生物质颗粒燃烧器污染物排放与工况参数优化研究

摘要

生物质颗粒燃烧器是颗粒燃料燃烧所需的主要设备，其工况参数合理与否直接关系到生物质颗粒能否高效、清洁燃烧。目前市场上销售的国产生物质颗粒燃烧器，因进料装置结构设计不合理，常发生回火反烧料仓的安全事故，而且工况参数的选择大多缺乏科学依据，常造成烟气成分中CO和NOx含量偏高，不同程度污染周边大气环境。本文在分析现有燃烧器进料机构存在问题的基础上，研制了一种轴线平行的双螺杆进料机构，进料量方便可调、防回火效果好;以5G-20/85-0.23型生物质颗粒燃烧器为研究对象，试验研究了燃烧器进料速率、二次风量与总风量比例（简称二次风比例）、过量空气系数等工况参数与烟气中CO、 NOx含量及炉膛不同部位温度之间的关系，运用通用旋转组合试验设计对上述3个工况参数进行优化。主要研究内容和成果如下。
　　(1)颗粒燃烧器进料机构的研制。分析了现有生物质颗粒燃烧器进料方式及各自的特点，在归纳各种进料机构优缺点的基础上，依据进料量调节方便性、防回火效果、结构紧凑性等进料机构设计原则，研制了一种轴线平行的双螺杆进料机构。
　　(2)进料速率对生物质颗粒燃烧烟气成分的影响。主要研究了进料速率对炉膛不同部位温度、烟气成分及CO和NOx等污染物含量的影响。结果表明，平均进料速率从6.9 kg/h降低到5.0 kg/h时，烟气中CO含量逐渐减小，在5.0 kg/h时达到最小值66 mg/Nm3;NOx含量变化与CO相似，在进料速率为5.0 kg/h时达到最小值8.8 mg/Nm3;随着进料速率的降低，炉膛上部温度变化较小，中部次之，下部最大，下部炉膛温度同样在进料速率为5.0kg/h时达到最高757℃。选用进2s停19s的进料方式（平均进料速率为5.0 kg/h）能够降低污染物排放。
　　(3)二次风比例对生物质颗粒燃烧烟气成分的影响。研究了二次风比例分别为0.3、0.4、0.5、0.6和0.7时烟气中CO和NOx含量及炉膛温度的变化。结果表明，在二次风比例为0.4时烟气中CO含量波动最小并达到最小值65 mg/Nm3，二次风比例为0.3时出现最大值193 mg/Nm3，波动幅度也最大;NOx含量在二次风比例为0.4时达到最小值9.2 mg/Nm3，在0.7时达到最大值71.8 mg/Nm3，但其波动幅度和含量并不存在正相关;随着二次风比例的增加，炉膛下部温度先增加后减小，最后基本不变，在二次风比例为0.4时达到最大值758℃，上部和中部温度受二次风比例的影响较小。
　　(4)过量空气系数对生物质颗粒燃烧烟气成分的影响。主要研究了过量空气系数与烟气中CO、O2和NOx含量及炉膛不同部位温度之间的关系。结果表明，当过量空气系数为2.6时CO含量达到最小值107 mg/Nm3，2.7时出现最大值235 mg/Nm3，CO含量随运行时间波动幅度和其在烟气中含量的高低呈正相关关系;过量空气系数对烟气中NOx含量的变化影响较小，在过量空气系数为2.6时NOx含量达到最小值53 mg/Nm3，在2.5时出现最大值70 mg/Nm3;在过量空气系数为2.3时NOx含量随运行时间变化最大，在其他过量空气系数下，烟气中NOx含量波动均较小;烟气中CO含量的最大值出现在过量空气系数为2.7时，而NOx含量最大值出现在过量空气系数为2.5时，过量空气系数对烟气中CO含量的影响大于NOx;在过量空气系数为2.6时，炉膛下部温度达到最大值764℃。
　　(5)基于通用旋转组合试验设计的生物质颗粒燃烧器工况参数优化。以烟气中CO含量为目标函数，燃烧器进料速率、二次风比例和过量空气系数为影响因子，构建三元二次通用旋转组合试验设计，研究各工况参数对烟气中CO含量的影响。结果显示，进料速率对CO含量影响最大，二次风比例次之，过量空气系数影响最小，进料速率和二次风比例的交互作用对CO含量影响显著。确定了燃烧器最优工况参数组合，即进料速率6 kg/h（进2s停16s），二次风比例为0.4，过量空气系数为2.6。

目录

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论文说明

致谢

摘要

第一章 绪论

1．1 课题研究背景

1．2 国内外研究现状

1．2．1 生物质颗粒燃料燃烧特性

1．2．2 生物质颗粒燃烧器进料机构

1．2．3 进料速率对颗粒燃烧烟气成分的影响

1．2．4 生物质颗粒燃烧器二次进风的影响

1．2．5 一次风与二次风对污染物排放的影响

1．2．6 过量空气系数对生物质颗粒燃烧烟气成分的影响

1．2．7 炉膛温度对生物质颗粒燃烧烟气成分的影响

1．3 研究内容

第二章 生物质颗粒防回火进料机构的研制

2．1 引言

2．2 现有生物质颗粒燃烧器进料机构

2．3 新型颗粒燃烧器进料机构的设计

2．3．1 设计原则

2．3．2 设计方案比较

2．4 轴线平行双螺杆进料机构的研制

2．5 本章小结

第三章 颗粒燃烧器工况参数对烟气成分的影响

3．1 引言

3．2 材料与方法

3．2．1 生物质颗粒燃料

3．2．2 试验平台和仪器设备

3．2．3 试验方法

3．3 试验设计

3．4 结果与讨论

3．4．1 燃烧器工况参数对烟气中CO和O2含量的影响

3．4．2 烟气中CO含量的波动

3．4．3 燃烧器工况参数对烟气中NO、NO2和NOx含量的影响

3．4．4 烟气中NOx含量的波动

3．4．5 工况参数对炉膛温度的影响

3．5 本章小结

第四章 基于通用旋转组合试验设计的生物质颗粒燃烧器工况参数优化

4．1 引言

4．2 试验设计和数据处理

4．2．1 试验设计

4．2．2 数据处理

4．3 结果与讨论

4．4 本章小结

第五章 结论与展望

5．1 结论

5．2 创新点

5．3 展望

参考文献

作者简介