毕业论文生物质燃烧器燃烧与传热设计计算.docx

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毕业论文生物质燃烧器燃烧与传热设计计算

本科毕业论文

（2014届）

题目

生物质燃烧器燃烧与传热设计计算

学院

理学院

专业

应用物理

班级

10073211

学号

10072129

学生姓名

吴仁东

指导教师

丁宁

完成日期

2014.5

摘要

近年来，新能源的研究热度不断上升，相比较于其他的新型能源而言，生物质能源能够先后成为世界各国研发的重点科目，不无道理，它拥有的优点有：

1.资源分布十分广泛，获取简单方便。

2.它的使用对环境几乎没有污染，绿色无害。

3.可再生而无需担心能源供应的枯竭。

4.符合可持续开发使用的先进理念。

5.使用方法简单便捷，全民皆宜。

6.应用面十分宽广，能够发展多型产业。

直接燃烧乃是最早同时也是最为简单的从生物质体中获取生物质体中所蕴含的能量的方法，因而得到绝大部分致力于生物质的开发和研究的专家和学者们的青睐。

在自然条件下，直接燃烧因受到各方面的影响（譬如供氧不足、热量容易散失），生物质能的利用率十分低下，生产的能量也就仅仅只够维持日常生活的使用。

这样的生物质能利用方式，不仅会导致资源的极大浪费，同时也因不完全燃烧而衍生出众多的有害物质（譬如二噁英），这与现今要求节约、高效和安全的社会形态是格格不入的，这也就是直燃技术不能大规模大范围施行的原因所在。

因此，我们需要一种更加科学的方式去改善直燃技术，使之能够为我们谋求福利，生物质燃烧器的出现，正是契合了这种要求。

对于生物质燃烧器而言，运用科学而有效的方法，在直接燃烧的情况下，寻求生物质能源能够高效、安全的转变成我们所需要的能量的方法，无疑成为了生物质燃烧器的宿命。

人们对于生物质燃烧器技术的期盼，更是坚定了致力于开发和使用生物质燃烧器技术的先辈们的决心，同时也激起了我们这群后辈献身其中的美好愿望。

本文将结合热化学和热物理的知识，基于各位致力于生物质能源的开发和使用的先驱们的研究之下，附加本人对于生物质燃烧器的一些见解，针对于生物质燃烧器的最为重要的燃烧和传热这两个方面，运用理论计算和现实试验结合的方法，评价此次设计与计算的合理性，这必将对以后的生物质能的研究和发展提供一定的助力。

关键词：

生物质燃烧器；燃烧；传热

ABSTRACT

Newenergyresearch’sheatisrisinginrecentyears,comparedwithothernewenergy,biomassenergyhasbecomethefocusofthesubjectofresearchanddevelopmentofallcountriesintheworld,makessense,ithasseveraladvantages:

1.Theresourcedistributionisveryextensive,foreasyandconvenient.2.Itisalmostnopollutiontotheenvironment,theuseofgreenharmless.3.Renewablewithouthavingtoworryaboutenergysuppliestodryup.4.Accordwithsustainabledevelopmenttousetheadvancedidea.5.Usingthemethodissimpleandconvenient,issuitableforuniversal.6.Applicationisverywide,candevelopmoretypeofindustry.

Directcombustionistheearliestandmostsimplefrombiologicalplastidcontainedinthebiologicalplastidofenergymethod,andthusgetthemostcommittedtothedevelopmentofbiomassandtheresearchofexpertsandscholars.Undernaturalconditions,directcombustionundertheinfluenceofvariousaspects,suchaslackofoxygen,heatiseasytolost）,biomassenergyutilizationratioisverylow,theproductionofenergyhaslastedonlyfortheuseofeverydaylife.Suchwayofbiomassutilization,notonlyresultsingreatwasteofresources,butalsobecauseofincompletecombustionandspawnedmanyharmfulsubstances（suchasdioxin）,ithastodowithsaving,highefficiencyandsafetyofsocietytodayis,thatisdirectcombustiontechnologycan'tlarge-scalewiderangeforthecause.Therefore,weneedamorescientificwaytoimprovethedirectcombustiontechnology,toseekbenefitsforus,theemergenceofbiomassburner,itisfitfortherequest.Forbiomassburner,usingscientificandeffectivemethod,inthecaseofdirectcombustion,seekingbiomassenergyefficiently,safelyintotheenergyweneedmethod,undoubtedlybecomethefateofbiomassburner.Hopeofbiomassburnertechnologyforpeople,butalsoestablishedtheiscommittedtothedevelopmentofthetechnologyandtheuseofbiomassburnerpredecessorsdetermination,butalsoarousedourthisgroupofjuniordedicatedtooneofthegoodwishes.

