秸秆富氧催化燃烧特性及其直燃炉排锅炉炉拱设计和优化运行

摘要

本文针对秸秆的热解和燃烧特性进行了实验研究，对影响秸秆燃烧性能的因素进行了分析，采用CFD技术对秸秆直燃炉排锅炉进行数值模拟和分析，并在此基础上对秸秆直燃炉排锅炉进行炉拱优化设计和运行优化计算，得到主要研究结果如下：
　　 1．通过热重实验，得到秸秆的热解和催化热解反应的动力学参数。
　　 结果表明：秸秆热解可分成两个阶段，第一阶段反应剧烈，秸秆中可热解物质转化率约为77％；秸秆无催化剂时热解初始温度为290℃，但秸秆和催化剂（CaO、CuO、NiO和MgO）混合时其热解温度降低，初始温度范围为154～276℃。
　　 2．对稻草和小麦秆以不同的升温速率在不同的氧气浓度下的燃烧特性进行了研究，得到了燃烧反应动力学参数。
　　 结果表明：当稻秆和小麦秆以升温速率30℃/min在O2=10 vol％～80 vol％气氛下燃烧时，在挥发分析出阶段，随O2增加，稻草秆活化能不全降低，小麦秆活化能呈增加趋势（O2≥60vol％时活化能降低）。在固定碳燃烧阶段，随O2增加，稻草秆活化能增大（O2≥60vol％时对活化能影响不大），而小麦秆活化能的变化较小。分析其原因是氧气浓度的改变会促使部分工况下的固定碳提前着火。
　　 3．对秸秆的催化燃烧和富氧催化燃烧的特性进行研究，得到了催化燃烧和富氧催化燃烧反应动力学参数。
　　 结果表明：在空气气氛下，催化剂能加强挥发分的析出，使得着火发生在比没有催化剂情况更低的温度；秸秆的固定碳催化燃烧中催化剂充当氧气的运输者或者提供反应空间。除了CuO催化稻草秸秆燃烧外，稻草和小麦秸秆的活化能在燃烧的第一阶段增加，但在第二阶段除了MgO催化燃烧稻草秸秆、CaO和CuO催化小麦秆燃烧之外，活化能均降低。
　　 4．为了验证模型的可靠性，对某一秸秆炉排锅炉进行数值模拟，并和已有文献的测量结果进行对比，同时对富氧气氛下的燃烧进行预测。
　　 结果表明：基于FLIC计算床层燃烧和商业软件FLUENT计算床外气相燃烧对秸秆直燃炉排锅炉进行数值计算的物理和数学模型是可靠的；对同一锅炉在富氧气氛下的燃烧进行数值计算，和空气气氛下燃烧相比，结果表明：NO生成是增加的，但炉膛出口温度增加和CO排放减少，炉膛出口温度、CO、O2和NO浓度偏差分别为：6．4％、21．8％、5．7％和56．2％。
　　 5．采用CFD技术对不同炉拱的锅炉燃烧、不同种类秸秆在同一锅炉内燃烧、同一锅炉在不同运行工况和在O2/N2及O2/CO2气氛下改变氧气浓度的燃烧进行了计算和分析。
　　 结果表明：采用高前后拱炉型IV的炉膛出口CO为25．02vppm，烟气温度为1090．3K；炉型Ⅱ和炉型Ⅳ较为合理。三种不同的秸秆在锅炉内燃烧均较好，该炉型是合理的且能适合不同种类的秸秆。
　　 当过量空气系数分别为1．7和1．8时，一、二次风的比例分别为4．6：5．4和6．5：3．5时炉膛出口CO最小，说明该工况下燃烧比较充分；改变一次风各段配风比，比例为0．2：0．25：0．22：0．2：0．13时炉膛出口CO浓度最小为25．02vppm，烟气温度为1090K；底灰中可燃物含量随着过量空气系数的增加而减小，床层燃烧效率相差0．1％；改变炉排速度，速度为25．5m/h时底灰中可燃物含量最小为7．5wt％。
　　 在O2/N2或O2/CO2气氛下，氧气浓度的增加，可以促进秸秆在直燃炉排锅炉内充分燃烧，提高燃烧效率，减少烟气量、CO排放和排烟损失，O2/CO2气氛下助燃气体中没有N元素，不会增加NO排放。
　　 最后评价了本文的特点，给出了重要结论，总结了创新点，并提出了值得进一步研究的问题。

