竖直管内陶瓷球和粉状生物质之间换热规律的研究

论文摘要

生物质可以通过快速热裂解液化工艺得到液体产物——生物油。目前热裂解液化装置有多种,下降管反应器是国内具有自主知识产权的反应器。对该反应器热裂解机理进行研究,可以对反应器设计提供理论支持。在该反应器内,陶瓷球颗粒作为热载体在下降管下落过程中对生物质粉加热,使其发生热裂解。因此,要研究下降管反应器的工艺过程,必然涉及颗粒流动与传热。本研究对下降管式热裂解液化装置内生物质颗粒、陶瓷球颗粒及二者混合颗粒的换热特性进行了实验研究,主要研究包括:对实验玉米秸秆粉和陶瓷球的物料特性和热物性进行了检测与数据处理,获得了生物质粉粒径、含水率以及导热系数等以及陶瓷球的主要物性参数。为了模拟下降管式热裂解液化装置中颗粒热交换,设计搭建了下降管散体颗粒换热实验台,通过冷态喂料表明该实验台能够实现陶瓷球和生物质粉的精确定量下料;换热实验表明陶瓷球和生物质粉能够在竖直管内进行混合换热,并且混合换热后的陶瓷球和生物质粉能够实现完全分离,实验过程中能够实现温度实时、准确检测与记录。通过不同陶瓷球质量流量下(1.0kg/min,1.2kg/min和1.4kg/min)和竖直管内的空气对流换热实验,得到了竖直管内(距竖直管入口的距离为0.1m,0.4m,0.8m,1.2m和1.5m)温度变化规律。通过数据的处理得到了陶瓷球和空气之间的对流换热系数h。三种不同陶瓷球质量流量下对流换热系数为:h=745w/(m~2.k)。以质量流量为1.0kg/min,1.2kg/min和1.4kg/min的90℃高温陶瓷球、与生物质粉的质量流量比分别为15:1,20:1和25:1的实验工况,进行了生物质粉和陶瓷球在竖直管内混合流动热交换实验,得到了温度变化实验数据。结果表明:1)不同流量和比例下,竖直管内中间三点的温度与下降距离成线性变化,除了边界效应的影响,竖直管内温度从入口到出口呈现升高趋势;2)随着陶瓷球质量流量的增大,到竖直管入口同一距离截面上的温度会随之升高,并且在同一陶瓷球质量流量下,随着陶瓷球和生物质粉比例的升高,到竖直管入口同一距离截面上的温度会随之升高;3)竖直管两端有边界效应的影响,温度较低。通过对竖直管内陶瓷球放热量、竖直管内空气吸热量以及生物质粉吸热量之间关系式的分析,得到生物质粉吸热量通过陶瓷球的热传导以及空气的对流换热所占的百分数。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景及问题的提出
• 1.1.1 化石能源利用面临的巨大挑战
• 1.1.2 可再生能源的发展
• 1.1.3 问题研究的必要性
• 1.2 课题来源、研究内容及意义
• 1.2.1 课题来源
• 1.2.2 研究内容
• 1.2.3 课题意义
• 第二章 生物质热裂解以及颗粒换热综述
• 2.1 生物质热裂解的研究情况
• 2.1.1 生物质热裂解的概念及研究意义
• 2.1.2 热裂解装置与方式
• 2.1.3 热裂解反应的过程与机理
• 2.2 颗粒间的换热现状
• 2.2.1 颗粒之间的热量传递
• 2.2.2 离散颗粒传热模型
• 2.3 本章小结
• 第三章 下降管换热实验台的设计
• 3.1 下降管换热实验台的设计要求
• 3.2 下降管换热实验台的工作原理
• 3.3 下降管换热实验台的设计
• 3.3.1 下降管换热实验台的总体设计
• 3.3.2 陶瓷球喂料器的设计
• 3.3.3 生物质粉螺旋喂料器的设计
• 3.3.4 竖直管的设计
• 3.3.5 陶瓷球和生物质粉分离箱
• 3.4 热电偶的选择和温度采集系统
• 3.4.1 热电偶
• 3.4.2 温度采集系统
• 3.5 下降管换热实验台电路图
• 3.6 本章小结
• 第四章 陶瓷球和生物质粉的冷态实验
• 4.1 实验物料
• 4.1.1 玉米秸秆粉
• 4.1.1.1 玉米秸秆粉不同目数所占百分数
• 4.1.1.2 玉米秸秆粉含水率
• 4.1.1.3 玉米秸秆粉的导热系数
• 4.1.2 陶瓷球
• 4.2 生物质粉的冷态实验
• 4.3 陶瓷球的冷态实验
• 4.4 本章小结
• 第五章 陶瓷球和竖直管内空气的热态实验
• 5.1 陶瓷球和竖直管内的空气对流换热的过程和假设
• 5.1.1 实验过程
• 5.1.2 换热假设
• 5.2 陶瓷球和竖直管内空气对流换热实验
• 5.2.1 陶瓷球流量为1.0kg/min时的实验
• 5.2.2 陶瓷球流量为1.2kg/min时的实验
• 5.2.3 陶瓷球流量为1.4kg/min时的实验
• 5.2.4 陶瓷球流量为1.0kg/min、1.2kg/min和1.4kg/min时的实验
• 5.2.5 数据分析
• 5.3 陶瓷球和竖直管内空气对流换热计算
• 5.3.1 陶瓷球和竖直管内温度的变化
• 5.3.2 陶瓷球和竖直管内空气热量的计算
• 5.3.3 陶瓷球和竖直管内空气对流换热系数的计算
• 5.4 本章小结
• 第六章 陶瓷球和生物质粉的热态实验
• 6.1 实验过程
• 6.2 陶瓷球和生物质粉的换热实验
• 6.2.1 陶瓷球流量为1.0kg/min时的实验
• 6.2.2 陶瓷球流量为1.2kg/min时的实验
• 6.2.3 陶瓷球流量为1.4kg/min时的实验
• 6.2.4 数据分析
• 6.3 热量平衡分析
• 6.4 陶瓷球和生物质粉热量计算
• 6.4.1 陶瓷球的热量计算
• 6.4.2 竖直管内空气的热量计算
• 6.4.3 生物质粉的热量计算
• 6.5 本章小结
• 第七章 总结与建议
• 7.1 全文总结
• 7.2 下一步工作建议
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士期间发表的论文