Thisarticlecombinedwiththermalchemicalandthermalphysicsknowledge,basedonyourcommitmenttothedevelopmentofbiomassenergyanduseundertheresearchofpioneers,additionalhimselfforsomeopinionsofthebiomassburner,forbiomassburnerofthemostimportantcombustionandheattransferthesetwoaspects,usingthecombinedmethodoftheoreticalcalculationandpracticaltest,evaluatetherationalityofthedesignandcalculation,itwillbeforfutureresearchanddevelopmentofbiomassenergytoprovidecertainhelp.

Keywords:

biomassbuener;burn;conductheat

1．引言

在化石能源日益枯竭的今天，发展和使用替代能源必然是重中之重，因为这是关系到人类是否能够继续向前发展的重大决策。

在众多可替代化石能源的新兴能源里，太阳能因适用性广泛而得以崭露头角，在近几年的发展之中，由于其转化效率处于瓶颈阶段，发展势头不再强盛；风能，水能，地热能等，则因地理所限，开发有限。

在上述新兴能源遇到瓶颈之时，生物质能源的出现，给探索替代能源的先驱们带来了一丝光亮。

生物质能，简而言之，就是生物体所蕴含的能量，除了非生物体之外，这世界上的所有事物都可以充当生物质能，来源十分广泛，而且蕴含量惊人，并且生物质能是可再生的绿色能源，符合环境友好的条件和可持续发展的战略。

生物质能源是新兴能源的一员，但是我们对他的研究和使用则是可以追溯待我们祖先发现火并加以使用之时。

现阶段，生物质能源在工业领域的应用，并不如石油等化石能源宽广，但在日常的生活中，特别是农村，却是离不开他的身影，例如烧火做饭等。

现如今已经是21世纪了，科学的发展也已经到达了一个新的高度，使得我们不用像祖先们一样简陋的使用这些可贵的能源，在各种能源利用技术的带动下，各种新型能源利用设备层出不穷。

对于生物质能源而言，最为重要的利用途径就是燃烧，这也就促生了生物质燃烧器的产业的发展。

由于工业革命之后，人们的注意力都放在了石油等不可再生的化石能源，致使生物质能源的使用和研究出现断层，现如今，在各方人员的努力钻研之下，有望在各个领域实现突破。

在燃烧器的研究方向，有赵明勤同志对粉状生物质燃烧器的研究的一些努力[1]，李小二同志对生物质捆绑烧锅炉的设计与研究[2]，值得一提的是是向衡等人研究设计的脉动燃烧器[3]，是在分析了脉动燃烧的优点与生物质燃烧的特点后产生的灵感，该款设备能够维持稳定的脉动燃烧，并且它的出气口很是洁净，几乎见不到黑烟的形成，燃烧也比较充分，炉膛温度维持在800~1000℃的特点，用途广泛，为生物质能源的使用提供了一个新的途径。

基于各位致力于发展生物质能的开发和利用的前辈们的研究，我才有机会结合我现今所学的知识和所接触到的试验，针对于生物质燃烧器的燃烧和传热这两个方面，给出我的设计和计算理念。

本文将会从生物质燃料

燃烧的特性和热物理的基础入手，并结合锅炉原理去解剖生物质燃烧器的结构和运行原理，结合热化学理论和物理的传热的知识，以生物质的燃烧和燃烧器传热为切入点，结合试验去分析设计方案的可行性。

2．生物质的发展及其开发利用方式的介绍

2.1国内外生物质能的发展历程

自从19世纪70年代开始，第二次工业革命的发生，化石能源相比较于其他能源（主要是生物质能）的优越性，在世人的面前显露无疑，从而导致了人们对化石能源的需求与日俱增，消耗量也是逐年攀升。

并且，世界范围内的各个地区与国家之间，存在着严重的需求不平衡关系，这必然将会导致物价上涨，以及增加战争爆发的可能性。

人类社会已经步入21世纪，在这个新的世纪里，人们对化石能源的需求与依赖性，并没有呈现出一丝减弱的迹象，反而表现出持续递增的发展趋势（特别是在一些发展中国家中，比如中国）。

