（机械电子工程专业论文）以生物质气为热源的谷物干燥装备及干燥过程研究.pdf

j 摘要 i i i l i m i i i i i i i l l u l l l l l l l m i i i 瑚 y 2 2 5 3 8 01 度等参数对干燥过程的影响 结果表明 初始含湿量较高时 初始阶段的干燥速 率较快 但干燥至相同的水稻含湿量 所用时间会因初始含湿量高而延长 这是 由于初始含湿量高的水稻所需除去的水量多 入口风速的变化对传热传质不会有 很明显的影响 因此干燥速率也不会得到很大的提高 在进口空气温度及进气速 度相同的情况下 干燥介质湿度越小 干燥时间越短 7 通过正交实验得出采用变温干燥时 干燥介质温度对稻谷含水率的影 响作用最大 同时得出了理论最优组合为入口风速为3 9 m s 干燥介质湿度为 0 1 2 干燥温度为5 5 干燥时间为9 h 关键词 生物质气化燃烧数值模拟干燥 硕士学位论文 a bs t r a c t u s i n gt h eb i og a st os u b s t i t u t ec o n v e n t i o n a ld r y i n gs o u r c ei sa ne f f e c t i v ew a y t o r e a l i z et h er e s o u r c eu t i l i z a t i o no ft h ef o r e s t r ya n da g r i c u l t u r a lr e s i d u e s i th a sd o u b l e s i g n i f i c a n c e sb o t hi nl e s s e n i n gr e s o u r c e sp r e s s u r ea n dp r o t e c t i n gt h ee n v i r o n m e n t i n t h i st h e s i s n u m e r i c a ls i m u l a t i o na n de x p e r i m e n tr e s e a r c hw e r ec a r r i e do u to nt h el o w h e a tv a l u eb i og a su s e di ns p e c i f i cs m a l lb i og a sb u r n e r h e a tb a l a n c ec a l c u l a t i o nw a s c a r r i e do u to nt h ec o n t i n u o u sd r y i n gp r o c e s s a tt h es a m et i m e e x p e r i m e n tr e s e a r c h e d o nt h ed r y i n gc h a r a c t e r i s t i c so ft h er i c ew a sp r o c e e db o t ho nt h ev a r i a b l ea n dc o n s t a n t t e m p e r a t u r ec o n d i t i o n s i na d d i t i o n o r t h o g o n a lt e s tw a sc a r r i e do u to nt h ed r y i n g c h a r a c t e r i s t i c so ft h er i c eu n d e rt h ec o n s t a n tt e m p e r a t u r ec o n d i t i o n s t h em a i n c o n t e n t sa n dc o n c l u s i o n sa r ea sf o l l o w s 1 n u m e r i c a ls i m u l a t i o no ft h ec o m b u s t i o nc h a r a c t e r i s t i co ft h eb i og a sw h i c h w a sg o tt h r o u g hu s i n gt h ea i ra st h eg a s i f i c a t i o nm e d i u mw a sc a r r i e do nt h eb a s e so f t h ef l u e n ts o f t w a r e b e s i d e s t h ei n f l u e n c eo ft h ee x c e s sa i rc o e f f i c i e n tt ot h e c o m b u s t i o np r o c e s sw a si n v e s t i g a t e d t h ea x i a lv e l o c i t yd i s t r i b u t i o nt r e n d e dt oa c c o r d u n d e rd i f f e r e n te x c e s sa i rc o e f f i c i e n t s t h ee x i tv e l