秸秆燃料特性及清洁燃烧设备研究

【摘要】：我国是世界第二大能源消耗国,随着社会经济的不断发展,能源缺口和环境压力越来越大。我国秸秆资源丰富,但每年约1.9亿t秸秆被焚烧或浪费掉,造成极大的污染。针对供热采暖的能源需求不断增加,利用农业废弃物秸秆作为能源原料成为一种必然趋势。但由于秸秆中碱及碱金属、C1和N等有害元素含量高,在燃烧过程中,存在易结渣聚团和氮氧化合物排放含量较高等特点,同时我国针对秸秆燃料的生物质锅炉研发也处于起步阶段,尤其是利用生物质锅炉的数值建模并进行锅炉结构及燃烧优化开展的不多。因此本文的主要内容包括以下几个方面： (1)建立DTG-DTA延时点火温度的确定方法。根据点火温度的热平衡理论和均相点火理论,通过对检测的延时确定,建立了新方法。选取了代表传统生物质燃料中的红松、棉秸秆、小麦秸秆、玉米秸秆和甜高粱茎秆发酵后残渣5种燃料,对传统及新的点火温度确定方法进行了热平衡局限性分析和误差分析。新方法具有明确的热平衡物理意义和较高的稳定性(RSD为0.26%),整体平均误差为3.65%。在不同升温速率时试验显示,升温速率小于(或者等于)10K/min时,DTG固定失重速率法是确定点火温度的首选方法,平均误差1.07%；反之,DTG-DTA延时法是最好的确定方法,平均误差3.50%。在多样品燃料性能计算时,应选取不同的点火温度确定方法,为生物质燃料提供准确的性能计算。并对常用甜高粱茎秆发酵后残渣的燃烧特性进行了计算,计算结果显示,其各项燃烧性能都是最差。 (2)基于清洁燃烧角度出发,开展了甜高梁茎秆发酵后残渣作为燃料可能性的试验。主要包括甜高粱茎秆发酵后残渣的多相燃烧规律、NOx排放规律试验及水洗预处理改善燃料性能的试验研究。试验证实,需通过严格的燃烧措施,才能保证NOx排放达到相关标准要求；水洗有助于脱除燃料灰分,提高低位热值,大幅降低原料中的C1、N的元素含量,减轻燃料结渣现象。常温下,采用水洗固液比1：30搅拌30min进行预处理,能确保燃料中C1、N元素同时满足清洁燃烧需求,结渣程度减缓,能量损失最小。采用自然晾晒和水循环处理可完全节约脱硝费用,有助于提高经济效益。 (3)针对生物质燃料特性,并从燃料物理性质出发,通过炉排选择及计算,燃烧产物计算,热平衡及炉膛结构等计算,开展1T生物质链条锅炉的设计及自动上料系统及锅炉的二级除尘系统设计。 (4)通过基本流体方程,结合生物质燃烧的子过程,确定了料床燃烧模型,并与炉膛燃烧进行耦合,构建了生物质锅炉的数值模型。并在此基础上开展了冷态下的炉膛模拟,确定了后拱覆盖率为60%的炉拱结构和配风调整所需燃烧优化方案；基于NOx最小排放浓度的计算结果显示,4：3：3的配风时NOx排放浓度最小,116.93mg/Nm.；烟气在二次空间的未完全燃烧同样不利于NOx的减排。 (5)开展生物质锅炉运行试验,进行了热工性能测试和污染物排放测试,生物质锅炉的平均热效率超过80%,大气污染物排放低于国家相关标准要求,达到相应的设计目标,为生物质燃烧设备的下一步开发提供了相关依据。 【关键词】：生物质锅炉 燃烧特性 秸秆 清洁燃烧 数值计算
【学位授予单位】：中国农业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TK6;TK227
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-12
• 第一章 绪论12-29
• 1.1 引言12-15
• 1.2 国内外研究现状15-27
• 1.3 研究内容及研究方法27-29
• 第二章 秸秆燃料燃烧特性29-54
• 2.1 引言29-30
• 2.2 点火温度确定方法研究30-42
• 2.3 燃烧特性计算42-45
• 2.4 甜高粱茎秆发酵后残渣的多相燃烧及NO_x排放特性试验45-53
• 2.5 本章小结53-54
• 第三章 水洗预处理改善甜高粱茎秆发酵后残渣燃料性能的试验研究54-63
• 3.1 引言54
• 3.2 材料与方法54-55
• 3.3 试验结果与分析55-60
• 3.4 清洁燃烧与经济分析60-61
• 3.5 本章小结61-63
• 第四章 生物质锅炉设计63-84
• 4.1 引言63
• 4.2 生物质锅炉炉排系统63-66
• 4.3 锅炉参数66-71
• 4.4 炉膛热力计算71-72
• 4.5 炉拱计算72-77
• 4.6 生物质锅炉燃料及除尘系统77-83
• 4.7 本章小结83-84
• 第五章 生物质锅炉的数值建模及炉拱结构和配风优化84-110
• 5.1 引言84
• 5.2 基本流体方程84-90
• 5.3 生物质颗粒燃烧过程90-96
• 5.4 炉膛燃烧模型96-97
• 5.5 炉膛与床层的耦合97-99
• 5.6 炉拱结构确定与配风优化99-109
• 5.7 本章小结109-110
• 第六章 生物质锅炉运行试验110-120
• 6.1 引言110
• 6.2 燃烧试验110-111
• 6.3 大气污染物排放检测111-118
• 6.4 低热值燃料适应性试验118-119
• 6.5 本章小结119-120
• 第七章 结论与展望120-123
• 7.1 主要结论120-121
• 7.2 主要创新点121
• 7.3 研究工作展望121-123
• 参考文献123-135
• 作者简介135-136
• 致谢136

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