悬浮流化式生物质热解液化装置设计理论及仿真研究

论文摘要

生物质能源是一种可再生能源,对生物质能的开发和利用能够缓解能源短缺的压力、减少环境污染、改善未来的能源结构。利用生物质热解转化技术,将生物质转化成高品位的液体燃料是生物质能开发利用的重要方式。本文基于国内外生物质热解液化制取生物油领域已经开展的研究工作,对生物质悬浮流化床技术进行了理论探讨,并对生物质在悬浮流化床内的运动规律、热解规律和悬浮流化床的设计理论进行了理论分析和模拟仿真。本文首先提出了课题的研究背景,对生物质的种类和生物质能转化利用技术进行了阐述,对国内外生物质流化床热解液化制取生物油技术的研究进行了综述分析,全面掌握了该领域的研究方向和研究热点,确定了论文的研究内容和研究目标。分析了生物质原料的颗粒特性和化学特性,建立了生物质流化冷态实验装置,对玉米芯和稻壳进行了单独流化实验,对玉米芯和稻壳与石英砂进行了混合流化实验。生物质单独流化实验表明,生物质是可以实现流态化的;生物质原料颗粒较小,流化特性没有显著区别;流化风速变化时,每一个测压点的压降变化不大,没有一定的规律性。生物质混合流化实验表明,生物质质量分率较小时,质量分率不同,流化状态和压差变化没有明显的差别,混合流化临界流化速度较小。通过高速摄像法得到床内颗粒瞬时流动形态的图像,对图像分析得到颗粒的速度变化图。对图像的分析表明,生物质与石英砂床内混合较好,没有明显的分层现象,对于轴向混合,石英砂在床下部积聚浓度较大。床内颗粒运动速度变化剧烈,速度分布不均匀。由于生物质流化运动复杂,实验重复性差,难以测得准确的实验参数值。由于生物质流态化运动的复杂性,通过有限的实验难以全面理解床内气固两相流动的规律,为此,建立了气固流动的基本微分方程,应用Fluent软件,采用欧拉双流体计算模型对床内气固两相运动进行模拟仿真,得到随时间变化沿床高方向固体体积分数分布云图、固体速度分布云图。模拟仿真结果表明,床内出现稠密相和气泡相两种不同的结构,固相颗粒在床层内循环运动,气泡生成、破裂周期性变化,有利于生物质的混合和分离。通过模拟仿真,较为准确地描述床内气固两相流体的运动特性,提高了对生物质流化特性的认识。根据Waterloo大学的热解机理模型,建立了生物质热解动力学方程式,对方程式进行了求解,得到生物质质量及热解产物质量随热解温度变化的曲线。对曲线的分析表明,温度是影响生物质热解的重要参数,炭产量随温度的增加而增加,并逐渐趋向于一固定值;生物油的产量随温度的升高而增加,在800～900K时,生物油的产量达到最大值。方程求解得到的热解曲线与前人研究结果基本一致,说明建立的方程是可信的,可以利用该方程式预测热解参数温度对生物质热解产物的影响。生物质热解传热复杂,通过对热解过程的分析,建立了颗粒传热的方程式。根据悬浮流化生物质热解设计理论和实验结果,设计了一套新型生物质悬浮流化热解反应系统。该系统燃烧生物质气化燃气为反应器供热,热解后的不可冷凝气体经过预热作为流化气体进入反应器。利用生物质燃气燃烧提供热源,可以减少其它能源的使用,就地取能,就地生产,最大限度地将地产生物质原料转化为可利用的清洁能源,降低生物质热解制油的成本。设计了生物质燃气气体燃烧器,并对反应器的能量平衡进行了计算。论文最后对全文进行了总结。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 课题提出的背景
• 1.2 生物质种类及生物质能特点
• 1.2.1 生物质种类
• 1.2.2 生物质特点
• 1.3 生物质转化和利用技术
• 1.3.1 生物质燃烧
• 1.3.2 生物质热解气化
• 1.3.3 生物质热解液化
• 1.3.4 生物质固化成型
• 1.3.5 生物质生物转换
