质能，是指蕴藏在生物质中的能量，是绿色植物通过叶绿素将太阳能转化为 化学能而贮存在生物质内部的能量。通常包括以下几个方面：( 1 ) 木材及森林工业废 弃物；( 2 ) 农业废弃物；( 3 ) 水生植物；( 4 ) 油料植物；( 5 ) 城市和工业有机废弃物； ( 6 ) 动物粪便。全世界约2 5 亿人9 0 以上的生活能源的是生物质能。生物质是一种可 以与环境协调发展的能源，具有巨大的发展潜力。在其光合作用的过程中吸收c 0 2 ，燃 烧后产生c 0 2 ，所以燃用生物质时可以认为c 0 2 的排放是零，与矿物燃料相比更为洁净， 有助于减轻温室效应和维持生态良性循环，是解决能源和环境问题的有效途径【2 训。 我国是一个农业大国，有着丰富的生物质资源。由于经济、技术等原因，长期以 来，生物质资源在一些地区始终没能得到很好的开发和利用，如农作物秸秆的无效焚 烧现象时有发生，既浪费了资源，又破坏了生态环境。我国可再生能源中长期发展 规划指出：开发利用生物质资源是我国未来能源发展战略的重要内容之一。据统计， 我国每年仅农作物秸秆、薪柴等可开发利用的生物质资源量即达8 亿吨标准煤，可作能 源利用的农作物秸秆资源量达7 亿吨，如何有效开发利用这一资源，使其替代煤、油、 气燃料，缓解能源供应紧张局面，已引起各级政府的高度重视，同时也成为众多科技 工作者研究的热门课题【孓。7 1 。国家统计局发布的2 0 0 8 年统计公报显示 8 】，2 0 0 8 年我国能 源消费总量2 8 5 亿吨标准煤，比上年增长4 o ，其中我国煤炭消费量2 7 4 亿吨，增长 3 0 7 原油消费量3 6 亿吨，增长5 1 ；天然气消费量8 0 7 亿立方米，增长1 0 1 。而我 国剩余可开采储量仅为1 3 9 0 亿吨标准煤，按照我国2 0 0 6 年的开采速度2 3 亿吨年，仅能 维持6 1 年，这为我国的能源保障敲响了警钟 9 1 。 煤的开发利用所致的环境问题，已经引起很多国家的重视。我国的能源消费结构 主要以煤为主，煤炭所占的比重接近7 0 ，为减少煤的使用所造成污染，有些城市甚至 发出“禁煤令 。因此，改变能源生产和消费方式，开发利用生物质能等可再生的清 洁能源对建立可持续的能源系统，促进国民经济发展和环境保护具有重大意义。 课题来源于马鞍山某厂燃煤链条锅炉改造为生物质锅炉( 以稻壳为燃料) 的项目。 l 绪论硕士论文 由于本锅炉在改造前以烟煤为燃料进行设计，所以改为燃烧生物质燃料存在很多问题： 其一，生物质燃料的特点是热值很低，堆积密度极低。与煤炭相比，生物质燃料( 稻 壳) 的低位发热量在3 2 0 0 k c a l k g 左右，每吨稻壳能相当于0 4 6 t 左右标煤，自然堆积密 度在9 6 1 6 0 k 咖3 ，不到煤炭的2 0 ，要达到同样的燃烧功率，耗用的燃料体积是煤 炭的1 0 倍以上，使用常规的燃煤技术在火床炉内组织生物质燃料的燃烧时，必须要增 加床层厚度，厚床层燃烧将可能带来生物质火床的严重结渣，威胁到燃烧过程的正常 进行；其二，稻壳的不完全燃烧，容易造成受热面、烟管等的磨损以及烟气中飞灰含 量高；其三，燃料本身特性影响，在燃煤锅炉改造过程中，改变前墙或者拱形不太现 实，而且增加改造时间和改造成本等。据统计【l o 】t n ，我国大约有各类工业锅炉近5 5 万 台，工业锅炉数量约占我国锅炉总量的9 6 以上，其中链条炉占相当大的比例，许多 锅炉用户将自己的燃煤炉改为燃用稻壳，但技术落后、效率不高、设备存在安全隐患 等，所以如何在尽量少变动燃煤锅炉本身结构的条件下，通过局部调整或者增加局部 组件以合理解决燃料转换中存在的技术问题，将具有很重要的现实意义。 1 2 稻壳资源及其利用 1 2 1 稻壳资源 稻壳是碾米厂的加工副产品，约占稻谷总产量的2 0 1 3 】。世界稻谷产区主要集中 在亚洲【1 4 1 ，其稻谷播种面积占全球的近9 0 ，产量占全球的9 1 。其次是南美洲( 3 2 ) 、 非洲( 2 9 ) 、北美洲( 1 4 ) ，中美洲、欧洲和大洋洲合计仅占2 5 。