（环境工程专业论文）生物质能电厂烟气污染控制的研究.pdf

华= l 匕电力大学硕士学位论文 摘要 本文以7 5 t h 燃生物质循环流化床锅炉为研究对象，裁麓计算流体软件 f l u e n t 对锅炉内的温度场、n 0 x 的生成以及袋式除尘器中的气流分布进行了 数值模拟。由计算结果可知，燃生物质时温度场比燃煤时稍低，且n 0 x 的排 放浓度低予国家规定的排放标准。袋式除尘器未采取气流分布措施时，燃煤 和燃生物质时的气流分布不均匀现象均很明显，燃煤时的流场比燃生物质时 紊乱；两糟烟气都是大部分颗粒以垂直向上的速度为主。加入导流板采取气 流分布措施后流场的均匀性得到明显改善。烟气在导流板中间区域大颗粒和 小颗粒分离分布在了左右两铡，且都是在绕流。本课题的研究结果可为生物 质电厂的烟气污染控制提供参考。 关键词：生物质，循环流化床锅炉，燃烧，袋式除尘器，数值模拟 a b s t r a c t 7 5t | ho fb i o m a s sc i r c u l a t i n gf l u i d i z e db e dc o m b u s t i o nb o i l e rw a st a k e na s t h eo b j e c to fs t u d y 。t h et e m p e r a t u r ef i e l d ，f l o wf i e l d ，f o r m a t i o no fn o xa n dg a s f l o wd i s t r i b u t i o ni nb a gf i l t e rw e r ea n a l o gc o m p u t e dw i t hc f ds o f t w a r ef l u e n t b yt h er e s u l t si tw a sg o tt h a tt e m p e r a t u r ef i l e do fc o l aw a sh i g h e rt h a nt h a to f b i o m a s s ，a n de m i s s i o no fn o xf r o mc i r c u l a t i o nf l u i d i z e db e db i o m a s sb o i l e rw a s l e s st h a ne m i s s i o ns t a n d a r d t h er e s u l to fn u m e r i c a lc a l c u l a t i o nt ob a gf i l t e r s h o w e dt h a t ：w h e na i rd i s t r i b u t i o nw a sn o tt a k e nm e a s u r e d ，i tw a so b v i o u s l yt h a t b o t ht h et w ok i n d so ff l u eg a sf l o wi nb a gf i l t e rw e r en o tu n i f o r m 。t h ef l o wf i e l d o fc o a lf l u eg a sw a sm o r ed i s o r d e r e dt h a nt h a to fb i o m a s s ，b u tm a j o r i t yo ft h e m m o v e du p w a r dd i r e c t l y t h eu n i f o r m i t yw a si m p r o v e do b v i o u s l ya f t e rt h eg u i d e p l a t ew a sa d d e d s m a l lp a r t i c l e sa n db i go n e so ff l u eg a sf e l la p a r tt ot w o f r a c t i o n si nt h em i d d l eo ft h eg u i d ep l a t e ，b i go n e so nt h el e f ta n ds m a l lo n e so n t h er i g h t ，a n db o t ho ft h e md i dc i r c u m f e r e n t i a lm o t i o ni nt h eb a gf i l t e r t h e r e s u l t so ft h i sp a p e rs u p p l i e dr e f e r e n c et ot h ec o n t r o lo fp o l l u t i o no ff l u eg a si n t h eb i o m a s s y uj i nx i n g ( e n v i r o n m e n t a le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f h um a ny i n k e y w o r d s ：b i o m a s s ，c i r c u l a t i o nf l u i d i z e db e db o i l e r , c o m b u s t i o n ，b a gf i l t e r , h u m e r i e a ls i m u l a t i o n 华= l 匕电力大学硕士学位论文 摘要 本文以7 5 t h 燃生物质循环流化床锅炉为研究对象，裁麓计算流体软件 f l u e n t 对锅炉内的温度场、n 0 x 的生成以及袋式除尘器中的气流分布进行了 数值模拟。