o c i t ya n dt h em a x i m u mv e l o c i t y i n c r e a s e dw i t ht h ei n c r e a s i n ge x c e s sa i rc o e f f i c i e n t s t h eo u t l e tt e m p e r a t u r ew a s p r o p o r t i o n a lt ot h ee x c e s sa i rc o e f f i c i e n t sw h e nt h ee x c e s sa i rc o e f f i c i e n t sv a l u ei sl e s s t h a no re q u a lt oo n e v i c ev e r s a t h eo u t l e tt e m p e r a t u r ew a si n v e r s e l yp r o p o r t i o n a lt o t h ee x c e s sa i rc o e m c i e n t s 2 o nc o n d i t i o n so ft h es a m ep o w e ra n de x c e s sa i rc o e f f i c i e n t s t h ec o m b u s t i o n c h a r a c t e r i s t i co ft h eb i og a s g a s1 g a s2a n dg a s3 w a sg o tw h e nu s i n gt h ea i r t h e s t e a ma n dt h eo x y g e na st h em e d i u mo fg a s i f i c a t i o n b e c a u s eo ft h ed i f f e r e n t g a s i f i c a t i o nm e d i u m t h ec o m p o n e n t so ft h eb i og a sa r ed i f f e r e n t t h e r e f o r e t h e c o m b u s t i o nc h a r a c t e r i s t i ch a sg r e a td i f f e r e n c e t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h em o r et h e v a l u eo ft h ef u e lg a s t h el o w e rt h ej e tv e l o c i t yw h e ni tw a sc o m b u s t e d t h eh e a tv a l u e o fg a s1w a sl o w e s tb e c a u s et h e r ew a sal o to fn 2i ni t w h e nu s i n gt h e s et h r e et y p e s o fb i og a s t h et e m p e r a t u r eo fg a s2a n dg a s3w a s h i g h e rt h a ng a s1 3 t h ec o m b u s t i o nc h a r a c t e r i s t i co fb i og a sw a sr e s e a r c h e do nas m a l la n dl o w h e a tv a l u eb u r n e r w h e nu s i n gt h ea i ra st h em e d i u mo fg a s i f i c a t i o n t h eb i og a sc o u l d r e a l i z et h es t a b l ea n dc l e a nc o m b u s t i o no nt h eb u r n e r t h eo u t l e tt e m p e r a t u r ew a s a b o u t14 0 0 k s oi tc o u l ds a t i s f yt h en e e do ft h es t e a mb o i l e ra n di n d u s t r i a lf u r n a c e a b s t r a c t g o o da g r e e m e n tw a sg o tb e t w e e nt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o na n dt h ee x p e r i m e n t a l r e s u l t s 4 h e a tb a l a n c ec a l c u l a t i o no ft h ed r y i n gp r o c e s sw a sc a r r i e do u ta n dt h e t h e r m a le f f i c i e n c yo ft h ed r y e ri