基于ANSYS+CFX生物质半气化炉的试验研究及模拟优秀毕业论文 参考文献 可复制黏贴.pdf

分类号密级 华中农业大学硕士学位论文 基于a n s y sc f x 生物质半气化炉的试验研究及模拟 t h ee x p e r i m e n t a lr e s e a r c ha n ds i m u l a t i o n o nt h eb i o m a s ss e m i g a s i f i e r b a s e do na n s y sc f x 研究生 郭聪颖 指导教师 袁巧霞副教授 指导小组 张衍林教授 樊放洲副教授 肖新棉副教授 专业 农业机械化工程研究方向 可再生能源利用技术 获得学位名称 工学硕士获得学位时间 2 0 1 1 年6 月 华中农业大学工学院 二 一一年六月 i i y i i i t l l 2 l l lllolllllo l t14lll116lll 11iilli罂 华中农业大学学位论文独创性声明及使用授权书 学位论文 厄 如需保密 解密时间年月日 是否保密 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 也不包含为获得华中农业大学或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料 指导教师对此进行了审定 与我一i 同 r 作的同志对本研究所 做的任何贡献均己在论文中做了明确的说明 并表示了谢意 研究生躲却难散 帆川年多月似 学位论文使用授权书 本人完全了解华中农业大学关于保存 使用学位论文的规定 即学生必须按照 学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本 学校有权保存提交论文的印刷版和电 子版 并提供目录检索和阅览服务 可以采用影印 缩印或扫描等复制手段保存 汇编学位论文 本人同意华中农业大学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 并授权中国科学技术信息研究所和北京万方数据股份有 限公司将本人学位论文收录到 中国学位论文全文数据库 并进行信息服务 包括 但不限于汇编 复制 发行 信息网络传播等 同时本人保留在其他媒体发表论文 的权力 注 保密学位论文 即涉及技术秘密 商业秘密或申请专利等潜在需要提交保密的 论文 在解密后适用于本授权书 一魏勤襁一名 勃兹 签名日期 砌 年 月 日 签名日期 西f 年 月f 尸日 目录 目录 摘要 i a b s t r a c t i i 第一章绪论 1 1 1 研究目的及意义 l 1 2 国内外研究现状 3 1 2 1 生物质气化研究现状 3 1 2 2 生物质燃烧利用研究现状 4 1 2 3 燃烧动力学模拟研究现状 6 1 2 4c f x 软件模块的应用 8 1 3 研究内容 1 0 1 3 1 研究内容 1 0 1 3 2 拟解决的关键问题 1 1 1 3 3 采取的技术路线 1 2 1 3 4 可行性分析 1 2 1 3 5 研究方法 1 2 1 3 6 预期研究结果 1 3 1 4 本章小结 1 3 第二章生物质燃烧技术的基本原理 1 4 2 1 生物质燃料特性 1 4 2 1 1 生物质的组成 1 5 2 1 1 1 半纤维素 1 5 2 1 1 2 纤维素 16 2 1 1 3 木质素 1 6 2 1 2 生物质的元素分析 16 2 1 2 1 碳和氢元素 1 7 2 1 2 2 氮元素 18 2 1 2 3 硫元素 18 2 1 3 生物质的工业分析 1 8 2 1 3 1 生物质中的水分 1 9 2 1 3 2 生物质中的灰分 2 0 2 1 3 3 挥发分和固定碳 2 0 2 1 3 4 热值 2 0 2 1 4 生物质燃料的燃烧特性 2 1 2 2 生物质的燃烧过程 2 1 2 2 1 预热干燥阶段 2 2 2 2 2 热解挥发分析出阶段 2 2 2 2 3 挥发分燃烧阶段 2 2 2 2 4 固定碳燃烧阶段 2 3 2 3 生物质的气化过程 2 4 2 4 本章小结 2 4 第三章生物质半气化炉的结构总体设计 2 5 3 1 生物质半气化炉的总体方案设计 2 5 3 1 1 设计要求 2 5 华中农业大学2 0 1i 届硕士学位论文 3 1 2 总体结构设计 2 6 3 2 生物质燃烧的计算 2 7 3 2 1 燃料热值计算 2 7 3 2 2 生物质燃烧过程平衡计算 2 8 3 2 2 1 燃烧空气量的计算 2 8 3 2 2 2 烟气量计算 2 9 3 2 2 3 过量空气系数和实际烟气量 3 0 3 2 2 4 空气焓和烟气焓的计算 3 0 3 2 3 热损失估算 31 3 2 3 1 排烟热损失 3 l 3 2 3 2 气体 固体不完全燃烧损失和散热损失 3 l 3 2 3 3 灰渣物理热损失 3 1 3 2 3 4 蓄热损失 3 l 3 2 3 5 其他热损失 3 2 3 3 生物质半气化炉主要参数设计 3 2 3 3 1 燃料消耗量b 的计算 3 2 3 3 2 燃烧炉膛的参数确定 3 2 3 3 3 烟囱参数的确定 3 4 3 3 4 进风系统设计 3 5 3 3 4 1 一次进风通道 3 5 3 3 4 2 二次进风通道设计 3 6 3 3 5 