按经济发达程 度分，发展中国家占9 5 ，而发达国家的总和还不到5 。 表1 12 0 0 1 - - 2 0 0 7 世界稻谷产量【1 4 】 年份产量( 亿万吨) 2 0 0 l 2 2 0 0 2 3 2 0 0 3 4 2 0 0 4 5 2 0 0 5 6 2 0 0 6 7 2 0 0 7 8 5 9 4 2 5 6 2 4 5 9 4 2 5 9 6 6 6 2 2 7 6 2 0 2 6 2 6 9 ( 数据米源：美国农业部海外农业局( f a s ) ，h t t p ：l l w w w f a s u s d a g o v 。) 我国是世界第一大稻谷生产国和消费国，2 0 0 6 年产量和消费量约占世界稻谷产量 和消费量的2 9 4 和4 3 ，2 0 0 7 年约占2 9 8 和4 1 9 ，在世界稻谷市场具有重要地位， 我国近几年稻谷产量见表1 2 。我国之外的其他九大稻谷生产国分别是印度、印尼、孟 加拉国、越南、泰国、缅甸、菲律宾、巴西和日本，这些国家在2 0 0 5 年和2 0 0 6 年的产 量见表1 3 。 2 硕士论文气粒两相缝状贴壁射流颗粒沉降特性试验研究 ( 资料来源：联合国粮农组织( f a o ) 统计数据库。) 由表1 和表2 估算知近几年世界稻壳产量在1 1 2 5 8 亿万吨以上，我国稻壳产量在 3 2 1 3 千万吨以上。近年来随着人们环保意识的增强和能源价格的不断上涨，稻壳等农 业生产副产品的合理利用已逐渐引起人们的重视。 1 2 2 稻壳的综合利用 生物质能的利用方式有热化学转换法、生物化学转换法以及挤压成型法，稻壳 作为生物质能，其主要成分是纤维素类、木质素类和硅类，因稻子品种及产地不同， 其组成有所差别，大致组成为：粗纤维3 5 5 - 4 5 ( 缩聚戊糖1 6 2 2 ) 、木质 素2 1 - 2 6 、二氧化硅1 0 - 2 1 。根据稻壳的化学组成，可将它的利用分为 三大类：一是作为能源生产热能：利用它的碳、氢元素通过热解( 气化、燃烧等) 获 得；二是作为工业原料，生产水玻璃、白碳黑、活性炭、糠醛等；三是作为饲料填充 物及农业肥源，如铺垫积肥、土壤调节物、苗床等【1 5 。2 。 1 2 2 1 稻壳作为能源 稻壳可燃物达7 0 以上，发热量约为标准煤的一半，是一种既方便又廉价的可再 生能源，而目前应用的石油、天燃气、煤炭等燃料则是不可再生的能源。对这一本质 的种种考虑，促使联合国粮农组织在1 9 7 1 年初就认识到：稻壳在可预见的将来，最实 际的用途就是作为燃料提供能量。稻壳作为能源利用的三种主要方式是：稻壳气化、 稻壳干馏和直接燃烧( 此部分将在下节做详细介绍) 。 ( 1 ) 稻壳气化【2 2 2 3 1 气化是用气化剂将稻壳转变为煤气的过程。按气化方法有移动床气化炉和沸腾床 气化炉。移动床气化炉应用较为广泛，可分为上吹式即空气和煤气流方向同为向上， 与燃料方向相反；下吸式指空气和煤气流方向同为向下，与燃料方向相同，特点是焦 油在气化区部分分解，利于净化，但残留物含碳高，损失较大。 1 绪论硕士论文 我国专业科研机构从2 0 世纪6 0 年代初就对稻壳煤气作为能源进行了深入地研 究，使我国稻壳煤气发电的技术在国际上处于领先地位。 随着科学技术水平的进步，利用稻壳燃烧，作为产生动力的主要形式有三种：即 稻壳煤气机、稻壳煤气发电机组和稻壳蒸汽发电机组。 稻壳煤气发电机组一般由发动机与稻壳煤气发生炉、发电机等组成。工作流程如 图2 2 是： 稻壳煤气 叫净化装置h 冷却装置l 发动机l 发电机i 发生炉 图2 2 稻壳煤气机组发电流程图 在煤气发生炉中加入稻壳，经发生炉气化反应产生煤气，煤气经过净化、冷却后 送入煤气发动机，再由发动机带动电动机工作。 世界上两座很好的发电站，一座在菲律宾，一座在苏里南，前者1 2 0 0 k w ，后者 1 9 0 0 k w 。美国开发出利用纤维素废料生产酒精技术，建立了1 m w 的稻壳发电示范工程， 年产酒精2 5 0 0 t 。