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摘要

随着我国经济的发展，农村生活用能的结构发生较大变化。

一方面生物质能源如农作物秸秆的消耗量减少，常规化石能源如煤和液化气等的用量增加，但后者价格较高且呈上涨趋势；另一方面，尽管部分生物质秸秆用于加工饲料、肥料等产品，但仍有大量剩余秸秆被弃之不用或随地焚烧而浪费掉，同时也造成了环境污染。

将废弃的生物质秸秆与农村生活用能及农业设施取暖相结合，因地制宜地合理利用生物质资源，是解决农村能源与环境问题的有效途径，也符合我国新农村生态建设的需要。

本论文围绕利用生物质原料阴燃进行农业设施及农村住宅供暖的主题，针对现有应用生物质能供暖的设备的不足之处，依据工业炉设计标准，以温室大棚的取暖热负荷为例，设计出了一种使用方便、热能利用效率高的生物质阴燃取暖炉。

这无疑为我国的生物质能应用提供了一个新思路，也是在现有生物质阴燃应用技术基础上的一次大胆创新。

论文的第二部分工作是有关阴燃的烟气分析以及不同含水率对阴燃生成气浓度的影响。

本文选取锯末作为生物质原料，采用德国益康烟气分析仪，在生物质阴燃实验炉上进行实验研究，主要测定了CO和CH4这两种有毒的可燃气的浓度变化，结果表明：

随着生物质原料含水率的增加，。

以上这些工作为生物质阴燃的类似应用方式提供了参考，但关于阴燃烟气的回收利用或净化处理方面还有待研究。

关键词：

生物质，阴燃炉，生成气，烟气分析，CO，CH4

ABSTRACT

Theheattransfercharacteristicsofoxidation-bedwithembeddedheatexchangerisnumericalsimulated.Inthissystem,fortheoxidation-bedwithembeddedheatexchanger,usingnumericalsimulationmethodresearchtheinfluenceofheattransfercharacteristicsofembeddedheatexchangerarrangementandhotairflowonthesingle-tubeconvective,revealingthemechanismofoxidation-bedwithembeddedheatexchanger.Thecurvegraphofheattransfercharacteristicsoflightpipeheatexchangercanbegot.Whichcanbeseenthatthebestheattransfercharacteristicsoftheembeddedheatexchangerarrangementandfluidflowvelocity.Bycalculationanalysisingheattransferofceramichoneycombbuilt-raytubeheatexchanger,wecangettheinfluencelawofthedistancebetweenthebranchpipingsystems,flowrateandotherfactorsonthedistributionofpipeflowrule,bysimulationcalculating,wecangettheresults,makesurethebestofthebranchspacing,fluidflow,sothatthemostefficientheatexchangercanbegot,anditprovidesthebasisfortheproject.

Keywords：

oxidationbed,embeddedheatexchanger,heattransfercharacteristics,numericalsimulation.

目录

摘要Ⅰ

AbstractⅡ

第一章引言1

1.1课题的目的和意义1

1.2国内外文献资料和发展现状1

第二章CFD技术现状及应用4

2.1CDF技术介绍4

2.1.1CDF技术的发展现状4

2.1.2CDF技术的特点5

2.1.3CDF技术的分支5

2.1.4目前流行的CDF商业软件7

2.1.5CDF技术的理论基础9

2.2FLUENT软件概述9

2.2.1FLUENT软件包的组成10

2.2.2FLUENT软件的计算流程10

2.2.3FLUENT软件包的工程应用背景11

2.3FLUENT软件在流体力学中的应用12

2.3.1计算流体力学的求解方程12

2.3.2数值模拟方法和分类12

2.4FLUENT软件在换热器方面的应用12

2.5FLUENT软件常用的边界条件13

第三章数值模拟和计算14

3.1问题陈述14

3.2控制方程15

3.3边界条件16

3.4求解方法16

3.5建模与模拟18

3.5.1氧化床内置换热器系统的建模18

3.5.2网格化分18

3.5.3边界条件设定19

3.5.4物理模型选择20

3.5.5FLUENT模拟计算22

第四章分析结果和原因27

4.1结果分析27

4.1.1内置换热器布置对传热影响的结果分析27

4.1.2进口处热气流流速对传热影响的结果分析28

4.2原因28

4.2.1内置换热器布置对传热影响规律的原因28

4.2.2进口处热气流流速对传热影响规律的原因32

全文总论36

参考文献38

致谢40

第一章引言

1.1选题的背景和意义

1.1.1选题的背景

生物质能是地球上蕴藏量巨大的一种可再生能源，是世界上继煤炭、石油和天然气等常规能源之后的第四大能源，目前对其利用虽不到其总产量的1%，但它却提供了全世界近15%的能量需求。