其他炉具部分的参数设计 3 7 3 3 5 1 进料口 3 7 3 3 5 2 挡火圈 3 7 3 3 5 3 收烟道 3 8 3 3 5 4 保温层及外壳 3 9 3 4 本章小结 3 9 第四章生物质半气化炉结构参数的试验研究 4 1 4 1 试验目的 4 l 4 2 测试方法及仪器设备 4 l 4 2 1 测试方法 41 4 2 2 试验仪器及仪表 4 l 4 2 3 试验条件 4 1 4 2 4 试验步骤 4l 4 2 5 试验结果计算 4 2 4 3 单因素试验 4 2 4 3 1 试验方案设计 4 3 4 3 1 1 收烟口面积 进风总面积比试验设计 4 3 4 3 1 2 一次进风量试验设计 4 3 4 3 1 3 二次进风量试验设计 4 3 4 3 1 4 添柴量试验设计 4 4 4 3 1 5 烟囱高度试验设计 4 4 4 3 2 试验结果与分析 4 4 4 3 2 1 收烟口面积 进风总面积比对炉膛升温速率的影响 4 4 目录 4 3 2 2 一次进风量对热性能指标的影响 4 5 4 3 2 3 二次进风量对热性能指标的影响 4 7 4 3 2 4 添柴量对热性能指标的影响 4 8 4 3 2 5 烟囱高度对热性能指标的影响 5 0 4 4 正交试验 51 4 4 1 试验方案设计 51 4 4 2 试验结果与分析 5 4 4 4 2 1 正交试验直观分析 5 4 4 4 2 2 正交试验方差分析 5 8 4 5 本章小结 6 1 第五章基于a n s y sc f x 的生物质半气化炉模拟 6 3 5 1 不同烟囱高度下的气流场仿真 6 3 5 1 1 物理模型的建立 6 3 5 1 2 网格划分 6 4 5 1 3 设置边界条件 6 6 5 1 4 求解 6 7 5 1 5 模拟结果显示 6 8 5 1 6 模拟结果分析 7 2 5 2 不同炉膛结构的气流场仿真 7 3 5 2 1 物理模型的建立 7 3 5 2 2 网格划分 7 3 5 2 3 设置边界条件 7 4 5 2 4 求解 7 5 5 2 5 模拟结果显示 7 5 5 2 6 模拟结果分析 7 9 5 3 不同二次进风结构的气流场仿真 7 9 5 3 1 物理模型的建立 7 9 5 3 2 网格划分 8 0 5 3 3 设置边界条件 8 0 5 3 4s o l v e r 设置及求解 81 5 3 5 模拟结果显示 8 1 5 3 6 模拟结果分析 8 5 5 4 本章小结 8 5 第六章结论与展望 8 6 6 1 结论 8 6 6 1 1 试验结果结论 8 6 6 1 2 计算机仿真结论 8 6 6 2 展望 8 7 6 2 1 生物质燃烧特性理论研究 8 7 6 2 2 提高炉具热效率 8 7 参考文献 8 8 致j 射 9 1 摘要 手两要 随着能源危机的日益加剧 导致我国农村燃用煤炭 天然气等费用不断攀升 直接影响农民的生活用能成本 本文针对广大农村地区大量的生物质材料 包括 农作物秸秆 林业废弃物等 在农村传统炉灶的基础上设计出适合生物质燃烧的 高效半气化炉 以解决大部分农村人口的炊事用能 并可以解决大量农林废弃物 的无序堆积和焚烧所引发的环境问题 本课题的主要研究内容以及所取得的相关 成果如下 1 生物质与煤的燃料特性相差较大 由于生物质中含氧比例较高 导致生 物质燃料热值偏低 从生物质的燃烧过程来看 生物质主要分为预热干燥 热解 挥发分 挥发分的燃烧以及固定碳的燃烧四个阶段 促进生物质的半气化过程有 利于提高燃料的燃烧效率 生物质热解气化过程与燃料的尺寸 加热速率 温度 气相滞留时间等有很大关系 2 在传统炉灶的基础上 根据工业炉的设计原则设计生物质半气化炉 通 过对生物质燃烧的相关计算 确定生物质半气化炉的主要设计参数 绘制图纸 进行了炉具的生产制造 3 根据g b 4 3 6 3 8 仁 民用柴炉 柴灶热性能测试方法 的方法 对生 物质半气化炉进行热性能指标测试 通过试验表明 所设计的炉体能达到3 6 5 3 的热效率 具有比较好的效果和推广应用价值 同时经过试验研究确定了一次进 风 二次进风 添柴量和烟囱高度对热性能指标的影响 在正交试验的基础上 考虑了各个因素间的交互作用对热性能指标的影响水平 结果表明 只有一次进 风和添柴量间的交互作用对热性能指标影响显著 其他组合效果不明显 4 采用a n s y sc f x 软件对生物质半气化炉的气流场进行了模拟 对比研 究了不同烟囱高度 炉膛结构和二次进风系统对气流场的影响 为进一步改进生 物质半气化炉的燃烧热效率提供了参考信息 5 对生物质半气化炉的研究做了相关建议 并就提高炉具热效率提出了建 议和展望 通过研究表明 生物质半气化炉对生物质原料有较广的适应性 且总体综合 热效率较高 具有较好的应用价值 目前我国生物质半气化炉的研究相对较少 具有很大的理论和应用研究空间 关键词 生物质燃烧半气化炉试验研究a n s y sc f x 模拟 华中农业大学2 0 1l 届硕士学位论文 a b s t r a c t d u et ot h ee n e r g yc r i s i sb e c o m i n gw o r s ed a yb yd a y t h ep r i c eo ft r a d i t i o n a l e n e r g yb e i n gu s e dm