日本佐竹公司与t o y od e n k i s i e z ok k 公司合作开发了t o e m 系列燃 烧稻壳的蒸汽涡轮发电机组。国内2 0 世纪9 0 年代湖南岳阳城陵矶粮库米厂，建了一个 功率为15 0 0 k w 的稻壳蒸汽发电站，每年可发电7 2 0 万k w h ，节约电费7 2 万元。 目前稻壳发电技术已成熟，国内很多地区建有稻壳做动力的发电厂。江西省粮油集 团有限公司通过引进比利时温克( v 补i c l 嬗) 公司生产的环保设备，兴建1 0 0 稻壳燃 料热电联产火电站，形成每年稻壳发电4 2 0 0 万k w h 的生产能力，年节约标准煤1 4 万 吨，此项目于2 0 0 8 年开始启动；专业生产稻壳气化发电机组的厂家仅有重庆红岩内燃 机有限公司一家，产品开始时主要有6 0 k w 和1 6 0 k w 两种，近年来又开发出了2 0 0 k w 机 组；中国科学院广州能源研究所1 9 9 8 年在福建莆田华港米厂研建了1m w 循环流化床 谷壳气化发电系统，采用了我国目前较为先进的稻壳气化发电技术，该单位在江苏省 兴化市兴建的4m w 生物质气化燃气一蒸汽联合循环发电示范工程和兴建5m w 稻壳 燃烧发电站，为生物质稻壳资源发电技术在我国的全面推广展示了广阔的前景。 ( 2 ) 稻壳干馏【2 4 j 在隔绝空气条件下对稻壳进行热加工的方法称干馏。按干馏目的分有两种：( 1 ) 主产品为炭化稻壳，干馏煤气和焦油等为副产品；( 2 ) 主产品为干馏气和焦油；干馏残 留物，即稻壳炭为副产品。从国内外稻壳干馏生产方法看主要以获得灰化稻壳为主， 干馏煤气及焦油等作副产品回收利用，包括作为炭化炉的热源等。 1 2 2 2 稻壳作为工业原料 ( 1 ) 稻壳制取二氧化硅 1 9 】 稻壳中约含1 0 - - - - 2 1 无定型结构的s i 0 2 ，自然界中的s i 0 2 大多为结晶态。它是很 4 硕士论文气粒两相缝状贴壁射流颗粒沉降特性试验研究 有价值的资源。二氧化硅是制造光学仪器、电子、紫外灯、分子筛、太阳能电池等的 主要材料，另外，二氧化硅也是生产橡胶的辅助剂。所以稻壳制取二氧化硅技术是值 得开发的项目。 二氧化硅进一步处理可得白碳黑、炭化硅等材料。据媒体报道，暨南大学教授欧 阳东日前发明了用废弃稻壳制取纳米二氧化硅材料得技术。特点是对稻壳进行控制性 焚烧热解，从中提取出一种叫做生物质纳米结构二氧化硅的超高活性材料。该项目刚 获得巴黎博览会列宾国际竞赛金奖。该技术大规模、连续化的生产线还处于研发当中。 ( 2 ) 稻壳制备活性碳吸附剂【z 5 】 由于稻壳具有硅含量大、多孔性容量小、质地粗糙等特点，生产的活性炭对多种 有机化合物都有强吸附能力，且不含有有害杂质( 如铅、砷) ，在食品工业上可用它来 脱色、脱味和防腐；同时还可用作滤毒剂和空气净化剂 孙2 8 1 。 稻壳活性碳的制取可用下面方法：稻壳在无氧的条件下加热得到炭化稻壳，除去 炭化稻壳中的二氧化硅和少量的其它杂质，即可得活性碳。但此法存在炭化程度和除 去二氧化硅的问题。去除二氧化硅的方法是用碱溶液和炭化稻壳反应生成可溶性硅酸 盐，硅酸盐可制水玻璃、白碳黑等。其一般工艺流程是：稻壳制得稻壳灰后，再炭化、 清选、碱法、烤干、磨制【批圳。 如季铵化稻壳可以吸附除去溶液中的砷离子。而且在酸性条件下，稻壳可以按照 f r e u n d l i c h 等温线的规律吸收铅离子和汞离子，如洪建捷等【3 l 】研制的用于印染废水脱色 的稻壳吸附剂等等。 ( 3 ) 稻壳内热干馏制取化工原料 3 2 - 3 4 】 内热干馏，是利用稻壳干馏后所剩的碳分燃烧来加热上层稻壳，使其达到干馏温 度。这种方法比水解蒸馏方法简单，只用砖土砌成的干馏炉。此外，内部加热干馏所 需热量，完全来自稻壳干馏后所剩碳分的燃烧，不用其他任何燃料，所以更容易推广 应用。稻壳经过干馏后，其固态残余物含有大量的二氧化硅，可以用来制取活性炭、 二氧化硅、硅酸钠( 水玻璃) 等许多化工产品。