由计算结果可知，燃生物质时温度场比燃煤时稍低，且n 0 x 的排 放浓度低于国家规定的排放标准。袋式除尘器未采取气流分布措施时，燃煤 和燃生物质时的气流分布不均匀现象均很明显，燃煤时的流场比燃生物质时 紊乱；两糟烟气都是大部分颗粒以垂直向上的速度为主。加入导流板采取气 流分布措施后流场的均匀性得到明显改善。烟气在导流板中间区域大颗粒和 小颗粒分离分布在了左右两铡，且都是在绕流。本课题的研究结果可为生物 质电厂的烟气污染控制提供参考。 关键词：生物质，循环流化床锅炉，燃烧，袋式除尘器，数值模拟 a b s t r a c t 7 5t | ho fb i o m a s sc i r c u l a t i n gf l u i d i z e db e dc o m b u s t i o nb o i l e rw a st a k e na s t h eo b j e c to fs t u d y t h et e m p e r a t u r ef i e l d ，f l o wf i e l d ，f o r m a t i o no fn o xa n dg a s f l o wd i s t r i b u t i o ni nb a gf i l t e rw e r ea n a l o gc o m p u t e dw i t hc f ds o f t w a r ef l u e n t b yt h er e s u l t si tw a sg o tt h a tt e m p e r a t u r ef i l e do fc o l aw a sh i g h e rt h a nt h a to f b i o m a s s ，a n de m i s s i o no fn o xf r o mc i r c u l a t i o nf l u i d i z e db e db i o m a s sb o i l e rw a s l e s st h a ne m i s s i o ns t a n d a r d t h er e s u l to fn u m e r i c a lc a l c u l a t i o nt ob a gf i l t e r s h o w e dt h a t ：w h e na i rd i s t r i b u t i o nw a sn o tt a k e nm e a s u r e d ，i tw a so b v i o u s l yt h a t b o t ht h et w ok i n d so ff l u eg a sf l o wi nb a gf i l t e rw e r en o tu n i f o r m 。t h ef l o wf i e l d o fc o a lf l u eg a sw a sm o r ed i s o r d e r e dt h a nt h a to fb i o m a s s ，b u tm a j o r i t yo ft h e m m o v e du p w a r dd i r e c t l y t h eu n i f o r m i t yw a si m p r o v e do b v i o u s l ya f t e rt h eg u i d e p l a t ew a sa d d e d s m a l lp a r t i c l e sa n db i go n e so ff l u eg a sf e l la p a r tt ot w o f r a c t i o n si nt h em i d d l eo ft h eg u i d ep l a t e ，b i go n e so nt h el e f ta n ds m a l lo n e so n t h er i g h t ，a n db o t ho ft h e md i dc i r c u m f e r e n t i a lm o t i o ni nt h eb a gf i l t e r t h e r e s u l t so ft h i sp a p e rs u p p l i e dr e f e r e n c et ot h ec o n t r o lo fp o l l u t i o no ff l u eg a si n t h eb i o m a s s y uj i nx i n g ( e n v i r o n m e n t a