o r ec o m m o n l y i nr u r a lr e g i o ns u c ha sc o a l n a t u r a lg a sw a sr i s i n g s ot h ec o s to fl i v i n ge n e r g yg r e a t l yi n c r e a s e d i no r d e rt od e a l i t ht h ed a i l yc o o k i n g e n e r g yf o rm o s tp e o p l ei nr u r a l a n dr e d u c et h ee n v i r o n m e n t a lp r o b l e m si n d u c e db y d i s o r d e rp i l i n ga n db u r n i n gt h el a r g ea m o u n to fb i o m a s sw a s t e w ed e s i g n e dah i g h e f f i c i e n c ys e m i g a s i f i e rf u r n a c eb a s e do nt h et r a d i t i o n a ls t o v ef o rt h o s eb i o m a s s w h i c hw a sl a r g e l yp r o d u c e df r o mp e o p l e sc u l t i v a t i o n i n c l u d i n gc r o ps t r a wa n d f o r e s t r yw a s t e t h em a i nc o n t e n ta n dr e l a t e dr e s u l t so nt h i sp a p e rw a sl i s t e da s f o l l o w i n g 1 t h ef u e lc h a r a c t e r i s t i cd i f f e r e n c e sb e t w e e n b i o m a s sa n dc o a lw e r eg r e a t b e c a u s eo ft h eh i 曲r a t i oo fo x y g e n t h eh e a tv a l u eo fb i o m a s sw a sl o w e rt h a nc o a l t h ec o m b u s t i o np r o c e s so fb i o m a s sw a sd i v i d e di n t of o u rs t a g e s p r e h e a t i n ga n dd r y v o l a t i l e sr e l e a s i n ga n dp y r o l y s i s b u r n i n go fv o l a t i l e sa n dc o m b u s t i o no ff i x e dc a r b o n a c c e l e r a t i n gt h es e m i g a s i f yp r o c e s sw a sb e n e f i t e df o ri m p r o v i n gt h ec o m b u s t i o n e f f i c i e n c yo fb i o m a s s t h ep y r o l y s i sa n dg a s i f i c a t i o np r o c e s sw a si n f l u e n c e db yt h e s i z eo ff u e l h e a t i n gr a t e t e m p e r a t u r ea n dr e s i d e n c et i m eo fg a s 2 b a s e do nt h et r a d i t i o n a ls t o v e w ed e s i g n e dab i o m a s ss e m i g a s i f i e ru n d e rt h e d e s i g np r i n c i p l eo fi n d u s t r ys t o v e w i t ht h ec a l c u l a t i o no fb i o m a s sc o m b u s t i o n t h e m a i nd i m e n s i o np a r a m e t e r sw e r ed e t e r m i n e d a n dt h e nd r a wt h ed e s i g np a p e r s a tl a s t w em a n u f a c t u r e dt h ea p p l i a n c e 3 w i t h t h em e t h o do fg b 4 3 6 4 8 4 一z 酚f 西曙m e t h o df o 厂t h e h e a t c h a r a c t e r i s t i c