见图2 3 由干馏可制得的产品。 其中，糠醛是迄今为止只能以农作物秸秆为原料用化学方法生产的一种重要有机 化工原料。生产糠醛的主要原料是多缩戊糖含量高的玉米芯、甘蔗渣、稻壳等农作物 秸秆。稻壳经深度水解获得糠醛，稻壳在稀酸液中，在加热加压条件下，缩聚戊糖先 水解成戊糖，戊糖进一步脱水生成糠醛。在制得糠醛的同时，获得的副产物也比较复 杂，其中比较有经济价值的主要有醋酸、丙酮、甲醇等。另p l g e o r g e t i n g - k u o f e y 等 人采用高温分解稻壳制得电池的阳极材料；k a l a p a t h y - u 等将稻壳用灰酸法沉淀，碱液 提取，制得高纯硅等。 5 l 绪论硕士论文 广煤气r 甲醇 i 糠醛 广醋酸层一分层一f厂醋酸一冰醋酸 l 醋酸钙l 丙酮 l 酚油l 硫酸钙 稻壳干馏+ 馏出液一1 厂蕊 l 焦油层一分馏一l 酚油 f f 夔堡鲞厂白炭黑i 柏油 l 糠炭一l 璧譬芜：l 鑫 l 重油 l 二氧化硅“从 图2 3 稻壳干馏生产的化工产品 ( 4 ) 稻壳在饲料工业上的应用【2 5 】 稻壳所含营养物质很少，易受农药残毒污染，不宜直接作为饲料。但如果经过加 工处理，使纤维软化或酵解，就可制成粗饲料。 稻壳作为饲料，分为统糠饲料、膨化稻壳饲料、稻壳发酵饲料、化学处理饲料。 统糠饲料：稻壳与米糠的混合物，是一种营养价值很低的初级混合饲料，其营养 价值取决于米糠的比例。稻壳粉在其中只起填充作用，其主要成分是粗蛋白、粗脂肪 和无氮浸出物、粗纤维和灰分，其中后两者含量极高，粗纤维是动物消化所必需的， 灰分没有营养价值，且过量影响畜禽对矿物质吸收。但由于其生产工艺简单、成本低， 仍有部分地区使用 膨化稻壳饲料：膨化的稻壳( 将稻壳放入密闭容器中从外部边加热边压缩使内部 压力上升然后迅速解除，内部压力恢复常压) 由于其纤维组织完全溃散成膨松状态， 并使紧紧包围在纤维素外面的木质素全部被撕裂而脱落，因此其吸水性很高，各种营 养成分的溶水机会就增多，容易被畜禽吸收。据日本长野县畜产试验场试验证明膨化 稻壳喂牛后的排出量是7 0 一8 0 ，稻草的排出量是7 0 一7 5 ，二者的排出量相当、 营养成分又比较接近，因此他们认为膨化稻壳完全可以代替稻草喂牛。目前日本在饲 养肉牛的配合饲料中加膨化稻壳1 0 ，在饲养种猪饲料中加1 5 ，在产仔母猪饲料中 加5 ，这种饲养方法在日本长野县畜产试验场试验多年，效果良好。 稻壳发酵饲料：以稻壳为主的原料中，添加适量的米糠、纤维素分解酶、无机氮 化合物，经发酵糖化，可加工出较为理想的饲料。 稻壳化学处理后做饲料：用碱或酸处理是去除硅和木质素的最有效方法，处理后 6 硕士论文气粒两相缝状贴壁射流颗粒沉降特性试验研究 消化多数会有所增加，干物质从5 增至2 0 ，纤维从1 2 增至2 8 ，无氮浸出 物从5 增至3 8 。一种方法是用3 0 n a o h 溶液喷雾稻壳，喷到单位容积中重量 百分比达5 ，n a o h 的营养价值好，成本低；另一种方法是用氨处理，可增加稻壳的 消化能力和含氮量，稻壳纤维被软化，可作牛羊饲料，但饲喂量不宜超过2 0 。 1 2 2 3 稻壳在农业上的应用 稻壳在种植业中应用的范围很广，应用量也比较大，主要作用为：改良土壤、作 为肥料提高产量、提高作物抗病性等2 1 】 3 6 】。 1 3 稻壳直燃技术综述 1 3 1 稻壳燃烧特性 稻壳作为能源利用，有其本身的燃烧特性。华中理工大学煤燃烧国家重点实验室 3 刀 测定了稻壳的燃烧特性( 见表1 4 ) ，试验认为： ( 1 ) 稻壳的挥发分极高，温度在2 7 7 c 时就能着火； ( 2 ) 在8 5 5 左右，稻壳的燃烧反应是最有利的： ( 3 ) 在燃烧温度达到9 0 0 时，稻壳焦能形成一种碳硅络合物； ( 4 ) 稻壳焦在8 5 5 以下燃烧时，燃尽时间长。 表1 4 几种稻壳特性参数 由于稻壳挥发分很高，其燃烧需要消耗大量氧气，阻止了氧气与焦炭的反应；同 时，挥发分迅速燃烧产生大量的热，又促进焦炭的燃烧。