生物质甲醇燃料引射式燃烧器自适应配风特性及结构优化研究
发布时间：2020-10-10 21:22
面对日益紧张的能源形势和严重的环境污染，生物质甲醇燃料作为一种新型的可再生清洁能源，受到人们的广泛研究与应用。由于其热值较低，且汽化潜热较大，直接燃烧的火焰温度和燃烧效率低，这严重阻碍了生物质甲醇燃料的推广应用。因此，研究设计一种新型生物质甲醇燃料高效燃烧能源化利用技术，有重要的实用意义和应用价值。 本文首次提出了生物质甲醇燃料自适应配风引射式燃烧技术及燃烧器：即将液体生物质甲醇燃料汽化，用汽化后的气体燃料引射完全燃烧所需的空气进行燃烧的方法。设计出功率为100kW的生物质甲醇燃料引射式燃烧器，并利用数值模拟的方法研究了燃烧器的自适应配风特性。分析了引射器燃料喷嘴的安装位置、引射器喉部直径与喷嘴出口直径比值α、引射器工作压力和引射器背压对引射系数的影响，找到各因素对引射系数的作用规律。利用配风特性优化原始设计参数，得到自适应配风的最佳结构参数。最后利用实验方法对最优结构的燃烧器进行多工况实验研究，获得了燃烧器的实际引射系数、燃烧效率和燃烧温度分布等特性，并与理论研究结果进行了比较分析。 研究结果发现：（1）生物质甲醇燃料引射式燃烧器的结构参数对摩尔引射系数和燃烧器自适应配风特性有重要影响。主要表现在以下方面：当引射器的喷嘴安装位置在引射器喉部到吸入段入口之间变动，摩尔引射系数基本保持不变；喷嘴插入喉部或离开吸入段入口，摩尔引射系数出现较大变化。引射系数随着引射器喉部直径与燃料喷嘴出口直径之比α增加而增加，当α=8.5之后摩尔引射系数基本保持不变。随着引射器的工作压力的增加，引射系数基本保持不变。当引射器的背压升高，摩尔引射系数迅速减小，引射器背压高于250Pa时，燃烧器不能正常工作。（2）实现了生物质甲醇燃料引射式燃烧器自适应配风功能，得到最佳结构参数及比例。最优结构各关键参数保持比例如下：引射器吸入段入口直径、喉部直径、扩压段出口直径、喷口直径和燃烧室直径之比为D_X：D_H：D_D：D_P：D_C=2:1:1.9:1.5:5.7；引射器混合段、扩压段、收缩段和燃烧室的长度之比为L_H：L_D：L_P：L_C=5：5：1：10。（3）最佳结构的生物质甲醇燃料引射式燃烧器可实现大范围负荷变动下燃烧器的自适应配风，且燃烧稳定，燃烧效率达99.2%以上。当燃烧器负荷从25%~120%变动时，引射系数随着燃烧器的功率增加而少量减小，引射系数变化率为6.3%，实现了燃烧器的自适应配风功能。当燃烧器负荷从25%增大到120%时，燃烧器的燃烧效率都能保持在99.2%以上，燃烧效率有显著提高。当燃烧器负荷小于40%时，燃烧温度随着燃烧器的功率增加而增加，当负荷大于40%时，燃烧温度基本稳定在1650K。
【学位单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2013
【中图分类】：TK6
【部分图文】：
用 gambit 建立燃烧器的初步：对燃烧器湍流流动的模拟采用 k-ε 模型[41]很好的效果，能很好地模拟强湍流流动。采模拟燃料在燃烧区域的燃烧化学反应，并采的相互作用。基本控制方程均采用有限容积用 QUICK 格式，其余控制方程的离散采用结果得到优化的燃烧器结构，若得不到理想验证。主要的研究流程如图 1.1 所示。平台，使用热电偶测定燃烧的温度分布和气压力值，通过烟气分析仪分析烟气成分，计量，测定引射器混合段混合气体状态和流量量和空气流量的比值，从而研究引射式燃烧实际需求参数
