基于ANSYS CFX生物质半气化炉的试验研究及模拟

论文摘要

随着能源危机的日益加剧,导致我国农村燃用煤炭、天然气等费用不断攀升,直接影响农民的生活用能成本。本文针对广大农村地区大量的生物质材料,包括农作物秸秆、林业废弃物等,在农村传统炉灶的基础上设计出适合生物质燃烧的高效半气化炉,以解决大部分农村人口的炊事用能,并可以解决大量农林废弃物的无序堆积和焚烧所引发的环境问题。本课题的主要研究内容以及所取得的相关成果如下：1)生物质与煤的燃料特性相差较大。由于生物质中含氧比例较高,导致生物质燃料热值偏低。从生物质的燃烧过程来看,生物质主要分为预热干燥、热解挥发分、挥发分的燃烧以及固定碳的燃烧四个阶段。促进生物质的半气化过程有利于提高燃料的燃烧效率,生物质热解气化过程与燃料的尺寸、加热速率、温度、气相滞留时间等有很大关系。2)在传统炉灶的基础上,根据工业炉的设计原则设计生物质半气化炉。通过对生物质燃烧的相关计算,确定生物质半气化炉的主要设计参数,绘制图纸,进行了炉具的生产制造。3)根据GB4363-84——《民用柴炉、柴灶热性能测试方法》的方法,对生物质半气化炉进行热性能指标测试。通过试验表明,所设计的炉体能达到36.53%的热效率,具有比较好的效果和推广应用价值。同时经过试验研究确定了一次进风、二次进风、添柴量和烟囱高度对热性能指标的影响。在正交试验的基础上,考虑了各个因素间的交互作用对热性能指标的影响水平,结果表明,只有一次进风和添柴量间的交互作用对热性能指标影响显著,其他组合效果不明显。4)采用ANSYS CFX软件对生物质半气化炉的气流场进行了模拟,对比研究了不同烟囱高度、炉膛结构和二次进风系统对气流场的影响,为进一步改进生物质半气化炉的燃烧热效率提供了参考信息。5)对生物质半气化炉的研究做了相关建议,并就提高炉具热效率提出了建议和展望。通过研究表明,生物质半气化炉对生物质原料有较广的适应性,且总体综合热效率较高,具有较好的应用价值。目前我国生物质半气化炉的研究相对较少,具有很大的理论和应用研究空间。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1. 研究目的及意义
• 1.2. 国内外研究现状
• 1.2.1 生物质气化研究现状
• 1.2.2 生物质燃烧利用研究现状
• 1.2.3 燃烧动力学模拟研究现状
• 1.2.4 CFX软件模块的应用
• 1.3 研究内容
• 1.3.1 研究内容
• 1.3.2 拟解决的关键问题
• 1.3.3 采取的技术路线
• 1.3.4 可行性分析
• 1.3.5 研究方法
• 1.3.6 预期研究结果
• 1.4 本章小结
• 第二章 生物质燃烧技术的基本原理
• 2.1 生物质燃料特性
• 2.1.1 生物质的组成
• 2.1.1.1 半纤维素
• 2.1.1.2 纤维素
• 2.1.1.3 木质素
• 2.1.2 生物质的元素分析
• 2.1.2.1 碳和氢元素
• 2.1.2.2 氮元素
• 2.1.2.3 硫元素
• 2.1.3 生物质的工业分析
• 2.1.3.1 生物质中的水分
• 2.1.3.2 生物质中的灰分
• 2.1.3.3 挥发分和固定碳
• 2.1.3.4 热值
• 2.1.4 生物质燃料的燃烧特性
• 2.2 生物质的燃烧过程
• 2.2.1 预热干燥阶段
• 2.2.2 热解挥发分析出阶段
• 2.2.3 挥发分燃烧阶段
• 2.2.4 固定碳燃烧阶段
• 2.3 生物质的气化过程
• 2.4 本章小结
• 第三章 生物质半气化炉的结构总体设计
• 3.1 生物质半气化炉的总体方案设计
• 3.1.1 设计要求
• 3.1.2 总体结构设计
• 3.2 生物质燃烧的计算
• 3.2.1 燃料热值计算
• 3.2.2 生物质燃烧过程平衡计算
• 3.2.2.1 燃烧空气量的计算
• 3.2.2.2 烟气量计算
• 3.2.2.3 过量空气系数和实际烟气量
• 3.2.2.4 空气焓和烟气焓的计算
• 3.2.3 热损失估算
• 3.2.3.1 排烟热损失
• 3.2.3.2 气体、固体不完全燃烧损失和散热损失
• 3.2.3.3 灰渣物理热损失
• 3.2.3.4 蓄热损失
• 3.2.3.5 其他热损失
• 3.3 生物质半气化炉主要参数设计
• 3.3.1 燃料消耗量B的计算
• 3.3.2 燃烧炉膛的参数确定
• 3.3.3 烟囱参数的确定
• 3.3.4 进风系统设计
• 3.3.4.1 一次进风通道
• 3.3.4.2 二次进风通道设计
• 3.3.5 其他炉具部分的参数设计
• 3.3.5.1 进料口
• 3.3.5.2 挡火圈
• 3.3.5.3 收烟道
• 3.3.5.4 保温层及外壳
• 3.4 本章小结
• 第四章 生物质半气化炉结构参数的试验研究
• 4.1 试验目的
• 4.2 测试方法及仪器设备
• 4.2.1 测试方法
• 4.2.2 试验仪器及仪表
• 4.2.3 试验条件
• 4.2.4 试验步骤
• 4.2.5 试验结果计算
• 4.3 单因素试验
• 4.3.1 试验方案设计
• 4.3.1.1 收烟口面积/进风总面积比试验设计
• 4.3.1.2 一次进风量试验设计
• 4.3.1.3 二次进风量试验设计
• 4.3.1.4 添柴量试验设计
• 4.3.1.5 烟囱高度试验设计
• 4.3.2 试验结果与分析
• 4.3.2.1 收烟口面积/进风总面积比对炉膛升温速率的影响
• 4.3.2.2 一次进风量对热性能指标的影响
• 4.3.2.3 二次进风量对热性能指标的影响
• 4.3.2.4 添柴量对热性能指标的影响
• 4.3.2.5 烟囱高度对热性能指标的影响
• 4.4 正交试验
• 4.4.1 试验方案设计
• 4.4.2 试验结果与分析
• 4.4.2.1 正交试验直观分析
• 4.4.2.2 正交试验方差分析
• 4.5 本章小结
• 第五章 基于ANSYS CFX的生物质半气化炉模拟
• 5.1 不同烟囱高度下的气流场仿真
• 5.1.1 物理模型的建立
• 5.1.2 网格划分
• 5.1.3 设置边界条件
• 5.1.4 求解
• 5.1.5 模拟结果显示
• 5.1.6 模拟结果分析
• 5.2 不同炉膛结构的气流场仿真
• 5.2.1 物理模型的建立
• 5.2.2 网格划分
• 5.2.3 设置边界条件
• 5.2.4 求解
• 5.2.5 模拟结果显示
• 5.2.6 模拟结果分析
• 5.3 不同二次进风结构的气流场仿真
• 5.3.1 物理模型的建立
• 5.3.2 网格划分
• 5.3.3 设置边界条件
• 5.3.4 Solver设置及求解
• 5.3.5 模拟结果显示
• 5.3.6 模拟结果分析
• 5.4 本章小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.1.1 试验结果结论
• 6.1.2 计算机仿真结论
• 6.2 展望
• 6.2.1 生物质燃烧特性理论研究
• 6.2.2 提高炉具热效率
• 参考文献
• 致谢