一般把稻壳的干燥、挥发分 的燃烧和焦炭的燃尽在时间上划分开来，认为它们是串联进行的。因而，焦炭的燃尽 时间就成为稻壳燃尽时间的主要部分。稻壳着火温度低，易于点火，而燃尽时间并不 煤短。 与煤相比稻壳燃烧有如下特点【3 s 】：( 1 ) 稻壳热值低，堆积密度小，炉捧强度及容积 强度低，炉膛尺寸大；( 2 ) 稻壳燃烧不会结成渣块，可省去除渣装置；( 3 ) 由于稻壳的二 氧化硅纤维素结构不易燃烬，稻壳灰含碳量较高，燃烧效率低。 鲁伟加 3 9 】阐述了稻壳链条锅炉的燃烧过程存在着较大问题，机械不完全燃烧与化 学不完全燃烧损失较大等。 7 1 绪论硕士论文 1 - 3 2 稻壳锅炉 1 3 2 1 稻壳锅炉的分类 根据稻壳燃烧方式不同，稻壳燃烧炉主要有以下4 种【4 0 】： ( 1 ) 层燃炉。层燃炉应用广泛，种类繁多，一般又可分为平实炉底( 多用于家用炉灶 水锅炉) 、倾斜式阶梯炉排( 小型稻壳锅炉的传统炉型) 和链条炉排炉，主要应用于1t h 以上的工业锅炉，国内现已有1 3 0t h 的链条锅炉。 ( 2 ) 流化床燃烧炉。流化床能较好地适应稻壳的挥发份析出迅速、固定碳难以燃尽 的特点，克服了固定床燃烧效率低的弊病，还具有燃料适应性好、负荷调节范围大、 操作简便等优点。但由于稻壳表面的毛刺极大地影响了稻壳的流化特性，在进行燃烧 前要经过预处理，其主要用于大中型锅炉供热。 ( 3 ) 悬浮燃烧炉( 旋风燃烧炉) 。悬浮燃烧是在旋风作用下点火沸腾燃烧。使稻壳在 不断运动中连续点燃和烧尽。作为其它稻壳燃烧炉的补充，其主要用于工作负荷较低 的场合。如l x s d 系列最小型号燃烧稻壳量为3 0 0 - - 一4 0 0k g h t 4 。 ( 4 ) 气流燃烧炉。如果采用稻壳粉气流燃烧，炉内热平衡难以维持，故现有的气流 燃烧一般都与层燃相结合，挥发份呈容积燃烧，而稻壳焦则以层燃形式在炉排上燃烧。 1 3 2 2 稻壳锅炉研究现状 随着稻壳能源的不断研究和开发，国内研究了很多以稻壳为燃料的锅炉和改造锅 炉。根据稻壳的燃烧特性，目前在设计稻壳锅炉时，以循环流化床或链条炉燃烧居多。 循环流化床锅炉适宜燃烧温度在9 0 0 左右，稻壳锅炉只要掺加适宜媒介( 如石英砂) ， 完全可以采用循环流化床的燃烧方式；而且流化床锅炉具有物料回送装置，客观上延 长了燃料燃烧时间，同时也为燃料的分级燃烧创造了有利条件；链条炉有炉排面积大， 炉排速度可以调整，炉膛容积大，有足够的悬浮空间等优势，以适应稻壳燃尽时间长。 董菊梅等【4 2 】在小型链条炉排稻壳锅炉的开发设计中，分析了小型链条燃煤锅炉直 接改用燃烧稻壳时运行中常见问题的原因，在此基础上根据稻壳的燃烧特性，详细论 述了小型链条炉排稻壳锅炉在开发设计及运行中应注意的问题。给出了适于稻壳锅炉 的炉拱设计参数，提出了合理的上料系统，阐述了如何调节鼓引风量等锅炉运行中应 注意的事项。 梁福任 4 3 】结合稻谷壳的物理特性和燃烧机理，介绍了其公司设计的“室燃+ 层燃 双重燃烧方式，有效降低了灰渣和飞灰含量。 华中科技大学林志杰等 4 4 1 和浙江大学陈冠益等【4 5 1 通过稻壳流化床燃烧试验时发 现，由于稻壳难以燃尽及循环流化床床温较低的特点，稻壳在流化床燃烧中飞灰含碳 量较高，导致机械未完全燃烧热损失较大，同时任强强等m 】试验发现，在空气过剩系 数保持不变的条件下，随着二次风率的增加，飞灰含碳量呈下降趋势；随着空气过剩 系数的增加，飞灰含碳量先减小后增大，存在一最佳值，使得飞灰含碳量最小；随着 r 硕士论文气粒两相缝状贴壁射流颗粒沉降特性试验研究 床温的增加，飞灰含碳量逐渐减小；随着一次风量的增加，飞灰含碳量呈上升趋势。 与煤炭相比，稻壳燃料的热值只有煤炭的1 2 左右，堆积密度不到煤炭的1 5 ，要 达到同样的燃烧功率，耗用的燃料体积是煤炭的1 0 倍以上，使用常规的燃煤技术在火 床炉内组织生物质燃料的燃烧时，必须要增加床层厚度：假定燃用生物质的炉排速度 是燃煤时的两倍，则火床的床层厚度至少为燃煤时火床厚度的5 倍。