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生物质与煤混烧特性及数值模拟研究

杨明娟  
【摘要】:与直接燃烧相比,生物质与煤在原有燃煤工业锅炉中进行混合燃烧,可有效的利用可再生清洁能源生物质,具有很好的环境效益,同时对锅炉的改造成本低,燃烧具有更高的效率,对混烧研究方法有两种,一是进行实验,二是利用计算机通过数值模拟进行研究,对于大型的工业锅炉,实验耗费大量的成本和人力,所以在目前混烧技术不完善的情况下,可通过数值模拟方法对生物质与煤的混烧进行初步的研究。本文首先在0.3MW单角炉内进行生物质与煤混烧实验,对燃烧火焰温度及燃烧产物进行测试及常规分析,发现在煤粉中掺混生物质能够降低煤的着火温度,但整体温度有所下降。随着木屑的比例增大,炉膛燃烧NOX的生成减少,燃料的燃烧更加完全,灰熔点温度逐渐减少,但即使是当木屑占整体燃燃料量的热值的20%时,灰熔点依然较高,对锅炉燃烧中的结焦性影响较小。其次对单角炉建模,在fluent中针对实验的工况进行数值模拟,将模拟结果与实验结果进行对比,确定合适的模型和参数,最终气相湍流采用k-ε模型,气相燃烧采用双混合分数/概率密度函数(PDF)模型,对于颗粒相采用拉格朗日随机跟踪模型,煤颗粒挥发分析出采用双匹配速率模型,生物质颗粒挥发分析出采用单反应速率模型,煤和生物质焦的燃烧采用扩散/动力学模型,辐射模型采用p-1模型。最后针对某一300MW工业锅炉进行生物质与煤混烧模拟,研究不同的掺混比,燃料不同喷入位置,不同的生物质类型对炉内燃烧和污染物排放情况的影响。模拟发现:掺混比越大,炉内温度越低,生物质的掺混比例不宜超过10%;在生物质与煤粉混合均匀后喷入,从下三层喷口喷入煤粉上层喷口喷入生物质和下三层喷口喷入煤粉上层喷口向上倾斜5°喷入生物质三种喷燃方式,燃料第三种喷入方式炉膛内温度充满度好,NOX排放量更低。混烧木屑、稻草、谷壳三种不同生物质结果比较发现三者温度相当,木屑的氮含量更低,NOX浓度也相应的降低。在本文的300MW四角切圆锅炉中最终选取在布置有sofa风的锅炉内进行木屑掺混比10%,煤粉在燃烧器下层喷口喷入,木屑粉从燃烧器上层向上倾斜5°喷入炉膛进行生物质与煤的混烧,该喷燃方式与原燃煤锅炉相比,折焰角处温度能够得到保证,而NOX浓度降低299mg/m3,具有很好的经济与环境效益。本文的研究过程和结论对大型燃煤锅炉生物质与煤掺烧的数值模拟、试验和应用具有借鉴意义。


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