目录

文摘

英文文摘

论文说明:主要符号表

声明

第一章 绪论

1.1 研究的背景与意义

1.1.1 背景

1.1.2 研究的意义

1.2 热解与催化热解研究现状

1.2.1 热解热重分析

1.2.2 催化热解热重分析

1.3 燃烧与催化燃烧现状

1.3.1 燃烧热重分析

1.3.2 催化燃烧热重分析

1.4 富氧燃烧与催化富氧燃烧现状

1.5 数学模型应用于直燃炉排锅炉分析的研究现状

1.6 秸秆直燃炉排锅炉存在的技术问题

1.7 研究课题的确定及总体研究思路

1.7.1 研究基础与课题来源

1.7.2 研究内容和方法

第二章 实验装置与实验方法

2.1 实验装置

2.2 实验材料

2.3 秸秆样品的制备

2.4 实验用催化剂以及秸秆担载催化剂的方法

2.4.1 所选催化剂的种类

2.4.2 秸秆担载催化剂的方法及步骤

2.5 在不同气氛下的热解、燃烧、催化热解和催化燃烧

2.6 实验中相关计算

2.6.1 热解动力学参数计算

2.6.2 燃烧动力学参数计算

2.7 本章小结

第三章 秸秆热解与催化热解及其动力学

3.1 秸秆的热解

3.2 秸秆的催化热解

3.3 秸秆热解和催化热解动力学分析

3.4 本章小结

第四章 秸秆在不同氧气浓度下燃烧及其动力学

4.1 秸秆的燃烧

4.2 升温速率对秸秆燃烧的影响

4.2.1 升温速率对稻草秸秆燃烧的影响

4.2.2 升温速率对小麦秸秆燃烧的影响

4.3 秸秆在不同氧气浓度下燃烧

4.3.1 稻草在不同氧气浓度下燃烧

4.3.2 小麦在不同氧气浓度下燃烧

4.4 秸秆富氧燃烧燃烧动力学研究

4.4.1 动力学参数计算

4.5 本章小结

第五章 秸秆催化燃烧和富氧催化燃烧及其动力学

5.1 秸秆在空气气氛下的催化燃烧

5.1.1 不同催化剂对秸秆在空气气氛下着火与燃烧的影响

5.1.2 不同催化剂量对秸秆在空气气氛下着火与燃烧的影响

5.2 秸秆在富氧气氛下的催化燃烧

5.2.1 不同催化剂对秸秆在富氧气氛下着火与燃烧的影响

5.2.2 不同催化剂量对秸秆在富氧气氛下着火与燃烧的影响

5.3 稻草和小麦秸秆在空气和富氧气氛下催化燃烧的动力学研究

5.4 秸秆富氧催化燃烧机理

5.5 本章小结

第六章 秸秆直燃炉排锅炉数值模拟

6.1 锅炉与燃料

6.2 数学模型

6.2.1 传递方程

6.2.2 NO形成与破坏

6.2.3 方程的求解

6.3 秸秆直燃锅炉CFD预测结果和讨论

6.3.1 床层燃烧

6.3.2 燃烧室气相燃烧

6.4 预测结果和文献测量值对比

6.5 秸秆在直燃炉排炉内富氧燃烧

6.6 对比秸秆在空气和富氧气氛下的燃烧

6.7 本章小结

第七章 秸秆直燃炉排锅炉炉拱和运行优化

7.1 秸秆直燃炉排炉炉拱优化

7.1.1 炉拱对秸秆高效燃烧的重要性

7.1.2 不同的前后、拱对秸秆燃烧的影响

7.2 不同秸秆在同一炉型秸秆锅炉中燃烧

7.2.1 燃料与锅炉

7.2.2 计算结果与分析

7.3 秸秆直燃炉运行工况的优化

7.3.1 一、二次风比例对燃烧的影响

7.3.2 一次风各段配比对燃烧的影响

7.3.3 空气过量系数对燃烧的影响

7.3.4 炉排运动速度对秸秆直燃锅炉的影响

7.4 氧气浓度对秸秆直燃锅炉燃烧的影响

7.4.1 O2/N2气氛

7.4.2 O2/CO2 气氛

7.4.3 秸秆在O2/N2气氛和O2/CO2气氛下燃烧的对比

7.5 本章小结

结 论

一.主要结论

二.创新点

三.进一步工作展望

参考文献

攻读博士学位期间取得的研究成果

致 谢