so f f i r e w o o ds t o v e s w et e s t e dt h eh e a te f f i c i e n c yi n d e xo fb i o m a s s g a s i f i e r t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h et o t a le f f i c i e n c yo ft h ef u r n a c ew a su pt o3 6 5 3 a n dt h e r ei sag o o de f f e c t i v e n e s sa n dt h ei m p l e m e n t a t i o nv a l u ei sh i g h m e a n w h i l et h e e f f e c t so fm a i ni n l e t s e c o n d a r yi n l e t f u e la m o u n ta n dc h i m n e yh e i g h t so nh e a t e f f i c i e n c yi n d e xw a st e s t e d u n d e rt h eo r t h o g o n a lt e s t t h ei n t e r a c t i o nb e t w e e nt h o s e f a c t o r so nh e a te f f i c i e n c yi n d e xw a sa l s oc o n s i d e r e d a n di ts h o w e dt h a to n l yt h eh e a t e f f i c i e n c yi n d e xw a sg r e a t l yi n f l u e n c e db yt h ei n t e r a c t i o no fm a i ni n l e tw i t hf u e l a m o u n t 4 t h es i m u l a t i o no fb i o m a s ss e m i g a s i f i e ra i r f l o wf i e l dw a si m p l i e db yt h e s o f t w a r eo fa n s y sc f x c o m p a r e d 诵t hd i f f e r e n tc h i m n e yh e i g h t s t r u c t u r eo f c h a m b e ra n ds e c o n d a r yi n l e t w es t u d i e dt h o s ei n f l u e n c eo na i r f l o wf i e l d w h i c h p r o v i d e dt h ev a l u a b l ei n f o r m a t i o nf o ri m p r o v i n gt h eh e a te f f i c i e n c yo fb i o m a s s u 摘要 s e m i g a s i f i e r 5 s o m er e c o m m e n d a t i o n sw e r em a d ef o rl a t e rr e s e a r c ho nb i o m a s ss e m i g a s i f i e r a l s op r o p o s a la n dp r o s p e c to ni m p r o v i n gt h eh e a te f f i c i e n c yw e r ep u tf o r w a r d u n d e rt h ec o n c l u s i o no ft h er e s e a r c h t h eb i o m a s ss e m i g a s i f i e rh a saw i d e r a d a p t a b i l i t yo nb i o m a s sm a t e r i a l s a n dt h e t o t a lh e a te f f i c i e n c yi sh i g h s oa st h eb e t t e r a p p l i c a t i o nv a l u e s c u r r e n t l yt h er e s e a r c ho n t h eb i o m a s ss e m i g a s i f i e ri no u rc o u n t r y i sr e l a t i v e l ys m a l l s ot h e r ei sal a r g es p a c ef o rt h e o r ya n da p p l i c a t i o nr e s e a r c h k e y w o r d s b i o m a s s c o m b u s t i o n s e m i g a s i f i e r e x p e r i m e n t a l r e