生物质热解油雾化燃烧及气化的实验研究与数值模拟.pdf

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1、中国科学技术大学博士学位论又生物质热解油雾化燃烧及气化的实验研究与数值模拟作者姓名：学科专业：导师姓名：完成时间：张栋热能工程朱锡锋教授二。一二年五月一日UniversityofScienceandTechnologyofChinaAdissertationfordoctor，SdegreeGOmbUStlOnandGaSltlCatIOn—^■一■●—■、●一●●■ApplicationofBiomassPyrolysisOil：MeasurementandModeling，●一Author’sNa

2、me：Speciality：一^■Suoervlsor：FinishedTime：DongZhangThermalEngineering一Prof．XifengZhuMay1科；2012中国科学技术大学学位论文原刽性声明本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究工作所取得的成果。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任何他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了明确的说明。作者签名：圣蛆曼签字日期：丝皇22：笪：委中国科学技术大学学位论文授权使

3、用声明作为申请学位的条件之一，学位论文著作权拥有者授权中国科学技术大学拥有学位论文的部分使用权，即：学校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文编入《中国学位论文全文数据库》等有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。本人提交的电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。保密的学位论文在解密后也遵守此规定。日公开口保密(——年)作者签名：墨甚叠垄导师签名：签字日期：2Q』垄!≤：色签字日期：丞旦!垒：鱼：墨摘要摘要能源危

4、机及环境问题随着人类社会的快速发展目益严重，迫切需要开发可再生能源并实现产业化应用。生物质能作为唯一可再生碳源，具有可储存运输的特点，通过快速热解可以转化为生物油、可燃气以及炭粉。生物油的品质较差，与传统化石燃料具有较大差异且不能互溶，最为经济和方便的应用方法是直接燃烧，最具有前景的高品位应用方法是生物油分散制造、集中气化合成车用燃料。基于此背景，本学位论文通过实验和数值模拟技术较为系统地研究了生物油的雾化燃烧及气化特性，设计建立了生物油燃烧和气化应用装置。在空气气氛下采用热失重技术研究生物油及其与小

5、分子醇的混合燃料的燃烧性能，并与柴油和重油的燃烧性能进行对比。结果表明：生物油及其与小分子醇的混合燃料的燃烧都可分为三个阶段，即轻组分挥发、重组分裂解和焦炭燃烧：混合燃料中小分子醇质量分数不宜超过26％，否则其燃烧段的活化能增大，且热解焦炭所含有机官能团强度变弱，燃烧性能反而变差；生物油挥发性能及其焦炭燃烧性能均优于重油。采用相位多普勒粒子分析仪，研究生物质热解油喷雾特性。生物油的索特平均直径沿着轴向距离的增加呈先减小后增大的趋势，而沿着径向呈单向增大的趋势；随着气液质量流量比的增加，液滴的平均直径不

6、断减小，但减小趋势变缓；柴油雾化性能最好，生物油最差，添加甲醇或乙醇能增强生物油的雾化性能；利用试验数据拟合得到了生物油索特平均直径的经验公式。利用流体力学软件FLUENT分别对重油和生物油在旋流燃烧室内的燃烧进行了数值模拟，对比研究了两种燃料的燃烧和污染物排放特性，考察了旋流强度对生物油燃烧特性的影响。模拟结果表明：旋流燃烧室内存在中心回流区，生物油燃烧时回流区面积和回流量均小于重油；重油燃烧的气体组分分布的模拟结果与文献测量值较吻合，炉膛最高温度比生物油燃烧高300K，CO和NO的排放量均比生物油

7、高；随着空气旋流强度的增加，生物油燃烧时炉膛内回流区和回流量增大，CO的排放得到有效抑制，而NO排放量先升高后降低；生物油可以替代重油燃烧应用于很多工业场合。对实验室自砌小型窑炉装置内生物油的燃烧进行三维数值模拟，获得了炉膛流场、温度场、组分分布、火焰形状及污染物排放的详细信息，揭示了炉膛内部流动、燃烧及传热传质过程的特点。模拟结果与试验数据吻合良好，验证了模型的可靠性。根据实验和模拟结果对窑炉燃烧系统进行优化，缩小了炉膛体积，简化了炉膛结构，更换了雾化喷嘴。进一步的燃烧实验和模拟结果表明：摘要改造后

8、的窑炉燃烧系统达到同样雾化效果所需的雾化空气量显著降低；虽然生物油流量减小，但燃烧室的最高温度(1450K)高于改造前的窑炉；雾化空气流量的增加可以减小雾化平均粒径、增强油气混合，从而缩短液相停留时间，增加燃尽程度；但雾化空气流量过大时，会携带燃料快速移动，导致部分未燃尽组刽直接逃逸出炉膛；空气雾化流量2．0kg／h时，烟气中的一氧化碳浓度最小。随着过量空气系数的增加，区域内氧气浓度、混合气体的速度增加，湍流和燃烧剧量提高，CO浓度不断降低，NO浓度升高