生物质流化床气化机理与工业应用研究

论文摘要

作为生物质热化学转化技术中的一种，生物质气化的目标是尽可能多地得到高品质燃气。在各种气化反应器中，由于流化床具有气固两相接触充分，传热传质强烈，床层温度均匀，易于放大等特性而特别受到重视。生物质流化床气化反应器被认为是最具开发前景的生物质气化反应装置之一。目前，生物质流化床气化主要面临的问题有：燃气中焦油含量偏高且净化困难：燃气热值偏低(特别是空气气化)；仍然缺乏一个系统完整的气化装置放大准则；模型模拟结果与试验结果相差较大等，这些存在的问题直接影响了生物质气化技术的推广和应用。 为此，在国家‘863’基金资助下，围绕生物质流化床气化应用过程中的关键问题，从工程应用角度出发，本文对冷态实验条件下生物质颗粒在流化床中的流体力学特性、实验室规模生物质流化床气化特性、木炭床焦油高温催化裂解特性进行了研究，论文还针对工业规模生物质流化床气化发电系统的运行特性进行了分析，并基于得到的大量实验数据建立了关于生物质流化床气化特性的人工神经网络模型。 通过对冷态实验条件下，多种生物质原料在不同尺寸流化床中的流化特性研究发现：1)纯生物质(如木屑、稻壳)也是可以实现良好流化的。2)不同生物质原料流化特性有着显著区别，木屑的流化质量较好，当气速超过充分流化速度，可以观察到典型的‘鼓泡’流化状态。稻壳的流化质量稍差，比较容易出现‘沟流’现象。3)床层尺寸和料层高度对生物质颗粒的流化也有重要影响。当流化床直径小于100mm时，‘壁面效应’会比较明显，流化床尺寸增大有利于改善流化质量。料层高度与床径比(H／D)超过3.0，容易出现‘节涌’现象。4)对处于快速流态化下的生物质循环流化床速度分布和空隙率分布的考察表明：在生物质循环流化床中也存在着典型的‘环—核’流动结构。速度在径向呈‘抛物线’型分布，空隙率沿径向分布则比较均匀。改变操作气速和循环流率都对速度分布和空隙率分布有明显影响。5)对生物质颗粒在Loop seal型返料器中的流动特性研究表明：改变提升管的运行风速U_g对循环流率G_s影响不大；通过Loop seal的颗粒循环流率G_s随输送风量Q1和侧吹风量Q2增加而增大；改变侧吹风量Q2对循环流率的影响要比改变Q1的影响大得多。根据王擎实验关联式得到的

