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秸秆成型颗粒燃烧过程的模拟和实验

张政清  
【摘要】:直接燃烧供能依旧是生物质能源的主要利用方式。将生物质压缩成成型颗粒可提高燃烧设备的自动化、降低污染物排放、便于储藏等,已成为生物质燃料的发展方向。生物质成型颗粒燃烧特性的研究对生物质燃烧设备的设计、结构优化等具有指导意义。我国的生物质能资源主要以秸秆为主,为了研究秸秆类成型颗粒的燃烧特性,本文以我国常见的玉米秸成型颗粒为主要研究对象,采用数值模拟与实验相结合的方法研究燃烧温度对生物质燃烧特性的影响。主要工作内容及结果如下:(1)阐述了生物质成型颗粒的燃烧特点,研究了适合颗粒燃烧过程计算的壳层单元划分方法。基于壳层单元划分方法,采用MATLAB编写程序,通过计算生物质灰成型颗粒中钾离子的释放过程表明壳层单元划分方法在模拟计算中是有效的。(2)针对生物质成型颗粒的燃烧特性,建立一种颗粒壳层模型与多维环境模型耦合计算的异维模拟方法。颗粒内部基于壳层法划分单元,用MATLAB编程求解;颗粒外部环境基于多维网格划分单元,用Fluent中现有的成熟模型计算。通过C语言编程扩展两个软件的读写功能,以物理时长为协调条件,实现数据交互,达到协同计算的目的。(3)对生物质成型颗粒燃烧的各个过程进行建模。认为生物质颗粒燃烧过程中的干燥、热解过程为体积反应,统一采用阿累尼乌斯方程描述反应速率。假设热解过程是一个三竞争反应,产物为挥发分、焦油和残炭。并充分考虑了焦油的二次裂解,裂解的产物为挥发分和残炭,其产出比例是温度的函数。采用隐式法对干燥和热解控制方程进行离散,并基于MATLAB编程求解。固相燃烧边界条件为Fluent中计算的颗粒边界数据。假设残碳的氧化反应发生在生物质颗粒热解完成之后。残炭的氧化反应速率受氧传输及化学反应动力参数共同控制,氧传输采用组分输运方程描述,动力参数控制采用阿累尼乌斯方程描述。对残碳氧化反应控制方程的离散化同样采用隐式法。(4)对秸秆单个成型颗粒燃烧过程进行了实验研究,并将模拟结果与实验数据进行对比,以验证本文模拟方法的有效性。以立式管式炉为核心实验设备搭建实验台,进行单个玉米秸成型颗粒的燃烧实验。管式炉内通风风量通过流量计与阀门控制,燃烧过程中颗粒质量用电子天平以悬挂方式连续检测。通过模拟值与实验值的对比发现本文提出的基于MATLAB和Fluent耦合计算秸秆颗粒燃烧过程的异维模拟方法是有效的,模拟相对误差主要范围小于10%。与恒定环境条件假设的模拟方法相比较,耦合计算的模拟方法所计算的结果与实验值更接近,相对误差降低了5%左右。通过实验和模拟计算发现,秸秆颗粒的失重曲线明显分成两个阶段,干燥热解阶段和残碳氧化阶段。由于干燥过程迅速,与热解过程区分并不明显。干燥和热解阶段是失重的主要阶段,失重速率较快。热解过程中残碳的生成量与燃烧温度有关,燃烧温度越高,残碳生成量越少。另一方面,温度越高挥发分的产量越高,意味着在运行过程中需要更多的二次风。残碳燃烧阶段持续时间较长,此阶段决定了燃尽时间的长短。


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