生物质直接再燃的数值模拟

论文摘要

本文在生物质快速热解的试验基础上,建立了生物质燃烧和再燃还原NO的数学模型,并依据此模型对生物质直接再燃做数值模拟。模拟以一维沉降炉为研究对象,以Fluent6.3软件为研究平台,着重考察生物质稻壳和秸秆在不同过量空气系数、不同再燃燃料量下的燃烧和再燃特性,并研究了生物质稻壳和秸秆中的挥发分和焦炭对NO还原的影响。生物质燃烧依次经历干燥、热解、挥发分燃烧及焦炭燃烧等阶段。模拟过程中,水分蒸发采用扩散模型,挥发分析出采用单步反应模型,挥发分燃烧采用扩散-动力控制模型,焦炭燃烧采用多表面反应模型。NO生成只考虑了燃料中挥发分氮和热力型氮的生成,其还原则考虑了挥发分中的碳氢化合物和焦炭还原NO。选择典型的稻壳再燃工况对所建立的生物质再燃模型进行验证,主要将再燃炉内温度场、主要组分浓度场和NO组分浓度的模拟值与试验值进行了比较,结果表明无论是燃烧模型还是NO转化模型均能较为准确的反映稻壳燃烧和还原NO过程。之后研究了再燃区过量空气系数和再燃燃料量的变化对燃烧温度场、组分浓度场和NO转化的影响。研究表明:燃料量一定时,再燃区过量空气系数增加将导致燃料燃烧更为完全,NO还原效率降低,但再燃燃料的燃烧对炉内温度场的影响很小。过量空气系数一定时,再燃燃料量增加,炉内温度水平升高,CO、CO2、CH4和H2浓度升高,NO的还原效率也随着再燃燃量的增加而增加。挥发分（碳氢化合物）同相还原NO受炉内氧浓度的影响很大,而在焦炭表面发生的NO异相还原反应则对炉内氧浓度的敏感性很小,且NO的同相还原占主要地位。通过比较稻壳和秸秆再燃特性表明:相同再燃条件下,秸秆再燃还原NO的效率高于稻壳。随着过量空气系数的增加,秸秆焦炭对NO还原效率的贡献率增加,而挥发分的贡献率则降低,且过量空气系数为0.9时,秸秆焦炭的贡献率达到46%。而对于稻壳,挥发分的贡献率上升,焦炭的贡献率下降。通过本文对生物质直接燃烧特性以及再燃还原NO特性的研究将为进一步探索生物质清洁高效燃烧的利用方式提供依据,为进一步开发新的生物质利用方式提供了理论指导。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.1.1 我国的能源现状
• 1.1.2 我国的污染物排放现状
• x 的危害'>1.1.3 NO_x的危害
• x 排放控制手段'>1.1.4 主要的NO_x排放控制手段
• 1.2 生物质再燃技术
• 1.3 国内外在生物质直接再燃方向上的研究现状及分析
• 1.3.1 国内研究现状
• 1.3.2 国外研究现状
• x 转化机制'>1.4 NO_x转化机制
• x 的生成机制'>1.4.1 NO_x的生成机制
• x 的再燃还原机制'>1.4.2 NO_x的再燃还原机制
• 1.5 课题研究意义和内容
• 1.6 本章小结
• 第2章 生物质燃烧模型和NO 转化模型的建立
• 2.1 物理模型
• 2.2 气固相的控制方程
• 2.2.1 气相湍流模型
• 2.2.2 气固两相流动模型
• 2.2.3 辐射换热模型
• 2.2.4 反应模型
• 2.2.5 计算方法
• 2.3 反应动力学模型的建立
• 2.3.1 基本假设
• 2.3.2 燃烧模型的建立
• 2.3.3 NO 转化模型的建立
• 2.4 网格的划分
• 2.5 本章小结
• 第3章 生物质稻壳再燃还原NO 的研究
• 3.1 初始条件
• 3.2 模型的验证
• 3.2.1 燃烧模型的验证
• 3.2.2 NO 转化模型的验证
• 3.3 再燃区氧量的变化对燃烧场的影响
• 3.3.1 对温度场的影响
• 3.3.2 对组分浓度场的影响
• 3.3.3 对NO 还原的影响
• 3.4 再燃燃料量的变化对燃烧场的影响
• 3.4.1 对温度场的影响
• 3.4.2 对组分浓度场的影响
• 3.4.3 对NO 还原的影响
• 3.5 气固两相还原NO
• 3.6 本章小结
• 第4章 生物质秸秆再燃与稻壳再燃特性的对比研究
• 4.1 秸秆燃烧模型的建立
• 4.2 秸秆再燃计算的初始条件
• 4.3 秸秆和稻壳再燃燃烧特性的对比
• 4.3.1 温度场对比
• 4.3.2 组分浓度场对比
• 4.4 秸秆和稻壳再燃还原特性的对比
• 4.4.1 过量空气系数的影响
• 4.4.2 再燃燃料量的影响
• 4.4.3 气固两相还原对比
• 4.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 附录
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