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 文献综述及选题
• 1.1 生物质能概述
• 1.2 生物质能源利用途径
• 1.2.1 生物质直接燃烧与混燃技术
• 1.2.2 生物质热化学转化技术
• 1.2.3 生物转换技术
• 1.3 生物质气化原理与研究进展
• 1.3.1 生物质气化原理与工艺
• 1.3.1.1 生物质气化原理
• 1.3.1.2 生物质气化工艺分类
• 1.3.2 生物质气化国内外研究现状
• 1.3.2.1 生物质（热解）气化动力学研究
• 1.3.2.2 实验室规模生物质流化床气化研究工作
• 1.3.2.3 典型工业示范装置
• 1.3.2.4 生物质气化过程模拟研究工作
• 1.4 论文立题背景和主要研究内容
• 参考文献
• 第二章 生物质在流化床中的流体力学特性研究
• 2.1 引言
• 2.2 实验装置
• 2.1.1 实验装置（Ⅰ）
• 2.1.2 实验装置（Ⅱ）
• 2.1.3 实验装置（Ⅲ）
• 2.2 实验原料、方法和步骤
• 2.2.1 实验原料
• 2.2.2 实验方法和实验步骤
• 2.2.2.1 生物质颗粒在流化床中的流化特性研究
• 2.2.2.2 生物质颗粒在快速流化床中的流动结构研究
• 2.2.2.3 生物质颗粒在Loop Seal型返料器中的流动特性研究
• 2.3 实验结果与分析
• 2.3.1 生物质颗粒在流化床中的流化特性
• 2.3.1.1 床径对生物质颗粒流化特性的影响
• 2.3.1.2 高径比（H/D）对生物质颗粒流化特性的影响
• 2.3.2 生物质颗粒在快速流化床中的流动结构
• 2.3.2.1 颗粒速度分布
• 2.3.2.2 床层空隙率分布
• 2.3.3 生物质颗粒在Loop seal返料器中的流动特性
• g对循环流率G_g的影响'>2.3.3.1 操作气速U_g对循环流率G_g的影响
• 1对循环流率的影响'>2.3.3.2 输送风量Q₁对循环流率的影响
• 2对循环流率的影响'>2.3.3.3 侧吹风量Q₂对循环流率的影响
• 2.3.3.4 实验结果回归分析
• 2.4 本章小结
• 参考文献
• 第三章 生物质流化床气化及焦油催化裂解实验研究
• 3.1 引言
• 3.2 实验部分
• 3.2.1 实验装置
• 3.2.2 实验原料
• 3.2.3 燃气和焦油取样与分析
• 3.2.4 实验步骤和内容
• 3.2.4.1 气化炉的启动和停止
• 3.2.4.1.1 启炉操作步骤
• 3.2.4.1.2 停炉操作步骤
• 3.2.4.2 实验内容
• 3.3 实验结果与分析
• 3.3.1 主要气化指标
• 3.3.2 不同当量比下气化炉轴向温度分布
• 3.3.3 当量比对气化温度和焦油含量的影响
• 3.3.4 当量比对气体成分的影响
• 3.3.5 当量比对燃气热值和气体产率的影响
• 3.3.6 当量比对气化效率和碳转化率影响
• 3.3.7 二次风对气化温度的影响
• 3.3.8 二次风对气化效果的影响
• 3.3.9 焦油裂解炉供气量和裂解温度关系
• 3.3.10 裂解温度对焦油转化率影响
• 3.3.11 裂解炉前后燃气成分变化
• 3.3.12 焦油主要成分在裂解前后的变化
• 3.4 本章小结
• 参考文献
• 第四章 800kWe稻壳气化发电系统运行特性
• 4.1 引言
• 4.2 系统流程简介
• 4.2.1 燃气发生和净化系统
• 4.2.2 内燃机组和输变电系统
• 4.2.3 洗焦废水和灰处理系统
• 4.2.4 原料收集与预处理
• 4.3 系统运行性能分析
• 4.3.1 气化炉运行特性
• 4.3.1.1 气化炉轴向温度分布
• 4.3.1.2 负荷和当量比改变对气化炉运行温度影响
• 4.3.1.3 气化温度和负荷对气体热值和气体成分的影响
• 4.3.1.4 当量比和负荷对气体产率，气化效率和碳转化率的影响
• 4.3.1.5 原料水分的影响
• 4.3.2 气化稻壳灰的物理化学特性和利用
• 4.4 主要存在问题和解决措施
• 4.4.1 原料供应问题
• 4.4.2 气化系统存在问题
• 4.4.3 燃气净化系统和污水处理问题
• 4.4.4 燃气发电机组问题
• 4.4.5 系统监控问题
• 4.5 本章小结
• 参考文献
• 第五章 4MWe生物质气化-蒸汽整体联合循环发电系统
• 5.1 前言
• 5.2 系统工艺流程简介
• 5.2.1 原料的收集、输运和预处理系统
• 5.2.2 燃气发生及净化系统
• 5.2.3 燃气发电机组系统
• 5.2.4 余热锅炉及蒸汽透平
• 5.2.5 输变电系统部分
• 5.2.6 排灰和污水处理部分
• 5.3 系统初步测试结果
• th生物质CFB（循环流化床）气化炉运行特性'>5.3.1 20 Mw_th生物质CFB（循环流化床）气化炉运行特性
• 5.3.1.1 进料螺旋转速和加料量之间关系
• 5.3.1.2 气化炉运行实时曲线
• 5.3.1.3 不同气化温度下的燃气成分和热值
• 5.3.1.4 不同当量比下的气体产率
• 5.3.1.5 不同当量比下的气化效率和碳转化率
• 5.3.2 8300型燃气发电机组发电效率测试
• 5.3.3 余热回收和蒸汽发电系统测试
• 5.3.4 系统存在问题及改进措施
• 5.3.4.1 原料和灰风送系统问题
• 5.3.4.2 气化炉结渣问题
• 5.3.4.3 高温过热器积灰问题
• 5.4.4.4 燃气净化系统问题
• 5.4 本章小结
• 参考文献
• 第六章 生物质流化床气化人工神经网络模拟
• 6.1 引言
• 6.2 人神经网络模型简介
• 6.2.1 生物神经元的结构
• 6.2.2 人工神经元模型
• 6.2.3 人工神经网络模型
• 6.2.4 ANN在生物质流化床的应用
• 6.3 人工神经网络模型的建立
• 6.3.1 网络模型原型的选择
• 6.3.2 生物质流化床气化BP神经网络模型的建立
• 6.3.2.1 输入和输出变量的选择
• 6.3.2.2 隐含层和隐层神经元个数的选择
• 6.3.3 生物质流化床气化BP神经网络的训练
• 6.3.3.1 数据‘归一化’处理
• 6.3.3.2 训练样本的选择
• 6.3.3.3 训练周期的选择
• 6.4 神经网络的训练
• 6.4.1 隐含层节点数对训练结果影响
• 6.4.2 训练周期对平方和误差的影响
• 6.4.3 节点数对平方和误差的影响
• 6.5 生物质气化模拟人工神经网络模型泛化能力的检验
• 6.6 本章小结
• 参考文献
• 第七章 结论及对未来工作建议
• 7.1 主要结论
• 7.2 论文创新点
• 7.3 下一步工作和建议
• 附录
• 致谢