sr e a c hu pt o5 7 s ot h eh e a tw a s e f f e c t i v e l yu t i l i z e d 5 i nt h ev a r i a b l et e m p e r a t u r ed r y i n gp r o c e s s t h ed r y i n gm e d i u mt e m p e r a t u r e c o u l db er a n g e df r o m6 0t o7 5 c w h e nt h ew a t e rc o n t e n to ft h er i c er e a c h e du pt o 2 0 t h em a x i m u mt e m p e r a t u r eo ft h er i c ew a sl i m i t e db e l o w4 0 ca n dt h et a i lg a s t e m p e r a t u r ec a nh i g h e rb y8 0 ct h a nt h ee n v i r o n m e n tt e m p e r a t u r es oa st or e a l i z et h e s a v i n ge n e r g yi n c r e a s i n ge f f i c i e n c yt a r g e t 6 i nt h ec o n s t a n tt e m p e r a t u r ed r y i n gp r o c e s s t h ei n f l u e n c eo ft h ei n i t i a l h u m i d i t yr a t i o i n l e tv e l o c i t ya n dt h eh u m i d i t yo ft h ed r y i n gm e d i at ot h ed r y i n g p r o c e s sw e r ec a r r i e do u t t h er e s u l ts h o w e dt h a tw h e nt h ei n i t i a lh u m i d i t yr a t i ow a s h i 曲e r t h ed r y i n gp e r i o dl a s t e dal o n gt i m e t h ei n l e tv e l o c i t yh a ds m a l li n f l u e n c eo n t h eh e a ta n dm a s st r a n s f e r o nt h ec o n d i t i o no fs a m ei n l e tt e m p e r a t u r ea n dv e l o c i t y t h el e s sm o i s t u r eo ft h ed r y i n gm e d i a t h es h o r t e rt i m eo fd r y i n g 7 d r y i n gm e d i at e m p e r a t u r eh a dt h eg r e a t e s ti n f l u e n c eo nt h em o i s t u r ec o n t e n t o ft h er i c et h r o u g ho r t h o g o n a lt e s t b e s i d e s t h eo p t i m a lc o m b i n a t i o ni st h a tt h ei n l e t v e l o c i t yi s3 9 m s t h eh u m i d i t yo ft h ed r y i n gm e d i ai s0 12 t h ed r y i n gt e m p e r a t u r e i s55 ca n dt h el e n g t ho fd r y i n gp e r i o di s9h o u r s k e yw o r d s b i o m a s sg a s i f i c a t i o n c 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 d r y i n g 目录 摘要 i a b s t r a c t i 第1 章绪论 1 1 1课题提出背景及意义 1 1 2 生物质气化技术进展与应用现状 2 1 2 1 生物质气化技术进展 j 2 1 2 2 生物质气化技术的应用 4 1 3 生物质气的特性 4 1 3 1 物理特性 5 1 3 2 燃烧特性 5 1 4 燃气燃烧器的分类及特点 7 1 0 1 燃气燃烧器的分类 7 1 4 2 几种燃烧器的特点 8 1 4 3 燃气燃烧器的技术要求 9 1 5 我国燃气燃烧器的技术状况及应用 1 0 1 6 生物质气的燃烧装置 1 1 1 7 干燥技术的发展概况及特点 1 2 1 7 1 干燥技术的发展概况 1 2 1 7 2 干燥技术的特点 1 2 1 8 本课题的研究内容 13 第2 章生物质气燃烧的数值模拟研究 1 4 