le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f h um a ny i n k e y w o r d s ：b i o m a s s ，c i r c u l a t i o nf l u i d i z e db e db o i l e r , c o m b u s t i o n ，b a gf i l t e r , h u m e r i e a ls i m u l a t i o n 声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文生物质能电厂烟气污染控 制的研究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行 的研究工作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢 之处外，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 褥华北电力大学或其德教育机构嚣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己在论文中作了明确的说明并表示了 谢意。 学位论文作者签名：妇期： 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用 影印、缩印或其它复制手段复制著保存学位论文；学校可允许学位论文被 查阅或借阅；学校可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；同意 学校可以雳不同方式在不同媒体上发表、传播学镶论文的全部或部分内容。 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者虢辎 日期：丝址7 导师签名： 日期： 华北电力人学硕十学位论文 1 1 生物质能资源及其利用 第一章引言 据统计，目前占全球能源消耗总量近5 0 的石油和天然气在2 1 世纪中叶将消耗 殆尽，虽然占目前全球能源消耗量2 5 的煤还可以继续开采使用，但开采的难度越 来越大，成本也会越来越高。寻找一种可再生的替代能源，已成为社会普遍关注的 焦点；生物质能的转换和利用具有解决能源短缺问题和环境保护的双重效果，受到 了人们的极大重视，是2 1 世纪能源发展的一个方向。生物质能是蕴藏在生物质中的 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。 它一直是人类赖以生存的重要能源，仅次于煤炭、石油和天然气而居于世界能源消 费总量第4 位，在整个能源系统中占有重要的地位。据预测，到2 1 世纪中叶，采 用新技术生产的各种生物质替代燃料将占全球总能耗的4 0 以上。生物质能通常包 括：木材及森林工业废弃物、农业废弃物、水生植物、油料植物、城市和工业有机 废弃物、动物粪便。 生物质能燃料主要有两个特点：( 1 ) 生物质燃料总量十分丰富。生物质能是世 界的第四大能源，根据生物家估算，地球陆地每年生产1 0 0 0 1 2 5 0 亿t 干生物质； 海洋每年生产5 0 0 亿t 干生物质。生物质能源的年生产量远远超过总能源需求量，相 当于目前世界总能耗的1 0 倍。随着农林业的发展，特别是炭薪林的推广，生物质资 源将越来越多。最近美国科学家把植物生物质资源称作“生物矿( b i o - o r e ) 。 ( 2 ) 生物质燃料是清洁的可再生能源。生物质燃料的主要成分是拇指纤维素，与 纤维素、半纤维素和木质素组成。主要含有碳、氢、氧及少量的氮、硫等元素。特 点是温室气体的零排放( 因为它们参与大气中的碳循环) ，硫的含量很低，因此s o x 的排放远远低于煤和重油口“1 。另外，由于生物质燃料热值低且理论燃烧温度低， 因此n o x 的生成率相应也较低。只要太阳辐射存在，绿色植物光合作用就不会停止， 因此，生物质燃料是理想的可再生能源。 我国幅员辽阔，人口众多，生物质分布十分广泛，约有8 0 的人口居住在农村； 太阳能资源丰富，全国各地太阳能年辐射量在3 3 5 8 3 5 k j c m 2 之间。因此，通过光 合作用产生的生物质能储量大、分布广。据统计，全国近几年秸秆年产量约9 亿t ， 目前除少量生物质被用于农村家庭燃料或饲料外，绝大多数生物质被露天焚烧、填 埋，或直接丢弃在田间地头进行生物降解。薪柴年产量( 包括木材砍伐的废弃物) 为2 亿t 左右，还有大量的人畜粪便及工业排放的有机废料、废渣。据环卫部门估计， 2 0 0 0 年我国城市生活垃圾总量约1 5 亿t 。每年生物质资源总量折合成标准煤为2 - - - 4 华北电力人学硕士学位论文 亿t 。 目前，生物质燃料的利用方式很多，一般可划分为气态、液态和固态生物质燃 料。( 1 ) 气态生物质燃料。生物质气化技术发展比较快，在国内外应用广泛，主 要有厌氧发酵生产沼气的技术和热解气化技术，包括生物质制沼气、生物质气化和 生物质制氢；( 2 ) 液态生物质燃料。以生物质为原料，制取液体燃料的工艺称生 物质液化，以提高利用效率和扩大应用范围，包括生物质热裂解制燃料油、生物质 液化制醇类燃料、植物燃料油制生物柴油和生物质浆体燃料；( 3 ) 固态生物质燃 料。