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采用旋流炉排的生物质成型燃料采暖炉数值模拟研究

作　者: 王涛
导　师: 蒋绍坚
学　校: 中南大学
专　业: 动力工程及工程热物理
关键词: 生物质成型燃料采暖炉旋流炉排燃烧器数值模拟
分类号: TK6
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

本文研究如何在空间狭小、温度相对较低的生物质成型燃料采暖炉内优化火焰形状、强化燃烧,以达到提高采暖炉热效率、减少污染物排放的目的。对生物质成型燃料采暖炉开展燃烧试验和热平衡分析,发现采暖炉内存在灰渣堵塞一次空气通道导致炉排上存在缺氧燃烧区,挥发份和二次空气混合欠佳,生物质成型燃料燃烧不完全,排烟损失大等问题。为此,本文提出炉排优化方案——旋流炉排燃烧器。对生物质成型燃料采暖炉开展冷态实验研究,分析采用旋流和非旋流炉排时,炉内冷态速度场分布,证明采用旋流炉排能产生旋流。基于FLUENT软件,根据生物质成型燃料和采暖炉的特点,采用标准k-ε湍流模型和壁面函数法、非预混燃烧模型、P-1辐射模型,实现了炉内多场耦合,并通过prePDF计算化学反应平衡,建立生物质成型燃料采暖炉燃烧仿真系统。数值模拟研究过量空气系数、二次风入口角度和旋流炉排长短轴比三因素联合作用下,采暖炉炉内速度场、温度场、浓度场以及炉膛出口烟气成分的变化,得到以下结论：(1)采用旋流炉排燃烧器后,炉膛出口温度明显降低,烟气温度分布均匀、波动幅度小,能提高烟气与换热管的换热效率,有效解决了采暖炉排烟损失大的问题。(2)随过量空气系数增大,旋流强度逐渐增大,回流区位置上移,火焰横向面积增大并向炉壁靠近,直至产生贴壁燃烧现象。过量空气系数为1.5时,炉膛出口烟气温度分布均匀、波动幅度小,燃料燃尽率高,污染物排放少,是过量空气系数最优选择；(3)随二次风入口角度增大,旋流强度逐渐减小,旋流区向炉壁靠近后消失。二次风入口角度为30°时,炉膛出口烟气温度分布均匀、波动幅度小,燃料燃尽率高,污染物排放少,是二次风入口角度最优选择；(4)炉排长宽比为1.6时,炉膛出口烟气温度分布均匀、波动幅度小,燃料燃尽率高,污染物排放最少,是炉排长短轴比最优选择。

全文目录

摘要  4-5
ABSTRACT  5-10
1 绪论  10-20
  1.1 研究背景  10-11
  1.2 生物质能利用  11-12
  1.3 生物质燃料成型技术  12-13
  1.4 生物质成型燃料燃烧设备  13-18
    1.4.1 国外生物质成型燃料燃烧设备发展现状  13-16
    1.4.2 国内生物质成型燃料燃烧设备发展现状  16-17
    1.4.3 生物质燃烧数值模拟研究进展  17-18
  1.5 旋流燃烧器  18-19
  1.6 课题来源及主要研究内容  19-20
    1.6.1 课题来源  19
    1.6.2 主要研究内容  19
    1.6.3 拟采取的研究方法  19-20
2 传统生物质成型燃料采暖炉热平衡分析  20-28
  2.1 SOLIDA生物质成型燃料采暖炉简介  20-21
  2.2 生物质成型燃料元素分析和工业分析  21-22
  2.3 热平衡测试与分析  22-28
    2.3.1 热平衡测试方法  22-23
    2.3.2 热平衡测试数据  23-24
    2.3.3 热平衡计算  24-26
    2.3.4 热平衡结果分析  26-28
3 生物质成型燃料采暖炉模型的建立  28-43
  3.1 旋流炉排燃烧器结构  28
  3.2 七孔压力探针冷态速度场测试  28-34
    3.2.1 七孔压力探针介绍  28-30
    3.2.2 测试方案  30
    3.2.3 测试结果分析  30-34
  3.3 物理模型与基本假设  34-36
    3.3.1 模型基本假设  34-35
    3.3.2 网格划分  35-36
  3.4 数学模型和控制方程  36-41
    3.4.1 基本控制方程  36-37
    3.4.2 湍流气固两相流动模型  37-39
    3.4.3 气相燃烧模型  39
    3.4.4 颗粒相燃烧模型  39-40
    3.4.5 辐射换热模型  40-41
  3.5 边界条件  41-42
  3.6 本章小结  42-43
4 生物质采暖炉过量空气系数仿真研究  43-52
  4.1 仿真条件  43
  4.2 结果分析  43-51
    4.2.1 速度场分析  43-45
    4.2.2 温度场分析  45-46
    4.2.3 烟气成分分析  46-50
    4.2.4 出口烟气分析  50-51
  4.3 本章小结  51-52
5 旋流炉排燃烧器二次风入口角度仿真研究  52-60
  5.1 仿真条件  52
  5.2 结果分析  52-59
    5.2.1 速度场分析  52-54
    5.2.2 温度场分析  54-55
    5.2.3 烟气成分分析  55-59
    5.2.4 出口烟气分析  59
  5.3 本章小结  59-60
6 旋流炉排燃烧器炉排长短轴比仿真研究  60-69
  6.1 仿真条件  60
  6.2 结果分析  60-67
    6.2.1 速度场分析  61-62
    6.2.2 温度场分析  62-63
    6.2.3 烟气成分分析  63-67
    6.2.4 出口烟气分析  67
  6.3 本章小结  67-69
7 全文总结  69-71
  7.1 总结  69-70
  7.2 建议  70-71
参考文献  71-76
致谢  76-78
攻读硕士学位期间主要的研究成果  78

采用旋流炉排的生物质成型燃料采暖炉数值模拟研究

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