特别是在发展中国家，生物质是非常重要的能源，能提供14%-35%的能量。

生物质具有储量大、产量稳定、经济性好且可再生的特点；并且含氮、硫量低，灰分含量少，燃烧后氮氧化物、硫氧化物和烟尘排放量低。

此外，生物质燃烧可以实现CO2零排放，大大减轻了温室效应。

因此，生物质还是一种环境友好型的清洁能源。

自古以来，生物质能就是人类赖以生存的主要能源，自从出现能源危机以来，世界各国越来越关注生物质能的利用技术，相比于常规能源，生物质能在利用形式上与其有很多相似之处，因为其组织结构与常规的化石能源燃料相近，所以生物质能可以应用许多常规能源的利用技术，从而在某些方面替代化石能源以减弱对其的依赖。

常见的生物质燃料有木质纤维（如秸秆、木材）、农产品加工业下脚料（如锯末）、农林废弃物（如树叶、稻壳）和禽畜粪便等等。

我国经济正在持续快速发展，但有限的化石燃料资源和更高的环境保护要求，使得我们面对的资源和环境压力比过去任何时候都更加严峻。

为了寻求更为高效地利用生物质能的方式，以缓解我国广大农村地区和农牧业生产的用能需求，提高能源利用热效率，减少资源浪费，减轻环境污染，在我国北方地区使用历史悠久的燃池采暖方式重新受到了人们的重视。

燃池采暖是我国北方农村采用的一种传统的取暖方式，它是利用生物质阴燃的燃烧过程缓慢、持续时间长的特点来工作的。

目前的燃池是纯经验型的，通过对燃池的工作和热能利用的分析，我们看到由于某些环节的不合理，能量利用率低，排气带走了大量汽化潜热和可燃气体。

应该对燃池的阴燃过程进行深入的研究。

此外，目前我国已经开展了秸秆气化研究，在秸秆气化炉中也包含着阴燃过程。

为了提高气化炉的科学水平，也应该对阴燃过程有深入的了解。

对阴燃的研究，目前国内外主要是以火灾预防为背景，侧重于研究阴燃的传播及其向明火转捩的规律和特征。

为了深入研究阴燃的机理，有必要深入到阴燃的化学动力学原理的层面来考虑，通过实验弄清阴燃过程气体生成的规律和影响因素是必要的基础。

与之相应的，对已有燃池采暖方式的改进的研究也开始频频出现，而基于燃池的一种创新采暖方式——生物质阴燃炉却很少有人研究。

与燃池相比，生物质阴燃炉的建造更为简单、体积更加小巧、使用更加灵活方便、热能利用效率更高、也更便于对阴燃生成的烟气进行回收利用或净化处理。

通过对温室内生物质阴燃炉的应用和阴燃可燃气体的分析进行研究，将为更高效地开发和利用生物质能源提供有利的手段和必要的条件。

本文是在这方面研究工作的一次尝试。

随着农民生活水平的提高，农业设施、装备的广泛使用，农村住宅，蔬菜大棚、畜禽舍等农业设施供暖，农产品干燥的能量需求不断增长。

与发电和城市工业耗能相比，农村的耗能分布分散、负荷强度小，更注重经济性。

生物质阴燃热释放速率低、可就地取材、经济方便，特别适合用来满足农村上述热能的需求。

利用生物质阴燃来解决我国广大农村较小负荷供热用能问题，在目前我国能源十分紧缺的情况下，将具有很好的经济、社会效益和广泛的应用前景，也应该是生物质能源利用的一个发展方向。