• 1.3.6 生物柴油
• 1.4 我国生物质能利用现状
• 1.4.1 我国主要能源的利用
• 1.4.2 我国生物质资源利用潜力
• 1.4.3 我国发展生物质能产业的重要意义
• 1.5 论文的主要研究内容
• 1.5.1 研究目标
• 1.5.2 主要研究内容
• 1.6 本章小结
• 2 生物质热解液化制取生物油技术研究
• 2.1 生物质热解液化制取生物油技术
• 2.1.1 生物质热解原理
• 2.1.2 生物质热解系统
• 2.2 流化床热解液化制取生物油工艺
• 2.3 国外流化床热解液化制取生物油技术
• 2.4 国内流化床热解液化制取生物油技术
• 2.5 其它生物质热解液化制取生物油技术
• 2.6 本章小结
• 3 生物质悬浮流化实验研究
• 3.1 生物质原料的颗粒特性
• 3.1.1 生物质颗粒的当量直径
• 3.1.2 颗粒的球形度
• 3.1.3 生物质原料的粒径分布
• 3.1.4 生物质原料的堆积密度
• 3.1.5 生物质原料的休止角
• 3.1.6 床层空隙率
• 3.2 生物质原料的化学特性
• 3.2.1 生物质原料的元素分析与工业分析
• 3.2.2 生物质燃料的热值
• 3.2.3 生物质的比热容和导热系数
• 3.3 生物质悬浮流化床流态化现象
• 3.4 生物质悬浮流态化实验分析
• 3.4.1 实验装置
• 3.4.2 生物质单独流化的实验研究
• 3.4.3 生物质与石英砂混合流化速度分析与实验研究
• 3.5 生物质悬浮流化颗粒流动研究
• 3.5.1 高速摄像技术
• 3.5.2 床内颗粒流动状态
• 3.5.3 床内颗粒运动分析
• 3.6 本章小结
• 4 生物质悬浮流化气固流动的仿真
• 4.1 气—固两相流理论
• 4.1.1 两类多相流体力学模型
• 4.1.2 颗粒轨道模型
• 4.1.3 多流体模型
• 4.1.4 流化床气—固流动模拟进展
• 4.2 流动模型的建立
• 4.2.1 质量守恒方程
• 4.2.2 动量守恒方程
• 4.2.3 固相脉动能守恒方程
• 4.2.4 曳力模型的选择
• 4.3 生物质流化床气固流动仿真方法
• 4.4 悬浮流化床的流动仿真
• 4.4.1 仿真数值方法和参数
• 4.4.2 颗粒运动分析
• 4.5 本章小结
• 5 悬浮流化床生物质热解理论研究
• 5.1 生物质热解过程
• 5.2 生物质热解动力学模型
• 5.2.1 生物质热解动力学模型的建立
• 5.2.2 生物质热解动力学方程的建立
• 5.2.3 生物质热解方程求解与产物分析
• 5.3 生物质热解传热研究
• 5.3.1 传热方式
• 5.3.2 传热模型理论
• 5.3.3 传热过程分析
• 5.4 本章小结
• 6 生物质悬浮流化热解液化系统的设计
• 6.1 热解液化系统的总体设计
• 6.1.1 设计方案
• 6.1.2 生物质原料给料系统
• 6.1.3 悬浮流化床反应器
• 6.1.4 热解燃气冷凝
• 6.2 反应器供热和传热方法
• 6.2.1 反应器的供热方式
• 6.2.2 反应器的传热方法
• 6.3 生物质燃气气体燃料的燃烧
• 6.3.1 生物质燃气的物理特性
• 6.3.2 生物质燃气的燃烧特性
• 6.3.3 生物质燃气燃烧所需空气量的计算
• 6.3.4 生物质燃气燃烧过程和燃烧温度
• 6.3.5 生物质燃气燃烧过程的强化与完善
• 6.3.6 生物质燃气燃烧器
• 6.4 悬浮流化床反应器生物质热解能量平衡计算
• 6.5 本章小结
• 结论
• 论文创新点
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢
• 个人简历