2 1 物理和数学模型 1 4 2 1 1 物理模型 1 4 2 1 2 数学模型 1 4 2 2 网格划分 边界条件及求解方法 1 6 2 2 1 网格划分 1 6 2 2 2 边界条件 17 2 2 3 求解方法 17 2 3计算结果与讨论 18 2 3 1 过剩空气系数对燃烧的影响 18 2 3 2 不同组分燃气的燃烧特性 2 2 2 4 本章小结 2 5 第3 章生物质气燃烧特性的实验研究 2 6 3 1实验装置 2 6 3 2 实验方法 2 7 3 2 1 实验工况 2 7 3 2 2 实验步骤 2 8 3 3 结果与讨论 2 9 3 3 1 燃气组成对燃烧的影响 2 9 3 3 2 空气量对燃烧的影响 3 0 3 4 数值模拟与实验的比较 31 3 5本章小结 3 3 第4 章生物质气干燥水稻实验研究 3 5 4 1 水稻的干燥机理 3 6 4 1 1 湿空气特性 3 6 4 1 2 稻谷的干燥特性 3 6 4 1 3 稻谷爆腰的产生机理 3 7 4 1 4 稻谷的传热传质特性 3 8 4 2 实验材料和内容 3 9 4 3 实验方法及设备 4 0 4 4 干燥工艺流程 4 0 4 5生物质气谷物干燥装备中的热量衡算 4 0 4 6 干燥实验结果与分析 4 3 4 6 1 干燥介质温度与降水速率的关系 4 3 4 6 2 干燥时间对水稻含水率的影响 4 5 4 6 3 入口风速对干燥过程的影响 4 5 4 6 4 干燥介质湿度对干燥过程的影响 4 6 4 7 正交实验设计 4 7 4 7 1 因素水平的设定 4 7 4 7 2 正交实验分析与讨论 4 7 4 8 本章小结 4 8 第5 章结论与展望 5 0 5 1 结j 沧 5 0 5 2 展望 51 参考文献 5 2 附录 5 2 在校期间发表论文情况 5 8 致谢 6 3 硕士学位论文 第1 章绪论 随着世界经济突飞猛进地发展 人类开始面临以煤 石油为主的常规能源短 缺和环境污染加剧的双重压力 因此加强新能源与可再生能源的研究工作显得尤 为重要 生物质能是唯一可储存和运输的可再生能源 其合理 高效的开发利用 对解决能源危机 减小环境污染有着重要的意义 生物质气化技术是一种高效的 热化学处理技术 它将低品位的生物质转化为高品位的可燃性气体 生物质气化 后所得的低热值燃气可用于供气 供热 内燃机发电及作为合成其它化学品的原 料 其中直接燃烧生物质气提供热量是最简单 最直接的利用方式 它可以直接 替代煤 油等常规干燥热源对粮食进行干燥 但生物质气不同于普通的燃气 其 热值比较低 并且含有少量的焦油 难以稳定燃烧 目前国内针对生物质气燃烧 特性的研究鲜见报道 使用这种低热值生物质气的燃烧器也很少 本课题集合了 生物质气的特点以及整体设备的要求 自行开发了 种d 型生物质气燃烧器 对 生物质气在这种燃烧器中的燃烧特性进行了数值模拟及实验研究 并将这种燃烧 器应用到粮食干燥系统中 利用生物质气燃烧产生的热量作为热源 对粮食干燥 过程进行了研究 具有重要的学术价值和应用前景 1 1 课题提出背景及意义 我国是世界上最大的粮食生产和消费国家 每年总产粮食约5 亿吨 其中稻 谷产量约1 8 亿吨 约占总产量的4 0 1 1 在南方地区 由于温度 湿度 雨量 光照及土地资源等多种原因 稻谷种植以 双季 为主 在稻谷的收获季节 常遇 阴雨天气 据不完全统计 我国每年因不能及时干燥而造成的粮食损失约为5 0 亿公斤 2 1 因此对含水率高于2 1 以上的高水分稻谷及时干燥能有效地减少粮食 浪费 干燥是我国的耗能大户 所用能源占国民经济总能耗的1 2 左右 我国能源 消费结构以煤为主 是世界第一大煤炭生产和消费国 3 1 2 0 0 5 年 我国煤炭消费 量为2 1 4 亿t 占一次能源消费总量的6 8 7 大量燃用煤炭造成了严重的环境 问题 据统计 全国二氧化硫排放总量的9 0 是由燃煤造成的 二氧化硫污染已 成为主要的大气污染源 有三分之一的国土面积受到酸雨污染 生态环境 大气 质量问题突出已严重影响我国经济社会发展和人民生命健康 同时现代社会人类 1 第1 章绪论 征服自然改造自然的能力已经大大增强 对常规能源的开发与利用程度也都达高 度 但是常规能源的储存量有限 而且再生周期又相对较长 加上利用效率不高 浪费严重的现实 如果一味开采与利用 能源危机将会愈发严重 因此寻求一种 新型的能源来代替常规的干燥热源是当务之急的事情 生物质是指有机物中除化石燃料外的所有来源于动 植物能再生的物质 生 物质能则是指直接或间接地通过绿色植物的光合作用 将太阳能转化为化学能固 定和储藏在生物体内的能量 生物质资源产量巨大 地球每年由光合作用产生的 生物质约有1 2 0 0 亿吨 其中仅1 用作能源 但它已为全世界提供1 4 的能源 并成为世界上1 5 亿人口赖以生存的主要能源 在我国 生物质在能源消耗中占 有举足轻重的地位 它仅次于煤而成为第二大能源 在全部能源消耗中约占2 0 特别是在农村能源消费中 生物质能约占生活用能的7 0 4 j 占整个用能的5 0 总量约有6 亿吨用作能源 将生物质通过气化得到的生物质气进行燃烧 其燃烧 状态 稳定性等性能与天然气 柴油 煤等无明显差异 因此用生物质气代替常 规的干燥热源是本课题的研究目标 1 2 生物质气化技术进展与应用现状 1 2 1 生物质气化技术进展 