火床炉燃用中质 烟煤时的煤层厚度在1 0 0 毫米左右，因此同样的火床燃烧设备燃用稻壳燃料时，标准 的床层厚度应当在5 0 0 毫米以上，否则不能保证燃烧设备的正常出力。 采用加快炉排速度以增加床层厚度的方式，来组织稻壳燃料的火床燃烧，会造成 一系列的不利后果，主要表现在三个方面：一是炉排需要承担更大的拉力，会造成炉 排工作可靠性下降的隐患；二是煤闸门处采用厚床层时，有料斗自燃和可燃气体外泄 的安全性隐患；三是厚床层燃烧，使得床层内的最高温度逼近于燃料的绝热燃烧温度， 可能造成生物质火床的严重结渣，威胁到燃烧过程的正常进行。 现有的生物质火床燃烧技术存在着明显的缺陷：喷料造成了大量的飞灰、燃烧效 率下降、炉膛结渣程度恶化、受热面磨损加剧( 燃用高灰分生物质燃料如稻壳时) 等。 l 。4 本文主要工作 本文主要包括以下几个方面的研究内容： ( 1 ) 生物质颗粒( 主要指稻壳) 沉降试验：本实验主要是研究稻壳各器官的沉降末 速，主要包括稻壳外稃、内稃、稻壳花梗、完整稻壳四部分。生物质颗粒的沉降是研 究气粒两相贴壁缝状射流的基础实验，本实验结果为下步试验和数值模拟提供基础理 论依据。 ( 2 ) 数值模拟：通过数值模拟计算炉内空气流场，模拟冷态速度流场分布及颗粒运 动轨迹，与实验进行比较，以验证数值模拟的可靠性，并用此软件优选出较好的送料 风、炉排风、二次风配比，阻挡件及其位置的设置。 ( 3 ) 颗粒沉降特性试验研究：此项内容主要采用试验的方法研究稻壳在缝状喷嘴射 流风和炉排风条件下，观察稻壳堆积分布情况，以及在一次风口一定距离设置不同结 构阻挡件，通过实验研究，优选出射流风速和炉排风速及阻挡件，使得稻壳能够在运 动过程中形成悬浮燃烧，在沉降时能够达到主燃区以成层燃。以解决现有的前墙喷料 技术飞灰份额高的问题，提高燃烧效率、减轻炉膛结渣和控制受热面磨损。 ( 4 ) 火花示踪试验：采用木炭颗粒( 粒径约等于稻壳当量直径) 在烧至红热状态下 代替稻壳进行喷吹试验，以更直观形式显示稻壳运动轨迹。 9 2 梧壳再g 官沉* 特性* 验目究坝十论文 2 稻壳各器官沉降特性试验研究 2 1 稻壳的物理特性i ”i 稻壳又名砻糠或大糠，具有较大的体积。稻壳的外形如船形，长大约5 l o m m 、 宽2 5 5 m m 、厚2 5 3 0 岬，色泽呈稻黄色、金黄色、黄褐色及棕红色等。如下图2 稻壳： 图2 t 稻壳 稻壳由内颖( 稃) 、外颖( 稃) 护颖和颖尖( 颖尖伸长为芒) 和花梗等部分组成， 外颖略长而大。见图2 2 。颖的厚度为2 5 3 0 i t m 颖足稻的两片变惫叶，内外稃通过 两个钩状结构连接。 稻壳表面并不光滑，袁i 酊有毛刺+ 所以稻壳流动性芹，足不易流化的介质。稻壳 自然堆积密度为9 6 1 6 0 k g m 3 , 真实密度为5 0 0k g m 3 ，临界流化速度o6 m s 。 顿论文气粒目相缝状贴壁射流颗粒沉降特性试验研究 2 2 稻壳颗粒沉降实验台设计 目2 2 稻壳结构幽 颗粒沉降即惶指颗粒在气体或液体中由于重力、离心力等力的作用而运动的现 象。固体颗粒在重力作用下的沉降运动在自然界和工业应用中非常普遍。颗粒在介质 中沉降特别是沉降永速的计算，是选矿、通风除尘、物料输送及环境保护等部门的 重要理论基础之一。所以对稻壳沉降特性的研究有很重要的意义。 2 21 稻壳沉降实验台结构设计 为测试单粒稻壳及其器官的沉降术速，设计了如图2 3 所示的结构试验台，主要由 风机、有机玻璃管道、不锈钢丝网和四棱锥体玻璃通道等组成。 四棱锥体玻璃通道上下口尺寸分别为4 0 m m x4 0 1 1 1 1 1 1 和1 2 0 r a m x1 2 0 m m ，高 9 0 0 m m ，有机玻璃管道直径为4 0 m m ，长8 0 0 r a m ，连接处由非标准法兰和标准弯头连 接。