s e a r c h s i m u l a t i o no f a n s y sc f x i i i 基于a n s y sc f x 生物质半气化炉的试验研究及模拟 第一章绪论 1 1 研究目的及意义 近年来 化石燃料的大量消耗造成大气中二氧化碳气体的严重积累 全球气 候普遍变暖 随着人们对石油等有限的化石资源越来越多的担忧 利用生物质资 源生产燃料和化学产品的生物转化技术正被人们普遍接受和高度认可 能源短缺问题已经成为全世界各国普遍关注的问题 我国石油资源匮乏 石 油安全问题日益突出 必须找出一条保障能源安全的根本途径和替代方法 同时 大气污染形势严峻 酸雨 温室效益等与使用化石原料有紧密关联的环境问题日 益突出 我国又是生物质资源的大国和富国 大量的草本植物 淀粉 纤维素 木质素 农林畜产品废弃物 食品加工产业废弃物 餐饮废弃物和城市生活垃圾 等生物质都可以利用 发展工业生物技术 并以此取代传统的石化工业 才是改 善环境 源头治理的根本出路 使用可再生的生物质和生物能源已经被我国列为 十一五 规划的战略目标和重点发展方向 史仲平 华兆哲 2 0 0 7 在三大可再生自然资源 太阳能 风能 生物能 中 生物质是唯一物质 性的能源 最具可储存性 因此 生物质具备能够代替化石燃料的能力 也可以 被看成是一种化学原料 生物质以农林水产资源 有机产业废弃物 生活垃圾等 各种形态存在于地球上 它们是中性碳的可再生资源 具有储藏量大 储存性能 强 可以替代其他物质等诸多优点 现今世界 石油价格居高不下 能源 电力供应趋紧 而化石能源和核能 贮量有限且会对环境造成严重的后果 因此 各国政府和科学家对资源丰富 可再生性强 有利于改善环境和可持续发展的生物资源的开发利用给予了极大的 关注 为促进生物质能现代化利用技术更加广泛地应用 许多国家制定了发展目 标并实施了激励政策 生物质能技术取得了很大进展 如欧盟在 可再生能源白 皮书 中提出 到2 0 1 0 年将欧洲可再生能源的利用比列提高一倍t 6 1 与每年约 1 9 0 0 p j 相比 生物质能供应总量每年将增加3 8 0 0 p j 澳大利亚积极投资研究各 种生物质转化技术 在现有煤粉炉基础上采用生物质与煤混合燃烧技术 与生物 质直接燃烧相比 生物质在大型煤粉炉混燃能将效率提高到两倍 纽卡斯尔大学 在生物质利用技术领域处于领先地位 主要开展生物质混合燃烧 生物质气化和 煤 生物质联合气化等 日本的新阳光计划 印度的绿色能源工程 美国的能源 农场和 生物质发电计划 巴西的酒精能源计划等 一个新兴的生物质产业正在 全球范围蓬勃兴起 据专家估计 生物质能源将成为未来能源的重要组成部分 到2 0 1 5 年 全球总耗能将有4 0 来自生物质能源 主要通过生物质能发电和 生物质液体燃料的产业化实现 在2 0 0 4 年制定的国家中长期科技发展规划 2 0 0 5 2 0 2 0 中 农林生物质工程 被列为重大专项之列 并作为国家能源战略 华中农业大学2 0 1 l 届硕士学位论文 的重要组成部分 随着我国经济的快速发展 我国的能源消耗与日激增 加大生物质能源的 开发利用 进行农业生物质能源发掘利用 不仅可解决农民的增收和 三农 问题 还可解决2 l 世纪中国面临的能源短缺 环境污染 食品安全等重大社 会经济问题 乃至为全面建设 小康 社会目标的实现做出重大贡献 即生物质 能源的开发利用直接关系到我国的可持续发展 当今 最有前景的转化技术是直接燃烧 混合燃烧 木材或其他生物质与 其他燃料混合燃烧 增压和常压气化以及热解 直接燃烧主要包括炉灶燃烧 焚烧垃圾 锅炉燃烧压缩成型燃料 联合燃 烧 炉灶燃烧是传统的用能方式 因其效率低 5 1 0 而在逐渐被淘汰 刘 爱兵和刘星剑 2 0 0 6 生物质直接燃烧是生物质能最早被利用的传统方法 它 是在不进行化学转化的情况下 将生物质直接作为燃料燃烧转换成能量的过程 燃烧过程所产生的能量主要用于发电或者供热 据f a o 联合国粮食农业组织 统计 全世界有3 4 个发展中国家的木质燃料和木炭消耗量达到全国总能耗的 7 0 以上 而且1 9 9 9 年全世界6 3 的木材收获量用作木质燃料 其中发达国家 为3 0 发展中国家是8 1 祝学范 杨克美 2 0 0 1 我国农村能源消耗的5 0 来源于生物质能源 而其中主要是生物质的直接燃烧 每年总量高达两亿多吨 由此可见 生物质燃料仍将是发展中国家的主要选择 其中生物质直接燃烧主要 分为生物质作为农用炉灶燃料直接燃烧和生物质作为锅炉燃料直接燃烧 生物质 在农用炉灶中燃烧的热效率一般为l o 1 5 在省柴炉灶中燃烧的热效率为 3 0 左右 生物质作为锅炉的燃料直接燃烧 其热效率远远高于作为农用炉灶燃 料 甚至能接近化石燃料的水平 所以利用生物质作为锅炉直接燃料能大大地提 高生物质能的利用效率 生物质燃料锅炉的种类很多 按燃用生物质的品种不同 可分为 木材炉 颗粒燃料炉 薪柴炉 秸秆炉 按燃烧方式又可分为流化床锅 炉 层燃炉等 生物质作为锅炉燃料与化石燃料 煤 相比具有含氢量稍多 挥发 分明显较多 含碳量少 含固定碳更少 含氧量多 密度较小 含硫量低许多特 点 进入2 0 世纪以来 人类科学技术 经济和社会的发展明显加快 矿物能源 资源得到空前的开发和利用 促进了经济 社会发展 但也带来了极其严重的环 境污染 