生物质气化是通过气化装置 利用空气或者含氧物质作为气化剂 在不完全 燃烧的条件下将固态生物质原料转换成使用方便而且清洁的高品位的可燃气体 的过程 生物质气化技术是生物质能利用技术的主要方法之一 且越来越得到重 视 主要原因是 1 气化技术对于原料的种类没有严格要求 城市固体废弃物 农业 林 业废弃物都能气化 2 气化产气可作多种用途 如供热发电 生产合成气 甲烷 氢等 3 与生物质热解和直接燃烧相比 气化气的利用污染少 4 生物质气化发电能提高发电效率 采用燃气发动机或燃气轮机的生物 质气化发电供热技术 其发电效率可达2 0 3 7 而采用汽轮机的生物质直接 燃烧发电技术的发电效率仅1 5 0 旷1 8 如果生物质气用于燃气电池发电 发电 效率可进一步提高至2 5 5 0 生物质气化技术已有1 0 0 多年的历史 早期的生物质热解气化技术主要是将 2 硕士学位论文 木炭气化后用作内燃机燃气 2 0 世纪7 0 年代 美国 日本 加拿大 欧盟等就 开始了生物质热裂解气化技术研究与开发 到2 0 世纪8 0 年代 美国就有1 9 家 公司和研究机构从事生物质热裂解气化技术的研究与开发 美国可再生能源实验 室 n r e l 和夏威夷大学也在进行生物质气联合循环 i g c c 的蔗渣发电系统的研 究 5 加拿大1 2 个大学的实验室在开展生物质热裂解气化技术的研究 6 德国鲁 奇公司建立了1 0 0m wi g c c 的发电系统示范工程 7 瑞典能源中心利用生物质 气化 联合循环发电等先进技术在巴西建一座装机容量为2 0 3 0m w 的蔗渣发 电厂 8 荷兰特温特 t w e n t e 大学进行流化床气化器和焦油催化裂解装置的研究 推出了无焦油气化系统 9 最近 美国西肯塔基大学研究者开发了一种新型的生 物质空气气化生产高热值低焦油燃气技术 1 们 在流化床上能够生成约3 o m 3 l g 的可燃气体 热值为5 m j m 3 气体中h 2 c o c h 4 的体积分数分别达到9 2 7 9 2 5 4 2 1 焦油含量小于1 0 m g m 3 系统的碳转化率和气化效率分别在8 7 1 和5 6 9 以上 国外的生物质能技术和装置多实现规模化产业经营 以美国 瑞典和奥地利三国为例 分别占该国一次能源消耗量的4 1 6 和1 0 在美 国 生物质能发电的总装机容量已超过1 0 0 0 0m w 1 2 j 单机容量达1 0 2 5m w 1 9 9 9 年 瑞典地区供热和热电联产所消耗的能源中 2 6 是生物质能u 3 j 近年来 国内科研单位加大了生物质气化方面的研究力度 也取得了明显进 展 中国科学院广州能源研究所在循环流化床气化发电方面取得了一系列进展 已经建设并运行了多套气化发电系统 1 5 1 7 西安交通大学着重于生物质超临界 催化气化制氢方面的基础研究 1 8 中国林业科学院林产化学工业研究所在生物质 流态化气化技术 内循环锥形流化床富氧气化技术方面取得了成果 1 9 天津大学 着重于生物质流化床快速热解 催化蒸汽重整制氢及催化气化技术的开发研究 目前正在进行生物质流化床高效气化供气系统的开发 2 呲1 中国科技大学进行 了生物质等离子体气化 生物质气化合成等技术的研究 2 2 清华大学进行了生物 质流化床的热解气化及气化过程的混合神经网络模型研列2 3 2 4 山东大学开发 了下吸式固定床气化技术 2 5 山东省科学院能源研究所开发了低焦油二步法气化 技术 2 6 浙江大学对双流化床气化技术进行了研究 并开发示范了中热值气化供 气与发电装置 2 7 2 8 同济大学进行了生物质固定床气化过程的研究 2 9 此外 哈尔滨工业大学 上海交通大学 中国科学院山西煤炭化学研究所 江汉大学 华南理工大学 太原理工大学 河南省科学院能源研究所等单位也取得了一些特 3 第1 章绪论 色性的研究进展 3 0 3 1 南京工业大学近年来开始开展生物质气化技术的研究 朱跃钊教授领导的团队在大规模的固定床生物质气化发电技术方面取得了进展 目前5 0 0 k w 固定床气化发电系统已经安装调试成功 已得到国家高技术研究发 展计划 8 6 3 计划 编号 2 0 0 8 a a 0 5 2 2 0 7 的资助 张红教授开发研究了热管 式生物质气化炉 此外 还有众多高校和科研单位也取得了一些特色性的研究进 展 1 2 2 生物质气化技术的应用 从8 0 年代初开始 经过2 0 多年努力 我国生物质气化技术日趋完善 我国 自行研制的生物质气化集中供气系统和户用气化炉产品进入实用化实验及示范 阶段 形成了多个系列的炉型 可满足多种原料的气化要求 目前 国内生物质 气化系统的开发应用主要有气化烘干 气化发电 家用燃气集中供气几个方面 3 2 生物质气化发电已经进入试点示范阶段 3 3 1 国内一些研究单位和企业在气化炉研 制和应用方面取得了一定的成果 见表1 1 国外生物质气化技术主要应用于发 电 区域集中供热 生物质气化合成甲醇 氨等 与国内相比 突出的特点是技 术比较成熟 规模化应用 达到商业化水平 3 4 1 表l l 生物质气化典型应用技术 垒鱼 堡垒 垒巳巳堑 垒垒q 旦 塑垫翌殳 旦g y 里 垒i 里里箜 曼箜i 鱼里堂i 旦翌 类型型号 热输出 k j h 用途 研究单位 4 硕士学位论文 1 3 生物质气的特性 1 3 1 