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秸秆打捆燃料清洁燃烧设备的数值模拟与优化设计

张品  
【摘要】:我国不可再生能源生产量排在世界第三位,能源消耗量排在第二位,社会经济的日益发展使能源缺口和环境的压力不断增大,若不能很好的解决能源问题,将阻碍我国经济发展前进的步伐。资源丰富、清洁环保的生物质能成为可替代化石能源的可再生能源之一,生物质能既缓解能源紧缺问题又能改善大气环境质量,具有极佳的环境效益与经济效益,我国秸杆资源丰富,每年却有大量秸秆被焚烧,造成极大的污染和浪费,秸秆打捆燃料因为密度适中、易运输存储、生产高效方便,成为秸秆燃烧利用技术的主要发展方向。我国秸秆打捆燃烧的生物质锅炉研发还处于起步阶段,针对秸秆打捆燃料缺乏燃烧特性研究,本文通过搭建小型秸秆打捆燃烧试验台,对秸秆打捆燃料燃烧过程中,燃料的燃烧特性、燃烧过程以及燃烧动力学特性进行分析研究,为秸秆打捆燃料燃烧设备的设计提供理论指导,并针对秸秆打捆燃料特性,通过热力计算、燃烧产物计算,炉排选择及计算,热平衡及炉膛结构等计算,开展秸秆打捆燃烧锅炉的设计及锅炉的二级除尘系统设计。长久以来,炉膛和炉拱都依赖于经验设计,配风也常常由司炉人员根据经验进行调节,存在很大的盲目性,导致燃烧效率不高,尤其是利用数值建模模拟生物质锅炉燃烧,进行炉膛结构及燃烧优化开展的不多,针对燃烧优化设计缺乏理论预测的问题,本文通过基本流体方程,结合秸秆打捆燃料燃烧的过程,建立秸秆打捆燃烧锅炉的燃烧数值模型,该模型主要由两个部分组成,分别是床层多孔介质模型和炉膛气相燃烧模型,二者通过UDF编程进行流动传热耦合。本文将模型用于炉拱和配风优化分析,首先分析了不同前拱倾角、后拱倾角以及后拱长度覆盖率对炉内燃烧的影响,确定了前拱倾角50°,后拱倾角30°,后拱覆盖率50%的方案最佳。其次研究了尽早配风和推迟配风两种不同配风方式对炉内燃烧的影响,并对推迟配风的四种风量分配方案进行分析比较,确定推迟配风方式,风量配比为5%、5%、40%、40%、10%时,最有利于燃料的燃烧。然后对二次风的布置以及不同一二次风的配比进行模拟分析,得到一二次风的最佳配比,当一二次配风比在6:2:2时炉膛燃烧工况较好。设计完成后,按照锅炉的加工工艺,制造出秸秆打捆燃料燃烧设备,并开展了秸秆打捆燃料燃烧设备运行试验,测试了燃烧设备燃烧性能和污染物排放,结果表明,该锅炉燃烧效率达到80%以上,满足设计要求,往复炉排、多拱炉膛结构与各受热面较好匹配,锅炉设计合理,排烟中CO、CO_2和NO_X含量均符合环保指标,具有较高的环保效益,为秸秆打捆燃料的推广应用和秸秆打捆燃烧技术的完善奠定理论基础并提供科学指导。


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