户用生物质气化炉燃烧模拟及实验研究

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当前随着能源环境危机的日益加剧,开发利用新能源成为全球能源机构的一项重要任务,而生物质能资源作为一种绿色可再生能源,其开发利用越来越受到重视,生物质热解气化技术作为一种非常重要生物质转化利用技术,也在不断研究中。然而,现有大多数气化炉存在结构复杂、操作繁琐、焦油、原料易烧穿等问题等,针对我国农村当前的经济水平和农村能源结构,户用生物质气化炉以其原料丰富、结构简单、经济实用、易于维护等优点,适合我国农村地区用能方式,促进农村地区向着洁净、高效的用能方式前进,进而加快我国农村经济发展。本文针对当前市场上户用生物质气化炉结构缺陷和应用中存在的问题,研制了新的混吸式户用生物质气化炉,并以此为研究对象,自行搭建实验台,进行了生物质气化及燃气燃烧换热等主要热工性能参数的实验研究,同时采用CFD方法对燃气在燃烧室的燃烧换热进行数值计算。这种实验与仿真模拟相结合的研究方法,为新一代户用生物质气化炉的开发和应用提出一种新的研究方向。实验中通过对不同气化剂空气流量下气化室内温度分布、气化强度及生产能力的研究揭示了:随着气化剂空气量的增加,气化室内氧化层厚度增大,炉内温度升高,气化强度增强,热功率增大。同时,小功率工况下,气化炉运行稳定且运行时间长,可满足连续供暖需求;反之,则运行不稳定,且难持续,连续采暖时功率不足,大功率持续供暖还有待解决。此外,还研究了在不同过量空气系数下气化可燃气的燃烧换热情况及烟气排放情况:过量空气系数设定在1.05~1.5之间,随着过量空气系数的增加,燃烧更加充分,烟气中可燃成分降低,且当过量空气系数为1.2~1.3时,燃气燃烧充分且稳定,烟气中可燃成分浓度低,且污染物NOX浓度也较低。但由于炉膛容积较小,燃气燃烧换热不充分,炉膛出口烟温较高,因此,还需对燃烧室结构进行改进,以提高其燃烧换热效果。在采用STAR-CD对燃烧室内的燃气燃烧换热情况进行数值计算中,选用合理的湍流流动模型、燃烧模型及辐射换热模型等,对燃烧室内的速度、温度、浓度等分布进行预测,结果表明:冷态时,气化可燃气与空气混合后在环形预混段充分混合后由小孔喷射进入炉膛,各小孔喷射速度基本相同,且各喷射孔处湍动能较强,增强了其预混效果,有利于预混可燃气在炉膛内的充分燃烧;热态时,预混燃气喷射进入炉膛后主要集中在其中心区域燃烧,形成主要高温区,且高温区对应高浓度区,但由于顶部水套对其火焰传播的影响,在炉膛上部周围再次燃烧,形成二次高温区,可见,预测结果与实验值基本一致,因此,所选模型基本合理。根据实验和数值计算发现,现有燃烧室容积较小,燃气燃烧不充分,换热效果不理想,较难实现大功率持续运行,因此,对原结构进行了改进:将喷射孔减少至6个和炉膛高度提高至200mm,并对改进后的结构采用相同的CFD方法对改进后结构进行数值计算:喷射小孔减少后,喷射速度增加,湍动能增强,预混效果增强;炉膛抬高后,炉膛容积增大,燃气停留时间延长,燃烧更加充分,烟气中可燃成分降低,换热效果增强。结果表明,改进后结构燃烧换热更充分,炉膛出口温度明显降低,排放也得到一定改善。综上所述,本文采用的实验和数值模拟相结合的研究方法为气化炉改进设计开辟了一种新途径,并为新一代户用生物质气化炉的开发研制提供一定的依据。
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