物理特性 生物质气是一种特殊的燃气 其特点是热值低 比重大 含有一定量的氧气 不同于一般的城市燃气 生物质气化原料的元素组成和热化学特性不同 气化得 出的生物质气会有一定的差异 不同的炉型结构 气化方式和原理也会导致生物 质气的成分发生较大的变化 据统计 3 5 以空气为气化剂的生物质气 其燃气组 分一般在表1 2 所列范围内 表1 2 生物质气组分 垦 圣g q 翌巳q i i q 望 q 垒i qg 垒 一 成分h 2 c o c h 4 c 0 2 0 2 n 2 含量 1 3 0 1 9 0 1 8 6 1 9 8 2 o 5 1 0 6 1 8 20 2 1 34 4 1 5 3 2 根据上表所列生物质气成分 可以计算出其物性参数 如表1 3 所示 表1 3 生物质气物性参数 旦坠 旦旦y 也垒 巳塑墅皇 呈堡垒 坠i qg 箜 物性参数 低位热值 m j m 3 高位热值 m j m 3 绝对密度 k m 3 相对密度 数值 4 6 6 5 64 9 5 7 1 31 0 8 9 1 1 8 30 8 4 2 6 0 9 1 4 6 由表1 2 可以看出 生物质气主要燃烧成分是c o 和h 2 及部分烃类 其容 积百分比通常为3 1 6 3 8 8 其它非可燃成分主要为c 0 2 n 2 0 2 含量较大 达到6 1 2 6 8 4 由表1 3 看出 生物质气的低位热值为4 6 0 0 6 5 6 0 k j m 3 比城市煤气低6 0 左右 其密度比空气小 由于生物质气热值较低 可燃成分少 c 0 2 n 2 非可燃成分高 因而对其燃烧特性影响较大 1 3 2 燃烧特性 生物质气的燃烧特性参数见表1 4 表1 4 生物质气燃烧特性参数 垒 堡塑垒坐翌巳坚垒里呈 皇堡旦 坠里垫墨 i qg 箜 燃烧参数华白数 m j m 3 燃烧速度指数理论空气量 理论烟气量 m 3 m 3 m 3 m 3 数值4 9 0 8 6 9 9 9 2 6 3 60 9 2 3 3 7 0 1 7 9 8 2 1 3 5 1 生物质气的着火温度 生物质气中主要可燃成分c o 在h 2 和h 2 0 存在的条件下的燃烧属于分支链 式反应 大量c 0 2 n 2 等气体存在时燃烧反应链中的活性粒子失活 引起燃烧 速率降低甚至终止 由此导致了生物质气的点火温度增高 同时由于生物质气成 5 第1 章绪论 分的不稳定也造成了燃气点火温度的多变性 相关文献研究表明生物质气的点燃 温度在6 0 0 7 0 0 c 左右 36 1 2 生物质气的着火浓度极限 燃气燃烧必须具备两个条件 一是要与空气或氧混合 二是要有点火源 只 有燃气和空气混合物中的燃气浓度在一定范围内时 火焰才能在其中传播 超出 这个浓度范围 燃气就不能着火 燃气在可燃混合物中能够正常着火的最大和最 小浓度称为着火浓度极限 当密闭空间内的可燃气体处于着火浓度极限范围内 时 引入点火源 可燃混合物几乎是在瞬间完成燃烧而形成爆炸 因此着火浓度 也称为爆炸极限 其最小浓度称为着火浓度下限 爆炸下限 最大浓度称为着 火浓度上限 爆炸上限 生物质气的着火浓度极限三 可按下式算出 o o f 望 二 巡i 二嘻 1 0 0 1 1 y 季 1 0 0 y 玉 型一 一l l l i1 0 0 一d x i 一不考虑惰性气体时各单一可燃气体成分的体积百分数 厶一不考虑惰性气体时各单一可燃气体的着火浓度极限 上限或下限 d 惰性气体在生物质气中所占的体积百分数 表1 5 单质可燃气体的着火浓度极限 3 7 1 旦垒皇 曼 g q 些旦翌堕坐i 旦旦 i 翌i q i 翌g 曼里 旦坐呈望堕鱼里 g 箜 气体着火浓度极限气体含量 h c o c h d c 2 h 4 4 0 7 5 9 1 2 5 7 4 2 5 0 1 5 0 2 7 3 4 o 将表1 5 中的参数代入式 1 1 可得 生物质气的着火浓度下限为1 5 9 上限为8 0 4 9 3 火焰传播速度 火焰传播速度与可燃混合物的性质 浓度 温度 压力等因素有关 可燃混 合物的导热系数越大 则火焰传播速度就越大 3 引 对生物质气 含有导热系数较 大的氢气较多 因而火焰传播速度较大 在相同的空气系数 可燃混合物预热温 度下 h 2 的火焰传播速度远大于c o 和c h 4 的 当空气系数为1 0 5 时 h 2 的传 播速度为1 6 4 m s c o 为0 2 8 m s c h 4 是o 3 2 m s 若将可燃混合物预热至2 0 0 c 6 硕士学位论文 速度分别为6 m s l m s c h 4 的0 6 m s 正是火焰传播速度的巨大差异 导致了 生物质气互换时易产生离焰 生物质气的火焰传播速度用下式计算 州 峥o o 啪q 鸶 u 燃气的火焰传播速度 m s 一混合气体中 的体积百分数 c o 一混合气体中c o 的体积百分数 u 一各单一可燃气体的最大火焰传播速度 m s z 一可燃混合气体中 不含惰性气体 单一可燃成分的体积百分数 一对于各单一可燃气体一空气混合物中 达到最大火焰传播速度时 该可燃气 占混合物中的体积百分数 将相关参数代入式 1 2 计算得出生物质气火焰传播速度为0 8 8 4 r n s 4 燃烧反应速率 生物质气燃烧反应速率 对组织和控制燃烧过程有重要意义 如果燃烧反应 速率过低 则生物质气在燃烧装置逗留期间不能使燃气完成燃烧过程 