其利用包括直接燃烧、固化成型、与煤混烧。其中，通过直接燃烧生物质而获 得热能是目前生物质能利用的最主要方式，而最能提高燃烧热效率的应用就是发 电，秸秆发电是近年来发展起来的一项再生能源利用新技。 1 2 生物质能电厂现状 生物质发电技术是近年来发展比较迅速且可靠的一种生物质能利用技术。生物 质发电主要是利用农业、林业和工业废弃物为原料，也可以将城市垃圾为原料，采 取直接燃烧或气化的发电方式。生物质发电技术是针对农林废弃物( 如玉米秆、玉米 芯、花生壳、树枝等) 所提出的一项规模化利用生物质资源的技术【1 1 | 。随着农业、农 村经济的发展和农民生活水平的提高，农村对生活燃料的需求发生了较大的变化。 高品位能源的需求日益增大，优质燃料的用户年递增3 0 以上，增加了国家优质能 源的供应压力；而在一些地区，作为农村传统燃料之一的农作物秸秆出现过剩，剩 余秸秆随意焚烧，污染环境，尤其是夏秋两季焚烧秸秆造成的集中污染，给人民生 活和经济建设带来了不良影响，成为社会普遍关注的问题。 在生物质能中农作物秸秆占7 2 2 1 1 2 j ，数量大、分布广，是农业生产的副产品， 也是一项重要的生物质能源资源。开辟秸秆利用的新途径，研究和推广生物质高品 质能源转换利用技术，满足农民对优质生活燃料的需求十分重要。利用秸秆燃烧发 电，开创了农村利用低品位生物质资源供应现代生活和工业用电的新事业，符合我 国国情。它对于满足农村对高品位生活能源的需求，改善生活质量，解放劳动力， 增加就业机会，消化农村大量剩余秸秆，减少污染具有重要的意义。 生物质能能够以有形的方式有效存储，与风电、光电等相比较，生物质发电的 电能质量好，不具有波动性和间歇性。截至2 0 0 4 年年底，全球生物质发电装机已 达3 9 0 0 万千瓦，可替代7 0 0 0 万吨标准煤，是风电、光电、地热等可再生能源发电 量的总和。生物质发电主要集中在发达国家，特别是北欧的丹麦、芬兰等国，但印 度、巴西和东南亚的一些发展中国家也积极研发或者引进技术建设农林生物质发电 项引副。 据报道，到2 0 2 0 年，西方工业国家1 5 的电力将来自生物质发电，而目前生物 2 华北电力人学硕士学位论文 质发毫灵占整个电力生产的l 。届时，珏方将有i 亿伞家庭使用的电力来舀生物质 发电，生物质发电产业还将为社会提供4 0 万个就业机会。 在我国，目前国网公司已获准兴建2 2 个生物质能发电项目。除单县项目外，正在 旌工的项虽王5 个，总装机容量近3 5 万手瓦曙1 。至r j 2 0 l o 年，圆网公司计划建成大约2 0 0 万千瓦的生物质能发电能力，约占我阑生物质发电能力的3 6 + 。 隧着生物质电厂的普及，生物质电厂的污染情况也越来越受到入的重视。我国 今年六月份还下达了关于加强生物质发电项因环境影响评价管理工作的通知。由于 生物质相对于煤，氮和硫元素的含量要小很多，所以燃烧后n 0 ，、s 0 ：等烟气污染物 的排放量比煤要低，排放的主要污染物是粉尘。生物质燃烧排放的粉尘多是p m i o 以 下的粉尘，尤其是能悬浮在大气中，严重影响着大气环境质量，危害人类健康的 p m 2 5 以下的微细粉尘乜叫。本谋题逯过数值模拟、经验公式计算等方法对生物质电 厂产生的烟气污染物以及其处理进行了研究。 1 3 本文主要研究内容 ( 1 ) 对生物质燃料以及其燃烧特性进行分析，进而对目前的生物质能燃烧设 备进行分析总结。 ( 2 ) 利用c f d 商业软件f l u e n t 对生物质锅炉内的燃烧温度场以及烟气组分进 行模拟计算，分析它们炉内的分布情况以及氮氧化物的排放情况。 ( 3 ) 通过经验公式计算、查阅文献资料对生物质锅炉排放烟气中s 0 2 、重金属 以及粉尘的特性排放进行分析，研究应采取的措施。 ( 4 ) 通过分析电除尘器和袋式除尘器特点，选择对于生物质燃烧生成粉尘合适 的除尘设备，并利用f l u e n t 软件对该除尘器运行时的流场进行数值模拟，调节除 尘器内的气流均匀性，以提高除尘效率。 华北电力大学硕+ 学位论文 2 1 生物质燃料特性 2 1 1 元素分析 第二章生物质燃烧技术 表1 列出了典型生物质燃料和典型的烟煤和无烟煤的元素组成和工业分析成分 组成。从表1 中看出，生物质燃料和煤炭相比有以下一些主要差别： ( 1 ) 含碳量较少，含固定碳少 生物质燃料中含碳量最高的也仅5 0 左右，相当于生成年代较少的褐煤的含碳 量。特别是固定碳的含量明显地比煤炭少。因此，生物质燃料不抗烧，热值较低( 见 表2 一1 ) 。 表2 - 1一些生物质燃料、煤的工业分析成分、元素组成和低位热值 燃料种类工业分析成分元素组成热值 w 。a fv c f g dh fc s n 。p k 2 0 。q 。