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秸秆固化成型燃料助燃剂研制及燃烧特性试验与模拟研究

来源:论文学术网
时间:2024-08-18 21:43:33
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秸秆固化成型燃料助燃剂研制及燃烧特性试验与模拟研究【摘要】:我国是世界上最大的农业国家,年产各类作物秸秆总量达7.1亿吨。其中,约有40%-50%秸秆未被利用,常被露天焚烧,导致严

【摘要】: 我国是世界上最大的农业国家,年产各类作物秸秆总量达7.1亿吨。其中,约有40%-50%秸秆未被利用,常被露天焚烧,导致严重的大气污染和火灾,秸秆焚烧已经成为全国各地都面临的一大环境问题。通过固化成型技术把秸秆转化成生物质固化成型燃料(Densified biomass briquetting fuel, DBBF)是秸秆能源化利用的有效方法。但是,当DBBF用于小型炊事炉时,存在点不着火、点火时间长和烟气污染等问题,从而严重影响了DBBF的推广和使用。因此,研制经济、有效和环境友好的成型燃料专用引火助燃剂,对解决成型燃料点火难、污染问题及成型燃料炉具的改进具有重要的实际意义。本文针对玉米秸秆固化成型燃料(Densified corn stover briquetting fuel, DCBF)及其LLA-6型生物质半气化炉,研制了多种DCBF引火助燃剂,并对其点火性能和点火特性进行了试验研究与评价、实现了DCBF的快速点燃,并且烟气排放达到了环保要求;同时,还开展了DCBF燃烧特性及其数值模拟方面的研究,获得了一些重要的结论。 1.引火助燃剂研制及其点火特性和烟气排放特性研究。(1)用废机油、废柴油和工业酒精以不同的体积比研制出25种液体助燃剂,通过反复点火试验,综合考虑成本及点火特性等各种因素,初步选定ED15和DA51两种助燃剂做为备选助燃剂,其最佳用量分别为9 mL和8 mL,比不用助燃剂点火速度快30-40倍。(2)对不同用量的助燃剂ED15和DA51引燃过程中的烟气排放情况(包括烟气中的O2、CO2、CO、烟气温度、NO、NO2、NOx、SO2和燃烧效率这9项指标)进行了试验研究,研究结果表明:两种助燃剂烟气排放指标均符合北京市地方排放标准,助燃剂ED15用量为9 mL时污染物排放较低,因此,助燃剂ED15被确定为待推广的助燃剂。 2. DCBF燃烧特性试验研究与分析。(1)利用柴炉热性能试验方法对LLA-6型炉具的热性能进行了测试,结果显示其热效率只有20%,没能达到北京市地方标准(热效率≥35%)。(2)利用热电偶温度传感器和精密天平分别对炉具内各位置的温度和燃烧失重量进行测定。根据所测温度和失重量数据对燃烧过程进行动力学分析。利用“多变混合速率扫描法”得出DCBF在LLA-6型炊事炉中燃烧时的燃烧机理:在快速升温阶段和降温阶段DCBF燃烧符合的三维扩散机理,球形对称,3D,D4,减速形a-t曲线,其积分形式表达式为;在快速升温与温度恒定之间的拐点处和恒定温度阶段DCBF燃烧机理属于化学反应,F2,减速形a-t曲线,其积分形式表达式。(3)利用烟气分析仪对燃烧过程中烟气排放的各种污染物指标进行监测,发现在整个燃烧过程中污染物排放指标均符合北京市地方污染物排放标准。有风条件下的各种污染物排放指标略高于无风条件下的各种污染物排放指标。因此,在无风条件下助燃剂ED15用量为9mL时效果最佳。 3. DCBF燃烧特性的数值模拟。利用Fluent软件和燃烧过程所遵循的基本定律,采用湍流和有限速率等燃烧模型对DCBF燃烧特笥进行数值模拟,结果发现:(1)燃烧炉内CO2浓度为18.4%,在炉口处的CO2浓度为9%左右,排烟管中CO2浓度为6.47%;在助燃器内几乎没有任何化学反应发生,助燃器并没有起到应有的助燃作用,而是起了降低热效率的作用。(2)通过对32种不同改进情况进行模拟,结果表明助燃器通风孔全部关闭时(即没有二次进风)效果最好。助燃器内部温度范围为990-1020K,炉口处最高温度为1020K。没有二次进风时炉口处温度分别比关闭0排、1排、2排、3排和4排通风孔时高19.86%、29.86%、37.67%、39.59%和39.73%。因此,推荐改造最佳方案为不用助燃器,不带二次进风。由助燃器散热及二次进风带走的热损失q2和q3之和为19.21%。将助燃器及二次进风除掉,将助燃器部分直接改为火焰通道,可将原炉具的热效率20%提高到39.21%,可以使热效率提高近1倍,并可使炉具达到北京市地方标准。 综上所述,助燃剂ED15用量为9 mL时引燃DCBF效果最佳,在无风条件下,将LLA-6型炉具助燃器部分改为封闭式的火焰通道,DCBF燃烧效果最佳,热效率可达到39.21%。 【关键词】:秸秆固化成型燃料 助燃剂 燃烧特性 模拟