将导致燃 气燃烧不完全 对生物质气来说 影响燃烧反应速率的因素主要是温度和混合气 的配比 控制一次空气系数可以达到控制混合区温度与配比的问题 由于生物质 热值较低 可燃气含量少 因而要达到相同热负荷时 生物质气体积耗量大 火 焰温度低 单位容积热负荷强度低 火焰稳定性较差 1 4 燃气燃烧器的分类及特点 1 4 1 燃气燃烧器的分类 燃气燃烧器的类型很多 分类方法也各不相同 要用一种方法来全面反映燃 烧器的特性是比较困难的 现介绍几种常用的分类方法 1 按燃烧方法分类 扩散式燃烧器一燃烧所需要的空气预先不与燃气混合 一次空气系数口 o 大气式燃烧器一燃烧所需要的部分空气预先与燃气混合 一次空气系数 口 o 2 0 8 7 第1 章绪论 完全预混式燃烧器一燃烧所需要的全部空气预先与燃气充分混合 一次空气 系数 口 1 0 5 1 1 0 2 按空气的供给方法分类 引射式燃烧器一空气被燃气射流吸入或燃气被空气射流吸入 自然供风燃烧器 靠腔膛中的负压将空气吸入组织燃烧 鼓风式燃烧器 用鼓风设备将空气送入炉内组织燃烧 3 按燃气压力分类 低压燃烧器 燃气压力在5 0 0 0p a 以下 高压燃烧器 燃气压力在 0 5 3 0 1 0 4p a 之间 另外 还有一些特殊功能的燃烧器 如浸没式燃烧器 高速燃烧器和低n o 燃烧器 1 4 2 几种燃烧器的特点 1 扩散式燃烧器 空气在燃烧时供给 按空气供给方式 可分为自然供风式和鼓风式 自然供 风式依靠自然抽力或扩散供给空气 多用于民用 优点 a 燃烧稳定 不回火 b 结构简单 制造方便 c 操作简单 易于点火 无需鼓风 d 可利用低压燃气 燃气压力为2 0 0 4 0 0 p a 时 仍正常工作 缺点 a 燃烧热强度低 火焰大 需较大燃烧室 b 容易产生不完全燃烧 经济性差 c 过剩空气系数大 燃烧温度低 鼓风式扩散燃烧器 只是所需空气由动力风机供给 其它方式仍与自然供风 式扩散燃烧器相似 3 9 1 优点 a 结构紧凑 占地少 b 热负荷调节范围大 调节系数一般大于5 c 可预热燃气或空气 预热温度甚至可接近着火温度 d 要求燃气压力低 e 易实现燃气一煤粉 油一燃气混烧 缺点 a 需鼓风 耗费电能 r 硕士学位论文 b 容积热强度较完全预混式小 火焰长 需大的燃烧室容积 c 本身不具备燃气与空气成比例变化的自动调节特性 最好配自动调节装 置 2 大气式燃烧器 大气式燃烧器又称引射式预混燃烧器 应用十分广泛 其燃烧所需空气与燃 气在燃气燃烧前已有一定混合 燃烧同时又吸收扩散进来的空气 它由头部和引 射器两部分组成 其工作原理是燃气在一定的工作压力下以一定流速从喷嘴喷 出 依靠燃气动能产生的引射作用吸入一次空气 在引射器内燃气与空气混合后 从排列在头部的火孔流出进行燃烧 这种燃烧器的一次空气系数o c r pc t x kc x k 湍动粘度 可以表示成k 和 的函数 即 以 肛 竺 2 2 6 其中c u 为经验常数 2 燃烧模型 在能源 动力 航空和航天等工程领域 经常遇到的实际燃烧过程几乎全部 都是湍流燃烧过程 在湍流燃烧中 湍流流动过程和化学反应过程有强烈的相互 关联和相互影响 湍流通过强化混合而影响着时均化学反应速率 同时化学反应 放热过程又影响着湍流 如何定量地来描述和确定这种相互作用是湍流燃烧研究 的一个重要内容 湍流燃烧问题是流动与燃烧之间的耦合问趔5 引 本模拟中燃料和氧化剂未经混合就进入燃烧室进行反应 因此属于扩散燃 烧 在此采用了平衡混合分数 p d f 模型 d e s c r i p t i o no ft h ee q u i l i b r i u mm i x t u r e f r a c t i o n p d fm o d e l 在这种方法中 不必求解每一个组分输运方程 而是解 一个或两个守恒标量 混和分数 的输运方程 然后从预测的混合分数分布推导 出每一个组分的浓度 通过求解混合物分数的瞬态分布来确定快速反应流体的化 1 5 第2 章生丝堕圣鉴塑鲨鳖堕墼篁壅塑堑塞 学特性 如各组分的质量分数 密度和温度的瞬时值等 在该模型中 用概率密 度函数p d f 来考虑湍流效应 该模型不要求用户显式地定义反应机理 而是通过 火焰面方法或化学平衡计算来处理 因此比有限速率模型有更多的优势 该模型 适应用于非预混燃烧 湍流扩散火焰 可以用来计算燃烧室中的燃烧 6 0 1 3 辐射模型 f l u e n t 可以计算的辐射换热问题包括火焰辐射 表面的辐射加热或冷却 辐射 对流和热传导的耦合换热问题 空调 通风设备中通过窗户的辐射换热 汽车车厢内的热交换分析 玻璃加工 玻璃纤维拉丝和陶瓷加工过程中的辐射换 热问题等 f l u e n t 中可以用五种模型来计算辐射换热问题 这五种模型分别是 离散换热辐射模型 d t r m p 1 辐射模型 r o s s e l a n d 辐射模型 表面辐射模 型 s 2 s 和离散坐标 d o 辐射模型 6 1 p 一1 模型的辐射换热方程式一个计算相对较小的扩散方程 同时模型中包含 了散射效应 在燃烧等光学厚度较大的计算问题中p 1 模型的计算效果比较好 6 2 1 2 2 网格划分 边界条件及求解方法 图2 2 模型网格划分 f i g 2 2m e s hd i v i s i o no fm o d