同时，在另一方面，传统的化石能源（如石油，煤炭和天然气等）乃是不可再生能源，他们现今的存储量都是一定，用一点就少一点，终有一日会被我们使用完全的，以及我们对它们的使用，在这个使用过程中会对我们的生存的环境制造难以估计的损失。

以上这些化石能源的局限性，对于当今追求绿色健康、可持续发展的新型社会形态而言，开发和使用可再生、环境友好的新型能源势在必行，一度成为现今社会和世界各国的的研究热点。

在寻求新型能源来代替传统化石能源的愿景下，除了风能、水能和太阳能等被人熟知并大规模使用的新能源外，生物质能也得以在世人面前崭露头角。

生物质能的应用和利用，主要是使用农林业的副产物如秸杆、麦草等原料，经过物理转变或化学处理甚至生物转化等方法，使之从低品位的能源形态一跃成为可供人们轻易使用的高品位的能源。

与化石能源相比，合理的发展和使用生物质能源，对环境几乎不会造成任何影响，更不会有污染环境，生物质能源乃是源于生物，生生不息，是一种可再生的能源，不会出现像传统的化石能源枯竭的现象，同时发展和使用生物质能源，将会对现在的环境状况进行改善，并且保护现在的环境状况，是人类目前所能掌握并使用的最为理想的能源形态。

从根源上来看，我们所使用的所有能源，都是太阳能在地球上的一种表现形态，生物质能

源也不例外，同时它也是我们这个世界上，唯一的可再生的含碳物质的能源，是人类赖以生存的重要能源。

从人类的角度来讲，生物质能的使用是整个人类社会进步的根本所在，从地球生命的轨迹来讲，从出现捕食生物的出现开始，生物质能就推动着整个世界的生命的演化，生物质能不可谓不重要。

虽然在工业革命之后，在人们的生产之中，舍弃了最为原始的生物质能源使用形式，改而使用煤炭、石油和天然气等更加便捷和高效的能源，但是我们应该知道的是，煤炭等高效能源的产生，正是来自于生物质能基于某种特定条件下的转换。

生物质能源在能源家族中的地位极关重要，据相关数据显示，生物质能源的消耗占能源总消耗的第四位，预计到下个世纪中期，生物质能源的消耗会因新技术的突破而达到总能耗的40%，这其中的差额巨大，发展前景广阔。

2.1.1生物质能源在国外的发展历程

20世纪所爆发的能源（特别是石油）危机，给了世界各国一个明确的警示，同时也坚定了人们寻求替代化石能源的绿色能源的决心。

与此同时，坚持科学的可持续发展观的提出，并且保护我们的生存环境不再被破坏的理念也深入人心，人们渴望去寻求可循环再生的发展模式，可再生能源方案的提出，给予除与黑暗无助的人们以黎明曙光，生物质能源也就理所当然的浮出水面，并受到人们的重视与礼待。

现如今，已经到21世纪，人类社会也已步入新纪元，而能源危机却并未因科技和文明的进步而消失，反而有越演越烈之势。

发展替代能源的呼声越来越高，特别是可再生、无污染的绿色能源的开发与研究，已成为国际社会所关注的重点。

欧洲联盟就提出，2010年的能源总消量的15%将由生物质能源提供；日本在支持可再生能源上，也是不遗余力：

02年的12月27日，日本内阁研究决定，通过《日本生物质综合战略》，从此以后，生物质能源作物将被允许作为商品，使用也将变得更加灵活；《可再生能源促进法》（于1997年通过）正式生效，日本政府鼓励发展可再生能源，并计划到2010年为止，消耗的可再生能源在能源总消耗中的比例，由1.1%调升到3.1%，生物质能源的供应量要达到新能源总供应量的70%乃至以上[4]。

美国作为世界上的超级强国，他们对待生物质能源的研发，不可谓不狂热。

早在1997年，美国国会就已经决定把投入与生物质能的研发经费，由最初的1.9亿上调到了

4.42亿，并表示将会再追加投入高达2.4亿美元，研发经费投入的增加幅度，令在惊讶；美国国会还提出鼓励农业发展的政策：

未来10年，减少或者减免农业赋税高达21亿美元。

仅仅只过了3年，美国农业部和能源部就将《发展和推进生物质基产品和生物能源》的报告递交给了总统，2000年的6月份，“生物质研发法案”通过了，同时决定展开利用生物质来制得能源物质、工业用品和化学制品原料的相关工作：