图 2.1 燃烧器工作原理Fig. 2.1 Working principle of the burner由于缺少生物质甲醇燃料引射式燃烧器的设计资料，本课题中理论设计是参照燃气燃烧器的设计理论，完成燃烧器的初步设计，通过后续的数值模拟研究，来进一步优化原始设计，使之能够满足生物质甲醇燃料燃烧的要求。2.2 燃烧器设计理论计算根据燃烧器设计的额定工作参数，参照相关文献和燃气燃烧器设计资料，对燃烧器燃料流量、空气流量进行理论计算。最后根据计算结果和燃烧器结构设计计算公式，对燃烧器各部分结构尺寸进行计算。2.2.1 燃烧器负荷设计本课题设计燃烧器，主要应用于工业炉窑加热，根据实际工业需求和兼顾考虑实验室仪器的额定工作参数、数值模拟运算量、以及燃烧器实物加工难易程度等因素后，设定燃烧器的额定输出功率为 100kW。实际燃料参数如表 2.1 所示。
图 2.2 燃烧器结构简图Fig. 2.2 Burner structure diagram2.3.1 汽化器设计计算汽化器的设计依据是燃料的汽化传热量和传热原理。燃料在燃烧室内燃烧产生热量，一部分传递到汽化器内。液体燃料进入汽化器螺旋管内被加热，逐渐变成燃料蒸汽，再进入燃料喷嘴引射空气[48-49]。①热流量计算32 1 ,( )g q CH OH g cL t t Q L（2.10）其中：Φ 是汽化器的热流量，单位 W；c是燃料的比热容，单位 kJ/(kg·K)；Lg是燃料的质量流量，单位 kg/s；Qq,CH3OH是甲醇汽化潜热，单位 kJ/kg；t2是汽化器出口温度，单位 K；
【参考文献】
本文编号：2835609
【学位单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2013
【中图分类】：TK6
【部分图文】：
用 gambit 建立燃烧器的初步：对燃烧器湍流流动的模拟采用 k-ε 模型[41]很好的效果，能很好地模拟强湍流流动。采模拟燃料在燃烧区域的燃烧化学反应，并采的相互作用。基本控制方程均采用有限容积用 QUICK 格式，其余控制方程的离散采用结果得到优化的燃烧器结构，若得不到理想验证。主要的研究流程如图 1.1 所示。平台，使用热电偶测定燃烧的温度分布和气压力值，通过烟气分析仪分析烟气成分，计量，测定引射器混合段混合气体状态和流量量和空气流量的比值，从而研究引射式燃烧实际需求参数
图 2.1 燃烧器工作原理Fig. 2.1 Working principle of the burner由于缺少生物质甲醇燃料引射式燃烧器的设计资料，本课题中理论设计是参照燃气燃烧器的设计理论，完成燃烧器的初步设计，通过后续的数值模拟研究，来进一步优化原始设计，使之能够满足生物质甲醇燃料燃烧的要求。2.2 燃烧器设计理论计算根据燃烧器设计的额定工作参数，参照相关文献和燃气燃烧器设计资料，对燃烧器燃料流量、空气流量进行理论计算。最后根据计算结果和燃烧器结构设计计算公式，对燃烧器各部分结构尺寸进行计算。2.2.1 燃烧器负荷设计本课题设计燃烧器，主要应用于工业炉窑加热，根据实际工业需求和兼顾考虑实验室仪器的额定工作参数、数值模拟运算量、以及燃烧器实物加工难易程度等因素后，设定燃烧器的额定输出功率为 100kW。实际燃料参数如表 2.1 所示。
图 2.2 燃烧器结构简图Fig. 2.2 Burner structure diagram2.3.1 汽化器设计计算汽化器的设计依据是燃料的汽化传热量和传热原理。燃料在燃烧室内燃烧产生热量，一部分传递到汽化器内。液体燃料进入汽化器螺旋管内被加热，逐渐变成燃料蒸汽，再进入燃料喷嘴引射空气[48-49]。①热流量计算32 1 ,( )g q CH OH g cL t t Q L（2.10）其中：Φ 是汽化器的热流量，单位 W；c是燃料的比热容，单位 kJ/(kg·K)；Lg是燃料的质量流量，单位 kg/s；Qq,CH3OH是甲醇汽化潜热，单位 kJ/kg；t2是汽化器出口温度，单位 K；
【参考文献】
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本文编号：2835609
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