1.1.2选题的意义

1）可以极大缓解世界能源短缺的现状

随着全球经济的发展，人类对能源的需求必然不断地增加。

然而，目前人类赖以生存的化石能源却正在迅速地减少，世界各国已经充分认识到能源的重要性与紧缺性，所以开发新能源势必会成为促进世界经济增长和解决能源短缺问题的重要战略举措。

根据2003年6月英国石油公司的有关世界能源的统计资料显示：

地球下蕴藏的可供开发利用的煤和石油两类常规能源将分别在200年和40年内耗竭，而天然气也只能用60年左右。

与此同时，由于化石能源的过度开发利用所造成的环境污染和全球气候变暖的问题也日益突出。

目前，能源需求的差额主要通过增加石油、煤炭的消耗量来抹平，这不仅涉及到有限的石油、煤炭资源的持续问题，而且会使得危害人类的环境污染问题变得日趋严重。

因此，发展新能源，提高能源利用效率，尽可能多地利用可再生能源，加大对生物质能源应用技术的研发力度已经成为世界各国优先发展的战略目标。

2）可以改善我国农林生物质资源严重浪费的状况

近年来，由于农村经济的发展，人们的消费观念、消费方式发生了巨大变化，为追求高质量的生活水平，加之常规能源价格合适且购买方便，农民已有条件和能力使用煤炭、液化气等化石能源，农作物秸秆不再是农民能源消费的唯一选择，大量的剩余秸秆被遗弃田间地头，有些地区将剩余的秸秆在田地上焚烧，既浪费资源，又严重地污染了环境，这一现象已成为社会普遍关注的问题，成都双流机场就曾因大量秸秆随地燃烧，造成集中污染，大气能见度大大降低，致使这个机场的飞机停飞数小时之久，引起了中央领导和有关主管部门的高度重视。

据有关专家和部门估计，我国每年生产的秸秆扣除现有的各种利用，尚有4.5亿吨~5.5亿吨农业秸秆、谷物壳皮和1.3亿吨~1.5亿吨的林业树皮、锯末、树枝等剩余生物质由于没有先进、经济、高效的利用技术而被白白废弃，严重忽视了生物质的能源与生态环境作用，既污染了环境，又造成了资源的大量浪费，如此，不仅使国家的能源产业和交通业不堪重负，而且农村的生态环境问题也将日趋严重。

因此，生物质能的利用技术的开发可以极大改善这种状况，使各种生物质原料得以物尽其用。

3）有利于国民经济的长远发展和环境保护

从能源长远发展战略高度来审视，寻求一条可持续发展的能源道路，大力利用新能源和可再生（新）能源以减少对环境的污染，加快新能源对传统能源的新旧更替，已经成为我国近期急需解决的重大问题。

因此改变能源生产和消费方式，开发利用生物质能等可再生清洁能源对建立可持续的能源系统，促进国民经济发展和环境保护具有重大意义。

1.2阴燃的研究进展与现状

所谓阴燃，是一种在多孔固体物质中发生的、温度较低、无气相火焰的缓慢燃烧形式，它的进行依靠燃料本身发生异相氧化反应（即固体燃料表面和氧气直接接触反应）放出的热量得以自维持传播。

与明火燃烧相比，阴燃燃烧具有反应速度缓慢、有毒的可燃性气体（如CO、CH4等）排放多、不易完全熄灭、隐蔽性强等特点，当在外界条件适宜时，其能迅速向明火转化而常常造成火灾。

阴燃一般发生在多孔介质和堆积的颗粒型粉状物（如粉尘、煤尘和地面堆积的煤矸石等）中，而且其中不能存在火焰。

阴燃作为一种潜在的危害，广泛的存在于各种火灾中；作为一个正在发展的新技术的概念，又存在于各种热转化的过程中，如固体废物的焚烧、生物质的炭化、气化过程、大煤粉颗粒的燃烧以及燃池技术等。