造成人类生存环境急剧恶化 即使在农村 人们也在逐渐放弃燃用秸秆 做饭的传统习惯 而改用煤与石油液化气等高品位能源 剩余的秸秆等生物质燃 料逐年增多 这些生物质燃料的随意堆放 腐烂发臭和就地焚烧不仅加重了城乡 环境污染 而且极大地降低了空气的可见度 引发了不少空中和陆上交通事故 随着人口增长 工业发展与社会进步 世界性能源短缺日益严重 生态环境 2 基于a n s y sc f x 生物质半气化炉的试验研究及模拟 日益恶化 人类面临着资源与环境的挑战 人类要持续发展 就必须合理和有效 地开发利用新能源 以尽可能减少对自然环境的破坏和污染 保护生态系统和人 类生存环境 为减轻环境污染和防止上述事故的发生 必须做好生物质的综合利 用 因此 本课题致力于广大农村使用的户用型生物质燃烧设备 半气化炉的 设计研究 利用a n s y sc f x 软件进行炉体气流场的数值模拟以及燃烧设备的结 构设计 以改善直接燃烧热转化效率不高 现代生物质半气化炉研究状况经验化 为主的情况 1 2 国内外研究现状 生物质能源转换途径包括直接燃烧 物理转换 化学转换和生物转换 其中 以生物质直接燃烧 生物质固化 生物质热解 生物质气化 生物质液化 生物 质发酵等技术应用更为广泛 何光设 蒋恩臣 2 0 0 5 1 2 1 生物质气化研究现状 在生物质气化炉的研究过程中 生物质在燃烧炉内的气化状态对气化炉的热 效率以及燃烧状态的影响极其重要 生物质气化是生物质在气化装置中通入部分 j 空气 氧或蒸汽 使生物质进行部分燃烧以提供热解所需的热量 从而使生物质 废弃物在高温条件下与气化剂 空气 氧气及水蒸气 发生反应得到可燃气体的过 程 鬃 伴随着气化过程 燃料会出现氧化 还原 干馏和干燥四个阶段 其中氧化 和还原是关键 氧化的份额太高就接近于燃烧 太低反应温度就偏低 只冒浓烟 和水蒸气 气化过程就会变为炭化过程 不能得到气体燃料 合理控制水蒸气在 碧 空气中的比例 就可以使气化反应放热超过重整反应中的吸热 使气化温度维持 在预定的水平下 并能得到较高热值的气体燃料 国内外最常用的气化方法主要有 固定床气化炉 流化床气化炉 携带床气 化炉 李政等 2 0 0 1 通过对德士古燃气化炉数学建模的主要参数进行了计算和分 析 根据气化原理 认为温度升高 引起的效果是 甲烷生成减弱 而甲烷重整 反应加强 因此 燃气中甲烷浓度降低 气化炉出口燃气成分可以看作由两个 过程决定 其一是碳的转换过程 即有多少碳被转化为气体 这一过程大致决定 了燃气中可燃气体的总量 与颗粒停留时间有关 其二是气体成分的变换过程 它最终决定燃气的成分构成 影响上述两个过程的关键参数均是气化温度 宏观 上讲 温度升高 碳转化强度提高 c o 和h 2 呈增多趋势 而c i 1 4 c 0 2 和 h 2 0 则会减少 秦育红等 2 0 0 4 综述了生物质在流化床气化中 操作条件对生物质气化产 华中农业大学2 0 11 届硕士学位论文 品组成的影响 并指出了生物质流化床气化的技术关键 认为在气化过程中 粒 径的大小是影响过程反应速率的主要参数 决定了反应是由动力学控制还是扩散 反应控制 粒径增加 在给定的时间内使粒子内外有很大的温度梯度 温度对气 化产物分布 产品气的组成 产期率 热解气热值等都有很大影响 温度升高可 以提升气体产率 李建芬 2 0 0 7 对生物质气化技术进行了详细的介绍 并对生物质热解气化 过程中所存在的问题进行了剖析 具有较好的应用价值 赵辉 2 0 0 7 针对生物质气流床气化技术难点 利用小型气化系统对木屑进 行了气化试验 重点考察了反应温度和氧气 生物质比对燃气组分 碳转化率 气化产物分布以及残炭特性的影响 陈平 2 0 0 6 对生物质气化发电系统中存在的问题如流化床恶化导致的床料 结渣 如何降低燃气焦油含量 提高气化发电效率及气化炉运行性能模拟4 个方 面进行了研究和探讨 利用人工神经网络 开发了生物质流化床气化人工神经网 络模型 i n a r v a e ze ta l 19 9 6 在0 0 6 m 流化床气化炉中对松木屑的气化特征进行 了探讨 研究了当量比 原料h c 比 气化炉温度 底部和顶部 加入二次风 和白云石等6 个变量改变对燃气成分的影响 j g i le ta l 1 9 9 9 考察了空气 水蒸汽及水蒸汽 氧气3 种气化介质对生物质气化的影响 包括气化产物的分布 气体成分等 p m l ve ta l 2 0 0 4 则研究了松木屑在内径0 0 4 m 流化床中采 用水蒸汽和空气作为气化介质时的气化特征 重点分析了反应器温度 蒸汽 生 物质比 当量比和生物质颗粒尺寸对气体成分 气体产率 蒸汽分解率 燃气低 位热值和碳转化率的影响 a a b o a t e n g e ta l 1 9 9 2 在流化床中对稻壳在水蒸汽作为气化介质的气 化特性进行了分析 j i a n gh m e ta l 1 9 9 2 分别对玉米芯在氮气和空气作为 气化介质在流化床中的热解和气化特征进行了研究 p d f i l i p p i s ie ta l 2 0 0 4 在两段式气化炉中 对甘蔗渣的气化特性进行了探讨 目前 生物质气化技术的商业应用已经成熟 气化燃气的用途主要有供热 供暖 供气 烘干 发电和合成化学物品 生物质气化技术存在的主要问题是 气化气中的焦油净化问题还没有很好解决 