e l 2 2 1 网格划分 网格划分在f l u e n t 前置软件g a m b i t 中进行 首先根据燃烧器结构尺寸 进行建模 然后划分网格 考虑到整体结构的复杂性 均采用非结构化四面体网 格 整个模型共生成8 0 万网格 网格数量满足计算精度需要 整体模型网格划 分图如图2 2 所示 1 6 硕士学位论文 2 2 2 边界条件 1 入口边界 入口边界条件即第一类边界条件 主要用于设置流动边界的速度 温度 压 力 温度 压力湍流量 质量分数 用户标量的分布 入口条件主要包括速度入 口 压力入口和质量入口条件 本论文中空气 燃气流量已知 因此选用速度入 口条件比较合适 速度入口边界条件需要输入量包括 速度大小 方向或各速度 分量 周向速度等 入口边界湍流特性根据水力直径现和湍流强度 的组合取 值 i 三o 1 6 r e d 1 墙 2 3 d e 了2 a 2 2 4 其中 r h 为流道截面积a 与润湿周边长s 之比 r e 为水力直径雷诺数 心d h 2 p d 删p o 2 出口边界 出口边界条件包括压力出口条件 无限远处压力条件和流出边界条件 压力 出口条件适合于出口处静压值己知的情况 而且在出口处有反流存在时 用此边 界条件可以加快收敛速度 无限远处压力条件用于可压缩流体的流动 模型无限 远处可压缩流体的自由流动 流出边界条件在出口处的压力和速度都未知时 而 且是完全发展流的情况下 可采用此条件 本文选用压力出口边界条件 根据实 际工况条件设置静压值为 2 0 p a 3 壁面边界 对于黏性流动问题 f l u e n t 默认设置是壁面无滑移条件 对于壁面有平移 或旋转运动时 可以指定壁面切向速度分量 也可以给出壁面切应力从而模拟壁 面滑移 根据流动情况 可以计算壁面切应力和与流体换热情况 壁面热边界条 件包括固定热通量 固定温度 对流换热系数 外部辐射换热与对流换热等 本 文模拟中选用无滑移条件 根据实际工况条件设定为定温壁面 温度为6 0 0 k 2 2 3 求解方法 采用分离求解器计算 压力项与速度项的耦合采用s i m p l e 6 3 1 算法 基本控 制方程采用有限体积法 6 4 进行离散化 控制方程的离散采用一阶迎风格式 给定 求解初始温度6 0 0 k 应用f l u e n t 自带的自适应网格方法减小温度计算误差 第2 章生物质气燃烧特性的数值模拟研究 计算收敛后以温度梯度为基准对网格质量进行改善 并继续计算直到再次收敛 判断计算收敛与否主要看迭代残差是否降到指定值 出口变量是否随计算改变 进出口质量 能量是否守恒 2 3 计算结果与讨论 2 3 1 过剩空气系数对燃烧的影响 过剩空气系数 a 是影响燃烧器燃烧情况的一个重要因素 a 表示为 t 一 z 磊嚣 p 5 一 iz 一1 l 一 理论需要空气量 p 叫 表2 2 使用燃气1 时不同过剩空气系数下的计算结果 t a b 2 2t h er e s u l t so ff u e lg a s1i nd i f f e r e n ta i 皇苎 箜 里旦呈堑 呈坐 工况过剩空气燃料入口流量实际空气入口流 燃料入口流速实际空气入口 系数 m 3 h 量 m 3 h a m s 流速 m s 本文以自行研制的小型生物质气燃烧器为模型 分析过剩空气系数口变化对 燃烧过程的影响 在燃烧器结构 燃气组分保持不变的基础上 研究了以空气作 为气化介质得到的燃气 燃气1 燃烧时 过剩空气系数变化对燃烧器内速度场 温度场以及c o 质量分数分布的影响 相关计算结果如表2 2 所示 图2 3 为不同过剩空气系数下燃烧室中心截面流线图 从图中可以看出 燃 烧过程中产生的高温烟焰以较高的速度喷入燃烧室中 在射流作用的影响下 燃 烧室近壁面处形成一个负压区 拉动燃烧室顶部烟气向底部回流 在燃烧室内形 成烟气回流 随着过剩空气系数的增大 射流影响越来越强烈 烟气回流强度也 逐渐增强 这一方面有利于部分未燃尽的燃料重新回流到燃烧室底部进行燃烧 另一方面能有效地降低燃烧核心区的温度 提高燃烧室内温度分布的均匀性 图2 4 为不同过剩空气系数下燃烧室中心轴线上速度分布 从图中可以看出 不同过剩空气系数条件下 燃烧室内速度分布整体趋势相近 在阻力作用下 速 度分布呈单调递减的趋势 到达燃烧室出口时 由于出口截面积突然变小 速度 又有所增大 过剩空气系数变化直接影响了流入燃烧室内的空气量 随着过剩空 1 8 硕士学位论文 气系数的增大 相同时间内流入燃烧室内的空气量增加 燃烧过程中烟焰的喷出 速度也随之增大 射流作用越来越强烈 图2 5 为不同过剩空气系数下燃烧室中心轴线上c o 质量分数分布 从图中 可以看出 在距离燃烧室底部较短的距离内 c o 质量分数急剧降低 燃烧过程 主要在这一区域内进行 到达燃烧室内1 1 m 左右高度后 c o 质量分数基本保 持恒定 当口 o 9 5 时 燃烧过程中实际空气量少于理论空气量 燃气未能完全 燃烧 当a 1 时 燃烧过程中实际空气量等于理论空气量 但由于燃气与空气 不可能完全混合 仍有部分燃气未能完全燃烧 当a 1 0 5 1 1 0 1 2 0 时燃气均 可完全燃烧 随着过剩空气系数的增大 燃烧速度越快 燃烧在较短的距离内即 可完成 a 口 o 9 5 b 口2 1 0 聪 转镯18 2 e 0 1 16 9 e 0 1 5