秸秆固化成型燃料助燃剂研制及燃烧特性试验与模拟研究

摘要

我国是世界上最大的农业国家，年产各类作物秸秆总量达7.1亿吨。其中，约有40％～50％秸秆未被利用，常被露天焚烧，导致严重的大气污染和火灾，秸秆焚烧已经成为全国各地都面临的一大环境问题。通过固化成型技术把秸秆转化成生物质固化成型燃料(Densified biomass bfiquettingfuel，DBBF)是秸秆能源化利用的有效方法。但是，当DBBF用于小型炊事炉时，存在点不着火、点火时间长和烟气污染等问题，从而严重影响了DBBF的推广和使用。因此，研制经济、有效和环境友好的成型燃料专用引火助燃剂，对解决成型燃料点火难、污染问题及成型燃料炉具的改进具有重要的实际意义。本文针对玉米秸秆固化成型燃料(Densifled com stoverbriquetting fuel，DCBF)及其LLA-6型生物质半气化炉，研制了多种DCBF引火助燃剂，并对其点火性能和点火特性进行了试验研究与评价、实现了DCBF的快速点燃，并且烟气排放达到了环保要求；同时，还开展了DCBF燃烧特性及其数值模拟方面的研究，获得了一些重要的结论。
　　 1.引火助燃剂研制及其点火特性和烟气排放特性研究。(1)用废机油、废柴油和工业酒精以不同的体积比研制出25种液体助燃剂，通过反复点火试验，综合考虑成本及点火特性等各种因素，初步选定ED15和DA51两种助燃剂做为备选助燃剂，其最佳用量分别为9 mL和8 mL，比不用助燃剂点火速度快30～40倍。(2)对不同用量的助燃剂ED15和DA51引燃过程中的烟气排放情况(包括烟气中的O2、CO2、CO、烟气温度、NO、NO2、NOx、SO2和燃烧效率这9项指标)进行了试验研究，研究结果表明：两种助燃剂烟气排放指标均符合北京市地方排放标准，助燃剂ED15用量为9 mL时污染物排放较低，因此，助燃剂ED15被确定为待推广的助燃剂。
　　 2.DCBF燃烧特性试验研究与分析。(1)利用柴炉热性能试验方法对LLA-6型炉具的热性能进行了测试，结果显示其热效率只有20％，没能达到北京市地方标准(热效率≥35％)。(2)利用热电偶温度传感器和精密天平分别对炉具内各位置的温度和燃烧失重量进行测定。根据所测温度和失重量数据对燃烧过程进行动力学分析。利用“多变混合速率扫描法”得出DCBF在LLA-6型炊事炉中燃烧时的燃烧机理：在快速升温阶段和降温阶段DCBF燃烧符合的三维扩散机理，球形对称，3D，D4，减速形a-t曲线，其积分形式表达式为G(a)=1-2a/3-(1-a)2/3；在快速升温与温度恒定之间的拐点处和恒定温度阶段DCBF燃烧机理属于化学反应，F2，减速形a-t曲线，其积分形式表达式G(a)=(1-a)-1。(3)利用烟气分析仪对燃烧过程中烟气排放的各种污染物指标进行监测，发现在整个燃烧过程中污染物排放指标均符合北京市地方污染物排放标准。有风条件下的各种污染物排放指标略高于无风条件下的各种污染物排放指标。因此，在无风条件下助燃剂ED15用量为9mL时效果最佳。
　　 3.DCBF燃烧特性的数值模拟。利用Fluent软件和燃烧过程所遵循的基本定律，采用湍流和有限速率等燃烧模型对DCBF燃烧特笥进行数值模拟，结果发现：(1)燃烧炉内CO2浓度为18.4％，在炉口处的CO2浓度为9％左右，排烟管中CO2浓度为6.47％；在助燃器内几乎没有任何化学反应发生，助燃器并没有起到应有的助燃作用，而是起了降低热效率的作用。(2)通过对32种不同改进情况进行模拟，结果表明助燃器通风孔全部关闭时(即没有二次进风)效果最好。助燃器内部温度范围为990～1020K，炉口处最高温度为1020K。没有二次进风时炉口处温度分别比关闭0排、1排、2排、3排和4排通风孔时高19.86％、29.86％、37.67％、39.59％和39.73％。因此，推荐改造最佳方案为不用助燃器，不带二次进风。由助燃器散热及二次进风带走的热损失q2和q3之和为19.21％。将助燃器及二次进风除掉，将助燃器部分直接改为火焰通道，可将原炉具的热效率20％提高到39.21％，可以使热效率提高近1倍，并可使炉具达到北京市地方标准。
　　 综上所述，助燃剂ED15用量为9 mL时引燃DCBF效果最佳，在无风条件下，将LLA-6型炉具助燃器部分改为封闭式的火焰通道，DCBF燃烧效果最佳，热效率可达到39.21％。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：符号说明

声明

第一章 绪论

1.1秸秆的产生量

1.2秸秆的利用途径

1.2.1秸秆肥料化

1.2.2秸秆饲料化

1.2.3秸秆材料化

1.2.4秸秆能源化

1.3国内外研究现状

1.3.1成型燃料技术

1.3.2炉具发展现状

1.3.3助燃剂研究现状

1.3.4成型燃料特性及燃烧机理研究

1.3.5燃烧模拟研究现状

1.4研究目的和研究内容

1.4.1研究目的及意义

1.4.2研究内容

第二章 生物质固化成型燃料引火助燃剂研制

2.1试验材料

2.1.1成型燃料

2.1.2助燃剂研制所用原料

2.1.3分析仪器

2.2试验装置

2.3试验方法

2.3.1固体助燃剂试验方法

2.3.2粉末助燃剂试验方法

2.3.3液体助燃剂试验方法

2.4结果与讨论

2.4.1固体助燃剂引燃情况

2.4.2粉末助燃剂引燃情况

2.4.3液体助燃剂引燃情况

2.5本章小结

第三章 助燃剂点火过程烟气排放特性研究

3.1试验材料

3.1.1成型燃料

3.1.2液体燃料

3.1.3分析仪器

3.2试验方法

3.3结果与讨论

3.3.1烟气中O2浓度分析

3.3.2烟气中CO2浓度分析

3.3.3烟气中CO浓度分析

3.3.4烟气温度

3.3.5烟气中NO分析

3.3.6烟气中NO2分析

3.3.7烟气中NOx分析

3.3.8烟气中SO2分析

3.3.9燃烧效率

3.4本章小结

第四章 DCBF燃烧特性试验研究与分析

4.1试验材料

4.1.1试验原料

4.1.2分析仪器

4.2试验方法

4.2.1热效率

4.2.2燃烧特性

4.2.3烟气排放监测

4.3结果与讨论

4.3.1热效率

4.3.2燃烧特性研究

4.3.3燃烧炉温度变化

4.3.4燃烧过程中烟气变化

4.4本章小结

第五章 燃烧特性的数值模拟

5.1模拟方法

5.2.1网格划分

5.2.2边界条件

5.2模型及定律

5.2.1反应流基本方程

5.2.2有限速率模型

5.2.3湍流模型

5.2.4数值方法

5.3模拟结果与讨论

5.5.1燃烧过程烟气分布情况模拟

5.5.2炉具改进情况模拟

5.5.3炉具热效率估算

5.4本章小结

第六章 结论

6.1结论

6.2创新点

6.3展望

参考文献

致谢

研究成果及发表的学术论文

作者和导师简介