这已经成为制约生物质气化技术的主 要因素 另外气化集中供气系统也存在着运行成本偏高 设备折旧偏快的问题 1 2 2 生物质燃烧利用研究现状 直接燃烧主要包括炉灶燃烧 焚烧垃圾 锅炉燃烧压缩成型燃料 联合燃烧 等方面 目前 国外的生物质能技术和装置多己达到商业化应用程度 实现了规模化 4 基于a n s y sc f x 生物质半气化炉的试验研究及模拟 产业经营 以美国 瑞典和奥地利三国为例 生物质转化为高品位能源利用己具 有相当可观的规模 分别占该国一次能源消耗量的4 1 6 和1 0 a k y g u s u z k 2 0 0 2 a k i n b m a i j f ke ta l 2 0 01 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 5t h 1 5 0t h 1 供热锅炉出力为3 6 6 7m w 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 0t 盯1 蒸汽压力为8 7m 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 别如山 李炳熙 陆慧林等 2 0 0 0 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1 0 0t h 1 热功率达8 0m w 别如山 李炳熙 陆慧林等 2 0 0 0 丹麦新建了一台以生物质为燃料的供热锅炉 这台完全自动化的锅炉机组己 开始使用 此锅炉采用组合式结构 供热功率可达1 0 3 0 0k w 并配有燃料储 备仓和所有的必备连接端 在需要安装额外机组时能够保证迅速装配 回彩娟 j 2 0 0 6 东南亚一些国家生物质成型燃料燃烧设备大多数为碳化炉与焦炭燃烧炉 直接用于燃烧生物质成型燃料的设备较少 同时这些燃烧设备存在着加工工艺 差 专业化程度低 热效率低 排烟污染严重 劳动强度大等缺点 乏i 我国在改进燃烧器具 提高热能方面做了一定的研究 一种新型的节能炉灶 燃烧薪材的热效率达2 0 3 0 与旧式传统炉灶相比可节省燃料4 0 5 0 得到了大力推广 截止到1 9 9 6 年全国已有1 7 7 亿用户使用这种节能灶 占总 p 农户的7 6 刘建禹 翟国勋等 2 0 0 1 中国林业科学研究院林产化学工业研 究所开发的颗粒成型燃料专用炉灶 是小型木燃气发生炉和燃烧灶具两部分的组 合 在气化区 利用空气使颗粒成型燃料转变为可燃性气体 木燃气 空气中 的氧与炭发生作用 为保证得到高质量的木煤气 在设计气化炉灶时 必须充分 考虑到应有足够的灼热炭层 在这种专用炉灶中燃烧木片及颗粒成型燃料 其燃 烧的热效率显著提高 超过1 0 专用炉灶使用颗粒成型燃料的热效率为3 0 3 北京万发炉业中心从2 0 0 0 年开始研发农作物秸秆类生物质颗粒燃料燃烧供 暖设并成功地研制出世界上第一台能够连续自动和高效洁净燃烧普通农作物秸 秆颗粒燃料的s w n 1 型生物质自动燃烧器 以其为核心 还制成了暖风壁炉 水暖炉 炊事炉等系列炉具 均取得了满意效果 回彩娟 2 0 0 6 常州综研加热炉有限公司与日本合资开发了一种燃烧木材加工剩余物的大 型锅炉 主要用于大型木材加工厂 人造板生产厂在生产过程中对需要供热的系 华中农业大学2 0 1 1 届硕士学位论文 统进行加热 降低木材加工 人造板生产的成本 回彩娟 俞国胜 2 0 0 5 郭瑞琴等 2 0 0 1 根据生物质燃气的特性 对生物质燃气炉具进行了设计 包括喷嘴 引射器等部件 郭献军等 2 0 0 9 利用生物质微米燃料进行了粉体燃烧炉实验研究 通过测 温系统连续记录各测点温度 分析炉膛的温度分布 保持一次风量不变 改变燃 料量 观察炉膛的燃烧工况 在最优燃料 风量下调试二次风量的大小 找出最 佳一 二次风量的比例 结果表明 当燃料 风量为2 5 0 9 m 3 时 燃烧效果最佳 二次风对燃烧炉的燃烧工况影响很小 舒伟 2 0 0 7 对生物质成型燃料设计的生物质炉 使生物质在炉内气化产生 可燃气 燃气在炉口溢出并完全燃烧 其设计的生物质炉具热效率可达到3 0 并建议为提高炉具的热效率 应主要从排烟热损失 化学不完全燃烧热损失等方 面改造 刘圣勇 2 0 0 3 对秸秆成型燃料的燃烧设备进行了研制 其设计的双层炉排 专用燃烧设备 燃烧效率高达9 8 2 热效率达7 4 4 通过试验 对燃烧设备 的热性能进行优化 这种设备主要采用了双层炉排半气化燃烧方式 解决了层燃 生物质成型燃料燃烧设备冒黑烟 不完全燃烧及易结渣的技术难题 林鹏 2 0 0 8 针对国内主要生物质燃料热解与燃烧的反应动力学特性及气相 产物的形成过程 研究了不同类型生物质燃料在层燃炉中的燃烧特性 分析了影 响层燃炉燃烧的主要因素 为生物质的直接燃烧提供了理论与实验基础 郭勇 2 0 0 5 将生物质进行粉碎 制作成粉体燃料后 设计出粉体燃烧器以 及燃烧炉 研究了这种生物质燃料的燃烧特性 对该粉体燃料进行了小试实验和 中试实验 在粉状燃烧器设计方面 河南农业大学赵明勤 2 0 0 7 针对研究粉状 生物质燃烧模式和特性 进行了粉状燃烧器的设计 通过燃烧试验 对粉状燃烧 器的一些结构参数进行了分析 并建议对粉状生物质燃烧过程进行模拟 可以设 