d 豆秆5 1 03 1 37 4 6 51 7 1 25 8 14 4 7 9o 1 l5 8 52 8 61 6 3 31 6 1 5 7 稻草 4 9 71 3 8 66 5 1 11 6 0 65 0 63 8 3 20 1 lo 6 30 1 4 61 1 2 81 3 9 8 0 麦秆 4 3 98 9 06 7 3 61 9 3 5 5 3 14 1 - 2 8o 1 8 0 6 5o 3 32 0 4 01 5 3 7 4 玉米秆 4 8 75 9 37 1 4 51 7 7 55 4 54 2 1 7o 1 2o 7 42 6 01 3 8 01 5 5 5 0 烟煤 8 8 52 1 3 73 8 4 8 3 1 3 0 3 8 15 7 4 2o 4 6o 9 3| | 2 4 3 0 0 无烟煤 8 0 01 9 0 27 8 56 5 1 32 6 46 5 6 50 5 10 9 9 |2 4 4 3 0 4 华北电力人学硕十学位论文 。表2 - 2 生物质燃料和煤炭在结构特性上的主要差别 燃料种类c o h s a v 密度t m 3 生物质燃料 3 8 5 03 0 4 45 60 1 0 0 2 04 一1 46 5 7 0o 4 7 0 6 4 煤炭5 5 9 03 2 03 50 4 0 - 4 ) 6 05 2 57 3 8o 8 0 1 0 0 ( 2 ) 含氢量稍多，挥发分明显较多 生物质燃料中的碳多数和氢结合成低分子的碳氢化合物，遇一定的温度后热分 解而析出挥发物。所以，生物质燃料易被引燃，燃烧初期，析出量较大，在空气和温 度不足的情况下易产生镶黑边的火焰。 ( 3 ) 含氧量多 从表2 - 2 所列数字看出，生物质燃料含氧量明显地多于煤炭，它使得生物质燃 料热值低，但易于引燃。在燃烧时可相对地减少供给空气量。 ( 4 ) 密度小 生物质燃料的密度明显地较煤炭低( 见表2 - 2 ) ，质地比较疏松，特别是农作物 秸杆和粪类。这样使得这类燃料易于燃烧和燃尽，灰烬中残留的碳量较燃用煤炭者 少。 ( 5 ) 含硫量低 生物质燃料含硫量大多少于0 2 0 【1 引，燃烧时不必设置气体脱硫装置，降低了 成本，又有利于环境的保护。 2 1 2 灰分分析 生物质燃烧过程中，一个很重要的问题就是积灰结渣。而这很大一部分原因是 由于生物质燃料中的灰组分造成的，积灰是指温度低于灰熔点的灰粒在受热面上的 沉积；结渣主要是由烟气中夹带的熔化或半熔化的灰粒接触到受热面凝结下来，并 在受热面上不断生长、积聚而成。 生物质的组成成分包括：纤维素、半纤维素、木质素、类脂物、蛋白质、单糖、 淀粉、水分、灰分和其他化合物。每一种组分的含量比例是由生物质种类、生长时 期和生长条件等因素决定的。生物质中的灰分有两种来源：一是燃料本身固有的， 即形成于植物生长过程中的。本身固有的灰分是相对均匀的分布在燃料中，其中s i 、 k 、n a 、s 、c 1 、p 、c a 、m g 、f e 是导致结渣积灰的主要元素；另一是燃料加工处理 过程中带入的，如：砂子、土壤微粒，其组分与燃料固有的灰分差别很大。在生物 质燃烧过程中，燃料固有的灰分从燃料颗粒中的释放是受他自身固有的挥发性和燃 料中有机物成分间反应的影响。对比稻草的灰组分分析，可以看出与普通玻璃的组 分很相似，普通玻璃的组成成分分析如下：碱金属元素占2 0 、碱土金属元素占4 、 5 华北电力大学硕十学位论文 s i o 。占6 8 ，其袍成分为8 嚣，这有助手解释燃烧稻草是容易积灰结渣的骤匿。 2 2 生物质燃料燃烧特性 由上节分析可看蹬生物质燃料与化石燃料相比存在明显的差异，从而导致了生 物质燃料在燃烧过程红的燃烧机理、反应速度以及燃烧产物的成分与化石燃料相比 也存在较大差异，表现墨不同与化石燃料豹燃烧特性。生物质燃料的燃烧过程是强 烈的化学反应过程，又是燃料和空气间的传热、传质过程。燃烧除去燃料存在外， 必须有足够温度的热量供给和适巍的空气供应。它可分作：预热、干燥( 水分蒸发) 、 挥发分析出和焦碳( 固定碳) 燃烧等过程。按热失重分，生物质的燃烧可分为四个 阶段，对于不同的生物质四个阶段的温度和失重略有不同，以玉米秆为例，第一阶 段为2 0 2 0 0 ，失重约为7 ，主要是生物质原料的脱水过程。第二阶段在2 0 0 4 8 0 之间，是失重的主要阶段，失重达到8 5 ，这一阶段是生物质中炭和挥发物的 燃烧过程。第三阶段为4 8 0 8 2 0 ，质量基本保持不变，说明这一阶段是无机物的 晶型转变过程。同一化学组成的物质有时具有不同的晶型，一定范围内自由焓最低 的晶型最稳定，随着温度的变化，晶体就由一种形态变为另一种形态。第四阶段为 8 2 0 1 3 0 0 ，增重约1 8 ，这应是生物质的熔融阶段。 从上述说明可以看出，产生火焰的燃烧过程为两个阶级：即挥发分析出燃烧 和焦碳燃烧，翦者约占燃烧时间的1 0 ，蓐者则占9 0 。同时也可看出，生物质燃料在 燃烧过程中有以下一些特点： ( 圭) 生物质水分含量较多，燃烧需要较高的干燥温度和较长的干燥时间，产 生的烟气体积较大，排烟热损失较高： ( 2 ) 生物质燃料的密度小，结构比较松散，迎风面积大，容易被吹起，悬浮 燃烧的比例较大； ( 3 ) 由于生物质发热量低，炉内温度场偏低，组织稳定的燃烧比较困难； ( 4 ) 由予生物蕨挥发份含量高，燃料着火温度较低，一般在2 5 0 1 3 3 5 0 。c 温 度下挥发份就大量析出并开始剧烈燃烧，此时若空气供应量不足，将会增大燃料的 化学不完全燃烧损失； ( 5 ) 挥发分析出燃尽后，受到灰烬包裹和空气渗透困难的影响，焦炭颗粒燃 烧速度缓慢、燃尽困难，如不采取适当的必要措施，将会导致灰烬中残留较多的余 碳，增大机械不完全燃烧损失。 