计划生物质燃料的供应占比由01年的0.5%，攀升到10年的4%，2020年的份额还要增加6个百分点，这三级跳的上升幅度很是惊人；以生物和生物副产品为原料制得的化学品份额规划，也将从2001年的5%增加到了10年的12%，到2030年，将会达到惊人的4分之1。

在紧接着的2002年，美国还专门设立了两个机构：

“生物质项目办公室”和“生物质技术咨询委员会”，规划了生物质发展路线图：

到2020年，美国生物质能源制品的总量，将增加20倍，农民也将因此增加200亿美元的收入，现今社会最为关注的碳排放问题也将得到缓解，将以每年1亿吨的形式进行消减。

同年，美国环保署与能源部和农业部，配合拟定了生物质材料的研发方案。

生物质能源的研发也受到了美国总统布什的重视，并在2006年的全国致辞大会中指出，生物质能的开发和利用技术的相关研究要在未来的六年内完成，确保至2025年，75个百分点的进口石油江北美国自产的生物质燃料替代。

2004年9月，“世界经合组织”的报告就指出：

世界各国及地区政府，有责任为生物质能源的研发和使用提供支持和鼓励，使之与传统化石能源的价格相当，从而实现替代的最终目的[5]。

在以上所提到的几个致力于生物质能开发和使用的国家中，对于生物质能的研发工作，主要聚集在气化、直燃、固化和液化等这几个方向[6]。

在生物质气化方向较为成功的案例有奥地利的以木材剩余物为主要燃料的区域供电计划；加拿大建设了12个实验室致力于生物质气化技术的研究；瑞典和丹麦实行的生物质热电联产的计划。

值得一提的是，弗瑞尔和巴里的专利：

生物质循环流化床的快速热解技术及其配套设备，终于在1998年发布了，这无异于给生物质能源行业打了一针兴奋剂。

就目前而言，已被成功开发的直接燃烧技术有：

能够使用林副产品（如枯枝落叶）和林产品加工剩余的废弃物（如家具厂的边角料）的燃烧蒸汽锅炉。

至于固化成型

技术，主要有以下三大类：

螺旋挤压成棒状（以日本为主），活塞挤压成圆柱型（欧洲各国），内压滚筒成颗粒状（美国）。

生物质也可以在特定条件下，液化成其他利用性更广泛的原材料，如乙醇，就是利用生物发酵或酸水解的技术而生产，可作为汽车的燃料使用，同时他还是一种重要的工业原料。

各个国家，因地理和国家情况的不同而导致使用原料上的差异，譬如加拿大使用的是木质材料，比利时则是使用甘蔗，美国却是使用农林生物质和玉米。

2.1.2国内对生物质能源开发和使用的政策与现状

对于当今社会而言，国家拥有的石油的存储量，直接关系到一个国家的发展。

我国乃是一个石油严重贫缺的国家，已探明的仅占世界石油存储量的2%。

据有关数据显示，2006年，我国的石油消耗量约为3.5亿吨，而我国的进口原油就已经达到了1亿4千万吨以上，成品油也接近了3700万吨，进口石油占了我国石油总消耗量的一半以上，预计这个份额在未来还会增加，情势十分严峻。

就是由于这个，国家对于生物质能的研发投入，真的是不遗余力，己经连续4次列入国家重点科技攻关项目，现在已经展开的生物质研发和应用项目有农村沼气池建设、节柴炕灶的设计与应用、生物质压块成型、生物质液体燃料的制取等。

2005年的第十届全国人民代表大会常务委员会第十四次会议，决策通过了《可再生能源法》，于2006年开始实施，与之相关的决策将会陆续出台，从法律上确定了可再生能源在现有能源体系中的战略地位。

我国用来提取乙醇的主要原料是玉米，据不完全统计，我国2005年的燃料乙醇产量就已经达到了102万吨。

其它原料譬如小麦和木薯等，鉴于提取成本较为高昂，中央财政研究决定通过出售国债、减免税收、经济补贴等鼓励政策，来支持燃料乙醇产业的发展。

燃料乙醇2006年的补贴标准是1373元每吨，同时国家对于以玉米为原料的企业，将减免5个百分点的消费税和增值税的17%。

在支持燃料乙醇生产的基础上，国改委研究决定，在2006到2007年期间，实现生物质高新技术的产业化，力图在“十一五”末达到生物质产业替代1*10^7吨石油和5*10^6万吨标准煤的成效[7]。