【学位授予单位】:北京化工大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2010
【分类号】:TK16
【目录】:
  • 摘要6-9
  • ABSTRACT9-19
  • 符号说明19-20
  • 第一章 绪论20-35
  • 1.1 秸秆的产生量20
  • 1.2 秸秆的利用途径20-23
  • 1.2.1 秸秆肥料化21
  • 1.2.2 秸秆饲料化21
  • 1.2.3 秸秆材料化21-22
  • 1.2.4 秸秆能源化22-23
  • 1.3 国内外研究现状23-32
  • 1.3.1 成型燃料技术23-25
  • 1.3.2 炉具发展现状25-26
  • 1.3.3 助燃剂研究现状26-27
  • 1.3.4 成型燃料特性及燃烧机理研究27-28
  • 1.3.5 燃烧模拟研究现状28-32
  • 1.4 研究目的和研究内容32-35
  • 1.4.1 研究目的及意义32-33
  • 1.4.2 研究内容33-35
  • 第二章 生物质固化成型燃料引火助燃剂研制35-56
  • 2.1 试验材料35-37
  • 2.1.1 成型燃料35
  • 2.1.2 助燃剂研制所用原料35-37
  • 2.1.3 分析仪器37
  • 2.2 试验装置37-38
  • 2.3 试验方法38-40
  • 2.3.1 固体助燃剂试验方法38-39
  • 2.3.2 粉末助燃剂试验方法39
  • 2.3.3 液体助燃剂试验方法39-40
  • 2.4 结果与讨论40-54
  • 2.4.1 固体助燃剂引燃情况40-41
  • 2.4.2 粉末助燃剂引燃情况41
  • 2.4.3 液体助燃剂引燃情况41-54
  • 2.5 本章小结54-56
  • 第三章 助燃剂点火过程烟气排放特性研究56-67
  • 3.1 试验材料56-57
  • 3.1.1 成型燃料56
  • 3.1.2 液体燃料56
  • 3.1.3 分析仪器56-57
  • 3.2 试验方法57-58
  • 3.3 结果与讨论58-65
  • 3.3.1 烟气中O_2浓度分析58-59
  • 3.3.2 烟气中CO_2浓度分析59
  • 3.3.3 烟气中CO浓度分析59-60
  • 3.3.4 烟气温度60-61
  • 3.3.5 烟气中NO分析61-62
  • 3.3.6 烟气中NO_2分析62-63
  • 3.3.7 烟气中NO_x分析63-64
  • 3.3.8 烟气中SO_2分析64
  • 3.3.9 燃烧效率64-65
  • 3.4 本章小结65-67
  • 第四章 DCBF燃烧特性试验研究与分析67-92
  • 4.1 试验材料67-68
  • 4.1.1 试验原料67
  • 4.1.2 分析仪器67-68
  • 4.2 试验方法68-69
  • 4.2.1 热效率68
  • 4.2.2 燃烧特性68-69
  • 4.2.3 烟气排放监测69
  • 4.3 结果与讨论69-90
  • 4.3.1 热效率69-70
  • 4.3.2 燃烧特性研究70-76
  • 4.3.3 燃烧炉温度变化76-82
  • 4.3.4 燃烧过程中烟气变化82-90
  • 4.4 本章小结90-92
  • 第五章 燃烧特性的数值模拟92-117
  • 5.1 模拟方法92-94
  • 5.1.1 网格划分93-94
  • 5.1.2 边界条件94
  • 5.2 模型及定律94-102
  • 5.2.1 反应流基本方程94-96
  • 5.2.2 有限速率模型96-97
  • 5.2.3 湍流模型97-100
  • 5.2.4 数值方法100-102
  • 5.3 模拟结果与讨论102-115
  • 5.3.1 燃烧过程烟气分布情况模拟102-110
  • 5.3.2 炉具改进情况模拟110-114
  • 5.3.3 炉具热效率估算114-115
  • 5.4 本章小结115-117
  • 第六章 结论117-120
  • 6.1 结论117-118
  • 6.2 创新点118
  • 6.3 展望118-120
  • 参考文献120-127
  • 致谢127-128
  • 研究成果及发表的学术论文128-129
  • 作者和导师简介129-130
  • 北京化工大学博士研究生学位论文答辩委员会决议书130-131


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