2 3 生物质燃烧设备 生物质燃料锅炉的种类很多，按照锅炉燃用生物质品种的不同可分为：木材炉、 薪柴炉、秸秆炉、垃圾焚烧炉等；按照锅炉燃烧方式的不同又可分为流化床锅炉、 6 华北电力人学硕+ 学位论文 层燃炉等，因此目前生物质电厂锅炉主要分为层燃炉和流化床锅炉两种。 2 3 1 生物质层燃炉 ( 1 ) 农林废弃物开发利用技术 生物质层燃技术被广泛应用在农林业废弃物的开发利用方面。丹麦e l s a m 公司 叫出资改造的b e n s o n 型锅炉采用两段式加热，由四个并行的供料器供给物料，秸秆、 木屑可以在炉栅上充分燃烧，并且炉膛和管道内还设置有纤维过滤器以减轻烟气中 有害物质对设备的磨损和腐蚀。经实践运行证明，改造后的生物质锅炉运行稳定， 并取得了良好的社会和济效益。 在我国，田宜水、张鉴铭等通过对秸秆本身特性的分析研究，在秸秆直燃热水 锅炉燃烧室的设计中，采用双燃烧室结构。第一燃烧室为主燃区，设置于炉膛前部； 第二燃烧室为辅助燃烧区，设置于炉膛后部，两者问由挡火拱分隔。该布置方式加 强了秸秆与高温烟气、空气地相互混合，同时延长了物料在炉内燃烧的停留时间， 确保了秸秆燃烧的充分完全，取得了良好的运行效果。 翟学民根据甘蔗渣的燃烧机理，研制出了一种采用闭式炉膛结构的甘蔗渣锅 炉。该锅炉将燃烧室与辐射受热面分开布置，甘蔗渣在炉内进行半层燃半悬浮燃烧， 既有助于甘蔗渣的着火和燃尽，又可以布置足够的受热面，满足了燃烧和传热两方 面的要求；炉膛内布置人字型前后拱，通过前后拱的相互配合加强了高温烟气对甘 蔗渣的辐射，有利于甘蔗渣的及时着火和稳定燃烧。甘蔗渣作为生物质燃料有一定 的代表性，因此该炉型对稻壳、树皮等生物质燃料具有一定的通用性。 何育恒开发设计了燃木屑、木粉、树皮等废料的层燃锅炉。该锅炉结构设计新 颖，前墙及炉膛布置少量水冷壁管，保证炉膛具有较高的温度，以便木屑、木粉的 燃烬；炉膛内布置有防爆门，防止木粉爆燃；锅炉为负压燃烧，保证木粉在燃烧时 不向炉外喷火。锅炉投入运行后，经测试达到了预期的设计要求，为燃木屑、木粉 等林业废弃物锅炉的开发设计提供了宝贵的经验。 ( 2 ) 城市生活垃圾焚烧技术 进入2 1 世纪以后，随着我国城市建设的发展和社会的进步，城市生活垃圾的产 量逐年递增，其构成也逐步向“灰分少、高热值”的方向发展。因此，以焚烧技术 为代表的新型垃圾处理技术正飞速发展，成为新兴的环保产业。该技术与传统的垃 圾填埋方式相比，在环境保护和资源利用方面都具有明显的优势。 2 0 世纪8 0 年代末，深圳市从日本引进了两台“三菱马丁”型垃圾焚烧炉， 单台日处理垃圾1 5 0t ，在我国率先采用焚烧技术处理生活垃圾。1 9 9 6 年深圳市又 扩建了第一台国产化垃圾焚烧炉，该炉采用单锅筒自然循环，烟道四周布满膜式水 冷壁，烟气处理系统采用静电除尘器处理装置。作为首台国产垃圾焚烧锅炉建成投 产后，各项主要技术性能指标均达到设计要求，为我国城市生活垃圾处理找到了一 7 华北电力人学硕+ 学何论文 条行之有效的既经济、又清洁的途径。上海浦东新区御桥生活垃圾焚烧厂设置了三 条垃圾焚烧生产线，每条生产线主要由焚烧炉、余热锅炉、烟气处理反映塔和除尘 器组成。除上海浦东御桥以外，北京市、广州市、厦门市也都在进行千吨级垃圾焚 烧厂的建设。垃圾焚烧具有减少环境污染，节省大量土地资源等显著优点。因此垃 圾焚烧技术将成为我国大城市生活垃圾处理的主流技术，但在尾气处理避免二次污 染和提高焚烧炉燃烧效率等方面，还需进一步结合基本国情不断改进和完善我国的 垃圾焚烧技术。 2 3 2 生物质流化床锅炉 目前，国外采用流化床技术开发生物质能已具有相当的规模和一定的运行经 验。美国爱达荷能源产品公司已经开发生产出燃生物质媒体流化床锅炉，蒸汽锅炉 出力为4 5 t h - 5 0 t h ，供热锅炉出力为3 6 6 7 舸；美国c e 公司利用鲁奇技术研制的 大型燃废木循环流化床发电锅炉出力为1 0 0 t h ，蒸汽压力为8 7 m p a 美国b & w 公司制 造的燃木柴流化床锅炉也于2 0 世纪8 0 年代末至9 0 年代初投入运行。此外，瑞典以树 枝、树叶等林业废弃物作为大型流化床锅炉的燃料加以利用，锅炉热效率可达到8 0 ， 丹麦采用高倍率循环流化床锅炉，将干草与煤按照6 ：4 的比例送入炉内进行燃烧， 锅炉出力为l o o t h ，热功率达8 0 m w u “。 我国自2 0 世纪8 0 年代末开始，别如山、鲍亦令等对燃生物质流化床锅炉进行 了深入细致地研究。为了提高锅炉燃烧效率，研究人员采用细砂等颗粒作为媒体床 料，以保证形成稳定的密相区料层，为生物质燃料提供充分的预热和干燥热源：采 用稀相区强旋转切向二次风形成强烈旋转上升气流，加强高温烟气、空气与生物质 物料颗粒的混合，促进可燃气体和固体颗粒进一步充分燃烧。根据以上研究成果， 哈尔滨工业大学分别与国内四家锅炉厂合作开发了一系列燃用甘蔗渣、稻壳、果穗、 木屑等生物废料的流化床锅炉，投入生产后运行效果良好，深受用户的好评n 制。 刘皓、黄琳等根据稻壳的物理、化学性质和燃烧特性，设计出以流化床燃烧方 式为主，辅之以悬浮燃烧和固定床燃烧的组合燃烧式流化床锅炉，并且为配合三段 组合燃烧采取了四段送风的方式。