阴燃是燃烧学的前沿问题之一，由于国内外研究时间不久以及该过程的复杂性，现在在理论方面的研究以数值模拟为主，旨在预测阴燃波的传播规律及各种因素的影响。

60年代，Gugan·K等人发现，由于烟头诱发而产生的火灾占很大比重。

故对香烟的阴燃传播机理做了理论及实验的研究，他们采用无量纲化的方法，确定了热辐射、热传导以及空气流在香烟阴燃传播中的作用，为后来的阴燃研究做了有益的开端。

80年代，由于火灾危害日益严重，欧、美等发达国家对其研究开始加以重视。

同时，随着计算机的发展，使阴燃的数值模拟成为可能，通过对阴燃着火过程的模拟，结合实验对比，使人们对阴燃机理有了进一步的了解。

近些年来，关于阴燃的研究，国外主要是以预防火灾为背景，侧重于对阴燃的传播以及向明火转捩的规律和特征的研究。

出于自身的需要，我国和北欧的一些国家在生物质热解气化方面有了更进一步研究，相应的一些装置也投入了生产，在发电、供热和解决能源问题上取得了一定成效。

截至目前，人们对阴燃反应机理的了解还不是很深刻，因此许多研究者先从实验研究入手，观测阴燃所具有的特殊现象和规律，然后再进行理论上的概括和总结。

通常认为阴燃包括加热干燥、降解和残炭氧化三个过程。

燃料中包含的水分分为内部水分以及大量的自由水分，所以加热干燥是一强烈的吸热过程。

降解过程既包含吸热过程又包括放热过程，在缺氧的条件下燃料吸热裂解释放出挥发成分，留下重量很轻、形状基本不变的多孔残炭，这是吸热过程，又叫热解。

在温度适宜的条件下，挥发气体遇氧发生放热的氧化反应。

氧也可参加降解过程，氧足够的情况下降解也可是净放热的。

剩余的残炭与氧发生放热反应，维持阴燃的传播。

近些年来对阴燃的研究工作主要集中在阴燃波的传播规律和传播特性上，着重探讨了影响阴燃波传播过程的主要因素。

1.2.1实验研究方面

研究阴燃的主要手段始终都是实验。

在实验中，阴燃传播被分为同向传播和逆向传播分别加以研究。

所谓同向传播，是指阴燃传播方向和气流方向一致；而逆向传播则相反。

Ohemiller,T.J.[1]从实验的角度对两种形式的传播做了量级分析与比较，采用了热解重量分析法和差异扫描量法得到：

对于逆向传播，能较快达到稳定的传播速度，而正向阴燃却是不稳定的，随碳氧化的当量值而变化。

两种方式都将受氧的分布、供应控制。

FangHe和FrankBehrendt[43]对木炭颗粒填充床自然阴燃进行了实验研究，观察结果表明，向上阴燃由运动和质量传递控制，而向下阴燃仅受质量传递影响；当使用板式加热器引燃时，反应器中的阴燃近似于一个准一维的过程。

J.L.Torero[2]通过实验研究了同向阴燃传播，结果表明：

同向阴燃传播

中有两个反应发生：

热解反应和炭的氧化反应。

当空气流速小于1.0mm/s时，波的传播主要由传热、传质过程控制，其特性与异向阴燃波传播特性相类似；当空气流速大于1.0mm/s时，位于阴燃波前部的燃烧产物对流作用加强，产生一个位于氧化波前面的吸热热解波。

Palmer[3]以可燃物颗粒：

锯末、纸箱壳碎料和草屑等为燃料进行实验，定性地研究了颗粒尺寸、燃料堆积尺寸、含水率、燃料底部物料导热系数、堆积密度、强迫对流时风速对阴燃传播速度、阴燃区温度、能维持阴燃的最小物料层厚度等的影响。

Stephen和Carlos[44]在多孔可燃材料、软质聚氨酯泡沫塑料和流过多孔燃料的某一表面的强迫气流的条件下做了一个研究从阴燃向明火转捩的控制机理的实验，结果表明向明火的转捩发生在位于阴燃前锋面下的热炭区域内而不是在交界面上。