计出高效稳定的适合粉体的生物质燃烧器 1 2 3 燃烧动力学模拟研究现状 李政等 2 0 0 1 建立了一个预测t e x a c o 煤气化炉性能的数学模型 建模采 用 小室模型 方法 将气化炉分为多段 分别建立8 种气体成分 固体和碳质 量平衡以及总体能量平衡 模型详细考虑了气固流动过程以及包括水煤气反应 c 0 2 还原 变换反应等l o 多种均相和异相反应在内的动力学反应过程 该模型 很大程度上可以反映气化炉几何尺寸和结构影响并能计算气化炉主要性能参数 如燃气成分和浓度 温度以及碳转化率等 以及它们的分布特性 而且模型反 映的是有限停留时间条件下尚未达到化学平衡的产物 这与气化炉实际运行情 况更加贴切 但该模型着重考虑的是基于德士古煤气化炉结构上的 并假定气化 6 基于a n s y sc f x 生物质半气化炉的试验研究及模拟 炉内为均匀平流 这与实际差别较大 毛新勇等 2 0 0 0 针对不同形状燃烧室形状对流场进行三维数值模拟分析 可以比较出各种燃烧室的优劣 数值模拟方法为双方程的k 模型以及单方程模 型分别计算大尺度和小尺度湍流模型 将小尺度的湍流的输运方程可以写成守恒 方程的形式 并结合湍能守恒进行计算并划分网格 通过数值分析结果显示燃烧 室内的气流场速度图 该文通过将燃烧室的外型作为边界条件可得到不同燃烧室 类型的缸内流场图 使得柴油机燃烧室的设计先由模拟辅助设计 确定设计方向 然后实验进行验证改进 何旭等 2 0 0 5 也对不同几何形状的燃烧室内气流运动进行了三维数值模拟 其采用的方法为应用s t a r c d 程序进行 对燃烧室形状对室内气流运动进行了分 析 刘向军等 2 0 0 2 对德士古气化炉气化过程进行了数值研究 采用涡量 流 函数法计算气化炉内流场 并引入数性势函数对德士古气化炉炉内两相流动 传 热 燃烧及气化过程进行了数值研究 计算提供详细的气化炉内速度 温度 浓 度分布 湍流模型采用修正的i c 双方程模型 炉内换热采用四通量模型 颗粒 相的模拟采用随机轨道模型 气相控制方程的离散化采用控制容积法 对流项的 离散采用上风格式 扩散项的离散化采用中心差分格式 代数方程的求解采用 g a u s s s e i d e l 迭代法 对于颗粒相的控制方程求解采用g i l l 算法 步学朋等 2 0 0 1 对气流床气化数学模型进行了总结概括 主要分为平衡模 型和考虑气化过程动力学的模型 平衡模型认为气化过程所有化学反应达到平 衡 通过对气化过程质量及能量平衡方程求解得到反应平衡时的燃气组成及平衡 温度 该研究认为平衡模型假定的条件比较理想 只能进行简单的预测 对过程 控制及气化炉的设计参考价值不大 考虑气化过程动力学的模型 经过试验论证 该模型模拟误差小 基本上是成功的 米铁等 2 0 0 5 对生物质焦样进行了气化反应动力学研究 通过马弗炉进行 生物质半焦的制取 试验条件为6 0 0 下脱挥发分 然后在隔绝空气的密闭容器 中冷却 在利用t g a 方法在c 0 2 气氛下 进行了花生壳 谷壳 甘蔗渣和松木 屑4 种生物质半焦的反应动力学研究 并采用容积模型 收缩和放映模型进行实 验数据分析 得出反应动力学参数 阂凡飞和张明旭 2 0 0 5 采用f r e e m a n c a r r o l l f c 法 微分法对生物质的燃 烧动力学的分析 利用一条非等温热分析曲线 这里采用t g 曲线 的数据进行动 力学分析 通过线性回归处理 由比较所得线性关系的优劣来确定最可能的模 式函数 并由直线的斜率和截距求取e 表观活化能 和a 指前因子 的大 小 根据生物质燃烧特性 分别求取挥发分和固定碳两个燃烧阶段的动力学参数 7 华中农业大学2 0 1 l 届硕士学位论文 杨卫娟等 2 0 0 8 采用f l u e n t 软件对锅炉进行三维稳态数值模拟 计算时 气相流动采用k 吨模型 挥发分析出采用双方程模型 焦炭燃烧为扩散动力模型 颗粒的湍流扩散采用随机轨道模型 湍流化学反应用的是p d f 模型 陈宁等 2 0 0 3 利用数值模拟的方法对焙烧炉进行模拟 将其分为两个模型 火道模型和传热模型 分别介绍了这两个模型的几何模型和数学模型 并进 一步说明了这两种模型的耦合和模型参数的取值问题 利用c f d 软件计算得到 流速矢量分布图 温度分布以及浓度分布等 通过气固界面的第三类边界条件对 这两种模型进行了部分耦合 王凤 2 0 0 9 对熔融气化炉内气流分布进行了详细的研究 利用数值模拟方 法对炉内的传输现象建立的数学模型 并利用f l u e n t 软件三维模拟 计算得出炉 内的气流速度场分布和气流压强分布 并对影响气流分布的主要因素进行了剖 析 嵇智勇 2 0 0 8 采用多维模拟的方法 使用t e c p l o t 对数值进行了处理 解决了复杂内燃机内流场的分布和运动形态 河南农业大学马孝琴 2 0 0 2 对生物质 秸秆 成型燃料燃烧动力学进行了 研究 利用热重法在l c t 2 b 差热天平和热重分析仪确定生物质燃烧动力学参数 1 2 4c f x 软件模块的应用 c f x 是全球第一个通过i s 0 9 0 0 1 质量认证的大型商业c f d 软件 是英国 a e at e c h n o l o g y 公司为解决其在科技咨询服务中遇到的工业实际问题而开发 诞生在工业应用背景中的c f