采用这种独特的燃烧方式和配风方式，其优点在 于：流化床中燃料颗粒的流化速度较低，有利于减少稻壳随烟气飞出流化床的份额， 延长了稻壳在床层的停留时间：提供了足够的悬浮燃烧空间，有利于挥发份中的可 燃物在悬浮段进一步充分燃烧。通过试验研究证明，该锅炉具有流化性能良好、燃 烧稳定、不易结焦等优点，已经获得国家专利。 陈冠益、方梦祥等在试验研究的基础上，与无锡锅炉厂合作设计开发了3 5t h 燃稻壳流化床锅炉。该锅炉设计的主要特点是：采用气力输送装置输送稻壳，不但 输送量大，而且输送安全，避免了因给料机堵塞引起的给料中断现象：采用厚壁管 的防磨环用以防止床层埋管的磨损，尾部加吹灰器吹风防止受热面积灰：通过调整 8 华北电力大学硕十学位论文 一、二次风风量大小与烟气再循环实现炉内风速的改变，扩大了锅炉的燃料适用范 围。 从国内外生物质直接燃烧技术的发展状况来看，流化床锅炉对生物质燃料的适 应性较好，负荷调节范围较大。床内工质颗粒扰动剧烈，传热和传质工况十分优越， 有利于离温烟气、空气与燃料地混合充分，为高水分、低热值的生物质燃料提供极 佳的着火条件，同时由于燃料在床内停窝的时闻较长，可以确保生物囊燃料地完全 燃烧，从而提高了燃生物质锅炉的效率。而循环流化床在氮氧化物排放量低、脱硫 效果好、负荷调节性能好、能烧劣质煤等一系列流化床锅炉的优点中更为突出，因 此近年来在国内外得到了迅速的发展n 卜伸3 。其优点具体体现在以下几个方面： ( 1 ) 燃料适应性广。由于炉内大量灰粒的稳定循环，热容量大，使新加入c f b 锅炉的燃料只占床料很小的份额，又由于燃料在c f b 杰呈“流态化燃烧，使其中 的质量和热量交换非常充分，这就为新加入燃料的预热、着火创造了十分有利的条 件。丽未燃尽的煤粒子通过多次循环既霹增加其在炉内停甓的时间又可多次参与床 层中剧烈的质量和热量交换。这就使c f b 锅炉可燃用几乎所有种类的煤种及各种低 热值、高灰分或高水分的矸石、石油焦、工农业垃圾及城市垃圾。因此，循环流化 床锅炉对生物质的直接燃烧是比较适合的。 ( 2 ) 低n o x 排放。由于较低的燃烧温度，加以分级送风，使流化床锅炉排放的 n o x 显著减少，大概是煤粉燃烧锅炉的l 3 王4 。 ( 3 ) 负荷调节性能好。循环流化床锅炉中床料绝大部分是高锰循环灰，这就 势新加燃料的迅速着火和燃烧提供了稳定的热源；圊时，豳为流化床锅炉中物料的 循环量是可以凋节的，所以循环流化床锅炉能够适应负荷的快速变化，负荷调节比 大。 ( 4 ) 燃烧效率嵩。流化床锅炉由于燃料在炉外经分离器循环燃烧，在炉内又 形成内循环燃烧方式。因此气一固和固一固混合非常好，煤粒燃尽率高，大大提高 了燃烧效率，使c f b 锅炉燃烧效率已接近煤粉炉的燃烧效率，通常在9 7 5 - - 一9 9 。5 笺 范围内n 钉。国外c f b 锅炉燃烧效率可达9 9 ，我国自行研制开发的c f b 锅炉效率高 达9 5 - 、- 9 9 。 因为这些突出的优越性，现在生物质循环流化床锅炉也在迅速的发展，本文就 是以某生物质电厂的7 5 t h 循环流化床锅炉为对象，对其燃烧情况进行了数值模拟。 9 华北电力大学硕+ 学位论文 3 。1 数值模拟方法 第三章数值模拟基础 3 。1 。1 数值模拟相关理论 数值模拟也叫计算机模拟，它以电子计算机为工具，通过数值计算和图 像显示的方法，达到对工程和武力问题乃至自然界各类问题研究的目的。数 值模拟实际上应该理解为用计算机来傲实验，这是分析人员一挑出了数学方 程的圈子来对待物理现象的发生，就像做一次物理实验。 数僮模拟的全过程及主要步骤如下： 首先要建立反应问题( 工程问题、物理问题等) 本质的数学模型。具体 说就是要建立反映问题各量之闻的温分方程以相应的定解条件，这是数值模 拟的出发点。没有正确完善的数学模型，数值模拟就无从谈起。 数学模型建立之后，需要解决的问题是寻求高效率、高准确度的计算方 法。由于人们的努力，鬻前已经发涨了许多数值计算方法。计算方法不仅包 括微分方程的离散化方法及求解方法，还包括体坐标的建立，边界条件的处 理等。 在确定了计算方法和坐标系后，就可以开始编制程序和进行计算。实践 表明这一部分工作是整个工作的主题，占绝大部分时间。由于求解的问题比 较复杂，它的数值求解方法在理论上还不够完善，所以需要通过实验来加以 验证。正是在这个意义上讲，数值模拟幼教数值实验。 在计算工作完成后，大量数据只能透过蚕像形式显示出来。因此数值的 图像显示也是一项十分重要的工作，目前人们已能把图作的像相片一样逼 真。利用录像机或电影放映机可以显示动态过程，模拟的水平越来越高，越 来越逼真。 数值模拟就有耗费少、时间短、圣人理等优点，便于优化设计，比实验 研究更自由、更灵活，势且还能对实验难以量测得量作漱估计。数值模拟的 另一个优点是具有很好的重复性，条件易于控制，可以重复模拟过程，这对 湍流豹数值模拟尤为重要。通过数值模拟还可以发现一些薪的现象，比如两 个孤立波相互作用的一些特性就是通过数值模拟首先被发现的。由于数值模 拟的优越性，所以得到越来越广泛的应用。 l 华北电力火学硕十学位论文 3 1 2 模拟软件f l u e n t 简介口3 一般来说比较专业化的c f d 分析软件主要有f l u e n t 、p h o e n i c s 、s t a r c d 、 c f x 、a n s y s 等。