Ohlemiller和Locca[4]以松散绝热材料和高分子聚合物为研究对象，对同向和异向两种不同的阴燃传播方式做了定量的比较。

他们发现：

异向传播阴燃很快就可达到一稳定传播速率，且此波速率由传热率决定；而同

向阴燃却不稳定，它以较高速率运动，由炭的氧化反应控制，但这两种阴燃波的特性都由供氧率控制。

Chao.Y.和Wang.J.H[36]从消防安全方面考虑，针对泡沫的长度、点火能量、泡沫的水分含量和阻燃剂对聚氨酯转捩的影响做了一系列的实验。

结果表明，这些因素可以影响阴燃向明火的转捩的发生，同时也可影响由于阴燃留下的残炭的氧化过渡时间。

Ohlemille[5]研究了纤维素物质的燃烧，并与Rogers[6,7]共同通过实验研究了阴燃向明火的转捩条件。

他们测定了两种传播方式下空气流速及可燃物对转捩的影响。

结果表明：

空气流速增加时，异向传播阴燃变化很小，且在空气流速达5m/s之前未出现阴燃向明火的转捩。

但同向传播阴燃对空气流速反应强烈，所以阴燃异向传播方式带来的着火危害性比同向传播小。

1.2.2数值模拟方面

阴燃机理的复杂性决定了仅靠单纯的实验无法揭示本质性问题，把实验与数值模拟计算相结合，才是深入研究阴燃过程的有效途径。

T．Kinbara[8]等人对一密布纤维材料的垂直杆做了一系列向下传播的阴燃实验，模型以一维稳态传导方程为基本方程，重点在于解释向下传播的阴燃速度与燃料干中样品的宽度、大气温度之间的关系。

Buckmaster[9]等模拟扩散燃烧讨论了正向一维阴燃模型及模型方程的解，所得结果证明与学者们已得出的实验数据一致。

DavidLozinski和JohnBuckmaster[42]采用渐进的方法对多孔介质中的一个逆向阴燃简化模型进行了分析，在这个模型中唯一的化学反应是氧化放热反应，燃烧速率是风速的单值函数，它从零增至最大值，然后回到零值点。

当加入吸热的热解反应后，燃烧速率是风速的双值函数（除了一些最大值外）。

Rostami[10]等建立了多孔柱状生物质阴燃的模型，包括热解和燃烧反应的动力学模型和用CFD进行的流动和能量的模拟。

并用此模型预测了二维轴对称多孔介质正向阴燃中气态和固态物质的温度，氧的浓度及压力分布。

Fatehi,M.[11]等人研究了木材颗粒填充床减密度模型下的绝热异向阴燃。

采用木材的单步反应模型，分别讨论了氧气完全消耗和燃料完全转化两种情况下的解计算得出传播速度、燃烧温度和固体燃烧程度主要由进入模型的气体流速决定，实验结果与预测结果保持了很好的一致。

Hsiang一ChengKung[12]专门对木板的热解进行了研究，对于该模型用一组非线性双抛物线偏微分方程描述，用Crank一Nicolson方法迭代求解。

得出热解波受挥发成分的对流和木炭传导率影响的规律。

Schuit,D.A.[13]等人从热物理的角度出发，详细研究了强迫对流下的正向和反向阴燃过程，建立了比较完善的理论模型，并对反映阴燃特性的燃料层中的诸如反应层、传热层等各个区域性质的微分方程组无量纲化，给出了具体的数值计算方法和最终的计算表达式，重点分析了阴燃的传播和熄灭过程。

Z.Lu,J.Buckmaster.etal[45]在富燃料波和贫燃料波共存的模型下用数值方法研究逆向阴燃波的稳定性，结果证明逆向阴燃波的线性稳定性的边界取决于风速。

P.Durbetaki[14]认为当气流速度较低时，着火发生在固体、气体的分界面上，即所谓的表面着火；当流速较高时，着火模式转化为气相着火。

K·Annamalai和P.Durbetaki[15]研究了煤的着火过程，认为对于不热解的固体粒子，着火发生在表面上；而对于完全热解的物质，着火一般发生在气相中；对于部分热解的物质，如煤，着火模式取决于粒子尺寸、挥发分含量和外界氧气浓度。