虽然我国的生物质能研发工作起步较其他国家略晚，但是随着我国科技的发展和水平的提高，生物质能的研发工作正有条不紊的进行着，并且取得了一些耀眼的成绩

。

自80年代起，生物质的研究与开发就被列入国家攻关计划，并投入不菲，特别是在气化、固化、热解和液化领域，已初步形成了中国特色社会主义的生物质能产业。

相比较于其他的生物质能研发领域，气化算是在我国发展较为迅捷的了，生物质燃料的气化应用在供热、供气和发电上。

致力于气化研究的机构有中国林科院，山东能研所和广州能研所，此外，北京农机院和浙江大学等也都拥有自己的生物质气化研究项目。

中国林科院的研发成果有上吸式气化炉（在80年代研发成功，主要用于集中供热、供气，并在黑龙江、福建得到了有效地应用）、可民用的气化系统（以枝桠为原料，需要对枝桠进行削片处理）、应用内循环的流化床的气化系统（以秸秆为原料，气化热效率高达70%，制得煤气的热值接近于中等程度）。

山东省能源研究研制的是下吸式气化炉，该设备乃是用于处理农业废弃物，在农民聚集的地区发展较快，现已成产业。

广州能源研究所研发成功的是应用外循环流化床气化技术的气化发电系统，产能达180Kw,该系统所使用的原料乃是木粉和木屑，制取的煤气既可以作为干燥热源又可以用于发电[8]。

于80年代中期开始研发的生物质固化成型技术，经历了几十年的发展，现已实现工业化生产，主要以木屑为原材料制作棒状成型物为主。

在生物质固化成型技术方面建树最多的还是中国林科院，在1990年，在与江苏东海粮机厂的合作下，研发出了单双头两种型号的棒状成型机，8年后，江苏正昌集团主动寻找到了中国林科院并寻求合作，内压滚筒式颗粒成型机也就理所应当的研发成功了。

2.3生物质燃烧器的研究意义

在矿物资源日益枯竭的今天，已经不允许我们像以前那样铺张浪费现有资源了，反而有了几分使命感去坚决履行可持续发展战略，并以保护自然资源和生态环境为出发点，以科学的态度去寻求以循环经济、生态经济为指导的绿色可再生能源。

生物质能源不仅能够符合这些要求，同时它还拥有多功用、多效益、简便易得等特点，能够支持国家重大战略的实施。

生物质燃烧器作为最为成熟和广泛的开发生物质能的一种方式，它的科学研发和使用并将给我们带来长远而重大的影响，具体的表现如下：

2.3.1有利于解决“三农”问题

“三农”问题一直是我国社会形态的重大研究课题，也是关系到我国经济能否健康发展和是否能够全面建设小康社会的关键性问题，是直接关系到8亿多农村居民和1亿多农民工人切身利益的重大决策性问题。

生物质产业作为一种多功用的新兴产业，不仅占据着食品、医药、家具等领域，并逐步开始向能源、生物基材料、林木化工等众多领域扩展。

对于以后的农民而言，他们的工作不仅仅是为了生产食物，同时也在生产能源和化学制品等的基础材料。

以一家四口拥有10亩地，1亩地每年生产的秸秆（秸秆的收购价为200元每吨）的平均水平来计算，农民的人均收入将增加500元左右，同时，农户还可以承包山头和土地来种植经济产物来增加收入，将有效的解决农民收入偏低的现状。

2.3.2有利于保证国家能源安全

所谓的能源安全，指的是对一国经济发展和国防至关重要的能源的供应安全，其实，能源安全还应包括能源生产与使用过程的安全。

我国地域宽广，物资丰饶，但是转向能源这一块上，却非如此。

据相关数据显示，我国自产的能源远远不能满足经济发展的需求，特别是石油，乃是国民经济发展的命脉，仅2006，进口石油的总量就达到了1.8亿吨，占我国石油消耗量的50%还多一点，极度依赖于进口。

我国的这种变态的能源供应状态，无异于玩火自焚，无异于将自己的心脏交到他人的手上，能源安全迫在眉睫。

据有关专家推测，我国所拥有的煤炭仅供再利用150年，而存储的石油将极有可能在2037全部耗尽。

由此可见，在没有进口的情况下，我国的能储量将难以支持我国未来几十年的发展，能源的需求与供给已经出现断层。

结合我国现状可知，将国家经济的发展依靠化石能源的做法是不可行的，有且只有发展新型的替代能源，才能有效地解决能源安全问题。

我国大部分地域处于气候温润