这些软件各具优点，但总的说来f l u e n t 是最为专业化的， 也是功能最为强大的c f d 分析软件。在全球众多的c f d 软件研究开发商中， f l u e n t 软件独占4 0 以上的市场份额，具有绝对的市场优势。 在利用f l u e n t 软件进行流体流动模拟计算时，先利用g a m b i t 进行流动 区域几何形状的构建、边界类型以及网格的生成，并输出用于f l u e n t 求解 器计算的格式，然后应用f l u e n t 求解器对流动区域进行求解计算，并进行 计算结果的后处理。 3 2 数值求解方法 对于流动与传热以及实际燃烧过程进行计算机模拟是基于如下思想：流 动、传热以及燃烧过程的变化都是有规律的，它满足物理和化学的基本定律。 经过多年探索，得到了如下的同一的方程形式： 旦t ( 删) + a i v ( p u ) = 破1 ，( f g r a d ) + 邑 ( 3 1 ) 方程中的四项依次称为时间导数项、对流项、扩散项和源项。由于其中的控 制方程具有数目多、非线性和相互耦合的特点，在一般情况下方程组找不到 解析解，而只能数值求解，目前常用的方法如下。 3 2 1 有限差分法 这是历史上最早采用的数值方法，对简单几何形状中的流动与换热问题 也是一种最容易实施的数值方法。它的主要缺点是对复杂区域的适应性较差 及数值解的守恒性难以保证。 3 2 2 有限容积法 该方法把计算的区域划分为一系列控制容积，每个控制容积都有一个节 点作代表。通过将守恒型的控制方程对控制容积作积分来导出离散方程。用 此方法导出的离散方程可以保证具有守恒特性，而且离散方程稀疏的物理意 义明确，是目前流动与传热问题的数值计算中应用最广的一种方法。 3 2 3 有限元法 在有限元法中把计算区域划分成一系列元体，在每个元体上取数个点作 为节点，然后通过对控制方程作积分来获得离散方程。它的最大优点是对不 规则区域的适应性好：但计算工作量一般较有限容积法大，而且在求解流动 华北电力大学硕十学位论文 与换热问题时，对流项的离散处理方法既不可压流体原始变量法求解方面没 有有限容积法成熟。 3 。2 。4 有限分析法 有限分析法与有限差分法相似，所不同的是每一个节点与楣邻的四个网 格( 二维) 问题组成计算单元，即每二个计算单元由一个中心节点与8 个邻 点组成。它的主要缺点是系数不像有限客积法中那样有明确的物理意义，对 不规则取悦的适威性也较差。 3 2 5 其它 蟊前已应用予流动与传热计算的数值方法还有边界元法等一些其他的方 法。依照陶文铨老师所见，就实施的简易，发展的成熟及应用的广泛等方面 的综合评价，有限容积法无疑具优。由于有限容积法即成立有限差分法的丰 富格式，具有良好的守俺性，能像有限元素法那样采用各种形状的嬲格以适 应复杂的边界几何形状，却比有限元素法简便得多，因此，现在大多数c f d 软件都采用有限体积法。而本文所黑的f l u e n t 软件采用的数值计算方法也 正是有限容积法。 3 3 数值模拟的模型和方程 标准的k e 模型的定义 在关予湍动能k 方程的基础上，再引入一个关于湍动能耗散率的方 程，便形成了k g 两方程模型，称为标准的贸一s 模型( s t a n d a r d k 一8 m o d e l ) 。该模型是由l a u n d e r 和s p a l d i n g 3 = 1 9 7 2 年提出的。在模型中，表 示湍动耗散率( t u r b u l e n td i s s i p a t i o nr a t e ) 的被定义失： 露= 芳嘲却 洚2 ， 湍动粘度pt 可表示成k 和的函数，即： 。彭2 弘| 2 # _ 6 ( 3 - 3 ) 箕中，c 为经验常数。 在标准鬈一s 模型中，k 和是两个基本的未知量，与之相对应的输 1 2 华北电力火学硕士学位论文 运方程为【10 1 ： 挈+ 掣2 剐+ 尝剧+ q 们占一峨伊4 ， 街 缸f 叙ll 。q 缸i “ qr 叫丘”“ 挈+ ，笔产= 毒陋+ 等) 考 + g 。妻( q + g 。g ) 一乞p 譬+ 足c 3 吲 其中，g 。是由于平均速度梯度引起的湍动能k 的产生项，g 。是由于浮 力引起的湍动能k 的产生项，y 。代表可压湍流中脉动的扩张贡献，c 。c ：。和 c 。为经验常数，吼和仃s 分别是与湍动能k 和耗散率对应的p r a n d t l 数，瓯 和胎是用户定义的源项。 标准茁一占模型的有关计算公式 在式( 3 - 4 ) 和( 3 - 5 ) 所示的标准r 一占模型中，各项的计算公式如下【7 】： 首先，g 。是由于平均速度梯度引起的湍动能k 的产生项，由下式计算： 瓯私( 考+ 著 考 c 3 嘞 g 6 是由于浮力引起的湍动能k 的产生项，对于不可压缩流体，g b = 0 ， 对于可压缩体，有： g 6 ：唐，盟罢 ( 3 7 ) 其中，p 是湍动的p r a n d t l 数，在该模型中可取p r t = o 8 5 ，g ，是重力加速 度在第i 方向上的分量，b 是膨胀系数，由可压缩流体的状态方程求出，其 定义为： 有： 肛吉等 ( 3 - 8 ) y m 代表可压湍流中脉动的扩张贡献，对于不可压流，y m = o 。对