不锈钢丝网的作用主要是均匀布风和防止沉降颗粒下沉到管道中去，四棱锥体玻 璃通道为试验观测区，测速方法为在有机玻璃管道打- d 孑= l ，用毕托管测量此处速度， 记为u ，从四棱锥体玻璃通道下口处丌始标记高度h ( h 在o - 9 0 0 m m 之间) ，根据连续 性原理即可得出四棱锥体玻璃通道任意高度的速度u ”其关系为： ( 2 1 ) 商 = 2 稻壳各器官沉降特性试验研究 硕士论文 图2 3 稻壳沉降试验台结构图 2 2 2 稻壳沉降实验台工作原理 2 2 2 1 球形颗粒的沉降 多相流场中任意一个颗粒无论是静止还是运动，总是处于静力平衡或动力平衡中。 作用在颗粒上的力可分为两类【4 7 ：一是作用在颗粒质量上的非接触力，即体积力或质 量力；二是周围流体对颗粒边界面作用的力，为表面力或面积力。一般情况下，单颗 粒在沉降过程中主要受重力、浮力、曳力影响，受力分析见图2 4 ： 1 2 硕士论文气粒两相缝状贴壁射流颗粒沉降特性试验研究 图2 4 颗粒受力分析 其中，足代表重力，f b 代表浮力，而代表曳力，由牛顿定律得 一瓦一昂= m 害 ( 2 2 ) 再由 名= m g f b = 竺o g p p 易嘲睁2 ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) ( 2 5 ) 对球形颗粒，可得： 妾文等卜茜。 眨6 ， 其中：d 。一球体颗粒的当量直径； p 。一球体颗粒的密度； p 流体密度； f 一曳力系数； 对球性颗粒，加速度为零时，沉降速度甜，为： = ( 2 7 ) 在现实中，单个颗粒孤立存在于无界流体中的情况是不存在的。而和颗粒有相互 作用的诸如避免或其它的颗粒边界是存在，如果边界足够远，则相互作用非常小，孤立 颗粒的经典接是满足的【4 吼。 只要颗粒与流体之间的相对运动速度相同，流体对颗粒的作用力一曳力和阻力， 都是由于两者间相对运动造成的阻力。流体沿固体壁面流过的阻力分为两类：表皮阻 力( 即表面摩擦阻力) 和形体阻力( 边界层分离产生旋涡) ，绕流时颗粒受到流体的总 1 3 2 梧壳嚣官沉降特性试验研究 m i ：论立 曳力厅) f o = 表面曳力+ 形体曳力 ( 2 8 ) 而与流体p 、i t 及相对流速u 有关，而且受颗粒的形状与定向的影响，问题较为复 杂。当流速很低时，粘性流体对球体的低速绕流( 也称爬流) 时而的理论式即斯托克 律( s t o k e s ) 定律为： 矗= 3 x m p u ( 29 ) 当流速较高时，s t o k e s 定律不成立。因此，对一般流动条件下的球形颗粒及其他形状 的颗粒，而的数值尚需通过实验解决。 对球形颗粒，f o2 ，( d p ，“，n ) 用因次分析井整理后可得眇，1 1 ： 1 f d5 掣r i 脚2 ( 2 1 0 ) f = 烈r e p ) ( 21 r e 。；! 丝 ( 2 1 2 ( 与r e p 关系的实验测定结果见图26 ： 峨 图2 5 曳力系数与雷诺数的戈系曲线 圈中球形颗粒( m = 1 ) 的盐线在不同的雷诺数范围内可用公式表示如下： r e p 2 ，层流区，s 。k 嚣定律区f = 云： ( 2 1 3 ) 2 r e p 5 0 0 , 过题a 1 1 e n l i z 律gf = 嚣 ( 2 1 4 ) 5 0 0 r e p 2 x 0 5 ，湍流区，n e w t o n 定律区f 0 4 4 ( 2 1 5 ) 222 2 稻壳颗粒沉降台试验原理 在四棱锥形管道下面通风，在管道中不嗣水平面速度不同，单个稻壳颗粒在其中 硬士论盘 气粒两相缝状贴壁射流颗粒沉降特性试验研究 运动。根据上节内容可知，当稻壳颗粒在管道中在风力作用下会上升或者下降，当稻 壳颗粒受力平衡时，即达到沉降末速时，稻壳颗粒会在管道中的某一位置达到动态平 衡而位置不再发生变化。但是稻壳不是规则颗粒，所以其沉降末速并非一个定值，而 是范围值。所以稻壳颗粒在四棱锥形管道中在达到平衡时，会在某一高度范围内做往 复运动，而此时稆壳颗粒运动的最低点和最高点处的风速速率，即为稻壳颗粒的沉降 末速。 