小粒子比大粒子更有可能在表面处着火。

1.2.3国内的研究进展

国内对阴燃的研究起步较晚，实验研究和数值模拟基本上是同步展开的，但多多少少也取得了一些成果。

解茂昭，郭晓平[16,17]等人基于碳粒的燃烧理论，首先对碳粒填充床上的阴燃过程进行了一维和二维数值分析与模拟计算，然后将控制方程组无量纲化后转化为离散方程，最后利用PISO算法迭代求解，并给出算例，将计算结果和他人的实验结果进行了比较。

浙江大学的马增益[18]等进行了强迫对流下木屑水平床阴燃实验，实验发现：

气流速度增大，阴燃传播速度也会随之增加，不同气流速度下阴燃生成气体中CO2和CO的排放浓度变化不大。

解茂昭[19]等人对水平燃料床阴燃的传播及其向明火转捩做了实验研究。

发现在同向和逆向传播的两种情况下燃料床不同高度层的阴燃传播有不同的规律。

另外，实验结果也表明，阴燃转捩为明火的临界风速不仅取决于燃料本身性质（空隙度、含水量等），还与风速增加的规律有关。

大连理工大学的孙文策[16,20,33]等围绕着阴燃的应用进行了较为全面的研究，先后对利用阴燃进行取暖的燃池的工作特点和热能利用，纤维颗粒燃料阴燃引燃过程，燃池内的阴燃过程的实验分析，水平燃料床、竖直阴燃的传播和气体成分等多个方面进行了实验研究和理论分析。

李月宁[21]也在强迫气流下对阴燃形成过程中的影响因素以及阴燃过程的传播进行了实验研究。

实验结果表明：

加热功率、氧化剂流速和加热时间都对阴燃的形成有重要的影响，在相同的加热条件下，同向阴燃比逆向阴燃更易形成。

另外，在农村设施及养殖业等方面亦有许多应用阴燃的例子，譬如沈阳农大的王铁良[22]等人对燃池在日光温室中的加热进行了实验研究。

关于燃池用于养蝎[23]、用于农村校舍的取暖、用于农户的取暖也有相关文献予以报导。

1.2.4现有生物质能源的主要应用技术

近些年来，生物质废弃物的应用技术越来越受到世界各国的关注。

特别是近一二十年，人们普遍提高了能源与环保意识，对地球固有的化石燃料日趋减少有一种危机感，在可再生能源方面寻求能源持续供给的今天，生物质利用新技术新途径的研究与应用，才有了快速的发展。

经过20年左右的时间，我国生物质能开发利用取得了长足的进步，主要涉及到气化、液化、热解、固化和直接燃烧等技术。

生物质自古以来就是人类赖以生存的主要能源，随着人类社会的不断进步，生物质的利用己经有多种不同的方式，同样适合于农作物秸秆的利用，目前，生物质能的转化利用方式总结起来主要有以下几种：

一是通过生物质直接燃烧技术供给热量或用来发电；二是运用生物质热解气化技术将生物质原料转化成气体燃料，如沼气、氢气和一氧化碳等等；三是利用液化技术将生物质原料转化成液体燃料（亦称为生物燃料），主要包括两种：

甲醇和乙醇；四是应用固化成型技术把生物质原料制成固体成型燃料，来提高生物质燃料的能量密度。

而在生物质的各种应用方式中，作为传统方式的直接燃烧仍占主要地位，80%左右的秸秆都被农户以燃烧的方式消耗掉,综合利用率不到20%。

1.2.5生物质阴燃炉的研究现状

刘炳民[24]建立了立式阴燃炉，以典型的生物质——锯末为燃料，采用高速温检仪和气相色谱仪，通过改变阴燃炉的保温性、加热的温度、阴燃方式、进气量、烟气的排气方式及燃料中水分含量等因素，研究了这些控制因素对阴燃温度场和生成气成分的影响，发现了一些规律。

郭晓平、孙文策、解茂昭[25]等为了分析燃池内的燃烧过程，设计制造了水平和竖直的纤维质燃料阴燃实验台，进行了阴燃过程气体成分的实验分析。

实验结果给出了在不同的阴燃阶段CH4、H2、CO和CO2等气体的生成规律，以及含水量、空气量和