在此试验中做有以下假设： ( 1 ) 四棱锥形管道中同一水平截面的速度均匀； ( 2 ) 四棱锥形管道容积远远大于稻壳颗粒体积，忽略器壁对稻壳颗粒沉降的端效应； ( 3 ) 忽略稻壳颗粒下沉而置换的流体的向上运动对颗粒的沉降影响。 本试验主要渊量工具为：毕托管、数字微压计、卷尺、游标卡尺、高精度电子称 等。 2 3 稻壳各器官沉降实验结果与分析 稻壳沉降，测量了稻壳外稃、稻壳内稃、稻壳花梗、整粒稻壳等器官的沉降末速， 实验室中拍摄的试验样品见图2 6 。每种样品在三个不同进口风速下，测量颗粒在沉降 段的悬浮停留时间，来计算样品的沉降末速，每种工况下做了四个平行样试验( 花梗 做了两个平行样测试) 。 篝 目 # 图27 稻壳各器官幽片 蘩 稻壳花梗 由于稻壳各器官为非规则球形，所以其沉降末速应为一范围值，其试验过程中 稻壳器官在各工况条件有个运行最高点和最低点，见图28 和图2 9 。 翻d_ 2 稻壳再器官沉降特性试验研究 图2 8 颗鞋沉降台实物圄 图2 9 稻壳外稃在工况lf 沉降末 在图2 9 中所示上止点和下至点是代表，稻壳器官在四棱锥玻璃管 一定工况下所运动的最高点和最低点。稻壳各器官沉降末过值分别见表： 24 ： 袁2 l 稻壳花梗沉降束速 上况下l e 点风谜( m s )上l 点风d 平 一样l 50 3 472 4 平行样2 ： 革霹： 平行样l 平行样2 平均值 5 3 6 6 63 2 6 46 5 9 8 52 1 3 2 52 7 2 | 6 7 75 8 l j 8 * 8 4 84 8 0 8 硕士论文 气粒两相缝状贴壁射流颗粒沉降特性试验研究 1 7 2 稻壳各器官沉降特性试验研究硕士论文 由表2 1 、2 2 、2 3 、2 4 知，稻壳花梗沉降末速值在4 6 5 9 8 m s 一8 4 9 8 m s 之间； 稻壳内稃沉降末速值在1 6 9 2 “旷- 4 7 7 1 r n s 之间；稻壳外降末速值在2 4 9 1 r n s 一4 8 5 4 m 之间s ；整粒稻壳沉降末速值在2 2 2 2 州s - 一5 5 8 5 m s 。取其平行样的平均值则花梗、内 稃、外稃、整粒稻壳沉降末速分别为：5 2 7 2 2 州r 8 0 6 5 m s ，2 3 4 0 7 m s - - - 4 3 6 2 9 r n s ， 3 o 1 0 3 州s _ - 4 7 6 0 1 m s ，2 8 9 6 8 m s 一4 7 5 6 6 r n s 。由对比知：花梗沉降末速最大，内稃沉 降末速最小；外稃和整粒稻壳的沉降末速差别不明显。分析原因：花梗体积小，但其 硬度较大，密度相对较高；内稃从体积上略小于外稃，这可能是其沉降末速略低的原 因；整粒稻壳质量虽大，但是其体积也较大，而且内稃、外稃的钩状结构连接，内成 空心，所以阻力较大。 由稻壳各器官沉降末速速度，通过公式2 7 算知稻壳当量直径( 不计稻壳花梗) 如 下表2 5 ： 表2 5 稻壳各器官当量直径( 不计稻壳花梗) 2 4 本章小结 本章主要介绍了颗粒沉降末速方面的理论知识及对稻壳各器官沉降末速的测量试 验，并对各器官沉降末速进行对比分析，发现稻壳内稃、外稃和完整稻壳沉降末速比 较接近，但花梗沉降末速较大。不计花梗时，稻壳当量直径约为1 3 2 6 4 m m 。 1 8 硕士论文气粒两相缝状贴壁射流颗粒沉降特性试验研究 3 稻壳燃烧系统模拟试验台设计 3 1 现有火床燃烧系统改造方案 ( 1 ) 直接进料方案 图3 1 直接进料方案炉膛示意图 在燃煤工业链条炉改造初步方案中，采用原锅炉进料方法，把燃料通过漏斗加在炉 排上，由炉排运动将料带进炉膛。 在此进料方案中，稻壳燃料进料量体积过大，进料速度难于满足同等热负荷下的 需求量。 ( 2 ) 缝状贴壁射流气力送料方案 此方案是在料斗出口处，设置如图3 6 示结构的缝状贴壁喷射器，借助射流高速风 力输送燃料。其装置方式见局部图示意图3 2 ： 喷射器喷口 链条炉排 图3 2 缝状贴壁射流气力送料安装局部示意图 3 稻