流化式自供热型制生物燃油关键装置设计理论研究

论文摘要

我国是石油消费和进口大国,石油消耗量仅次于美国,位居世界第二位。同时,国内石油产能严重不足,进口依存度不断扩大。2009年中国石油净进口量2.19亿吨,表观消费量4.08亿吨,进口依存度首次突破50%；2010年中国石油净进口量2.49亿吨,表观消费量约为4.49亿吨,进口依存度已高达55%以上；预计到2012年进口依存度将高达75%以上。如此高的石油进口依存度,已威胁我国能源安全,一旦国际石油供应出现问题,比如战争,我国的能源供应将会受到严重打击,甚至国民经济都有瞬间陷入瘫痪的危险。另一方面,我国是一个农业大国,仅农作物秸秆年产生量约7亿吨,扣去现有各种利用,大约3亿吨可作为燃料使用,林业废弃物年可获得量约9亿吨,如仅将这两类生物质资源进行转化,就可得到6亿吨生物燃油,按热值推算,相当于3亿吨重油,因此将秸秆等农林废弃物转化成具有一定经济价值和高技术含量的石油替代产品,不仅缓解我国能源紧张的状况,而且增加了农民的就业岗位和个人收入,另外,将生物质通过热裂解技术转化后的石油替代产品——生物燃油具有不含硫、减少环境污染、C02零排放、符合CDM(清洁发展机制)要求。本文正是在这样的背景下,针对生物质制生物燃油技术进行的研究,其目的在于为生物质热裂解制生物燃油装置设计提供先进的理论支持和技术保障。本文对国内外生物质流化式热裂解技术的研究进行了总结和论述,根据流化式热裂解工艺的特点,总结前人的研究经验,提出了流化式自供热型制油装置反应器的理论和实验研究,在研究过程当中取得如下成果：根据热裂解反应动力学原理,为流化式自供热型反应器,建立生物质热裂解反应动力学方程,并对方程求解,得到生物质热裂解产物曲线；在实验室利用热裂解实验装置进行实验,将通过实验取得热裂解产物曲线与方程求得的热裂解产物曲线进行了对比分析,验证了热裂解方程的可靠性；在生物燃油冷凝过程的研究中,根据已知晓的生物燃油成分,计算出冷凝温度不同阶段,对应的理论冷凝量,通过与相同阶段温度的冷凝实验结果相比对,验证理论结果,确定出最合理的冷凝温度范围,为系统冷凝工艺提供理论依据。根据气固两相流的原理,提出了一种在普通圆柱型流化床内部加圆锥体的内锥式流化床反应器设计思路,通过冷态实验结果表明,流化效果优于普通圆柱型流化床。同时因为流化状态的复杂性,建立气固两相流流动方程,利用Fluent模拟仿真软件,采用欧拉模型,对内锥式流化床进行颗粒运动状态、浓度与速度的数值模拟,并将模拟结果与普通圆柱型流化床进行比较分析。构建了基于内锥式流化床反应器的系统组成模式,对系统进行了工艺分析,从理论上对系统进行了热平衡研究与分析,从经济性角度提出了除电力拖动以外的生产用能仅用副产物炭粉和不凝气供热的设想,并通过转化率对副产物产率影响的研究,得出自供热条件下的最优转化率,为生物质制油系统不依赖外部热源而自身达到热平衡的这种先进的设计提供了理论指导。针对本文提出的自供热系统和仅用副产物炭粉和不凝气为整个系统供热的设想,根据燃烧理论对气—固混合燃烧装置进行了设计理论研究。另外,为了将燃烧后排放烟气中的热能在流化干燥中利用,根据流化干燥理论对流化干燥和输送装置进行了设计理论研究。上述研究及结果可为基于内锥式流化床反应器的自供热裂解制生物燃油系统的设计提供理论指导和研发借鉴。有望为中国的生物燃油生产的规模化、工业化提供理论参考。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 课题的研究背景和研究意义
• 1.1.1 研究背景
• 1.1.2 研究目的和意义
• 1.2 生物质能转化形式与技术
• 1.2.1 直接燃烧
• 1.2.2 气化
• 1.2.3 液化
• 1.2.4 热裂解
• 1.3 生物质能流化式热裂解技术研究现状
• 1.3.1 国外生物质流化式热裂解技术的研究现状
• 1.3.2 国内生物质流化式热裂解技术的研究现状
• 1.4 论文的主要研究内容
• 1.5 本章小结
• 2 流化式自供热型制生物燃油系统组成及原理
• 2.1 流化式自供热型制生物燃油装置系统设计
• 2.2 流化式自供热型制生物燃油装置系统组成及工作原理
• 2.2.1 物料流化干燥、输送装置
• 2.2.2 反应器进料装置
• 2.2.3 流化式自供热型反应器
• 2.2.4 不凝气—炭粉混合燃烧器
• 2.2.5 热裂解气冷凝装置
• 2.2.6 反应器温度控制装置
• 2.3 本章小结
• 3 生物质热裂解制生物燃油相关理论研究
• 3.1 生物质热裂解过程
• 3.2 生物质热裂解动力学模型
• 3.3 生物质热裂解反应动力学方程的建立
• 3.3.1 生物质热裂解反应动力学模型
• 3.3.2 动力学参数计算
• 3.4 生物质表观动力学参数分析方法
• 3.4.1 表观动力学参数分析积分方法
• 3.4.2 表观动力学参数分析微分方法
• 3.5 生物质热裂解方程求解与产物分析
• 3.5.1 生物质质量随热裂解温度的变化
• 3.5.2 炭粉产率随热裂解温度的变化
• 3.5.3 不凝气产率随热裂解温度的变化
• 3.5.4 生物燃油产率随热裂解温度的变化
• 3.5.5 生物质各产物随热裂解温度的变化规律
• 3.6 生物质热裂解实验研究
• 3.6.1 实验装置
• 3.6.2 原料与实验方法
• 3.6.3 实验结果与理论方程曲线的对比分析
• 3.7 热裂解气冷凝过程实验与分析
• 3.7.1 热裂解气冷凝过程与实验研究
• 3.7.2 热裂解气液化实验过程及数据处理
• 3.7.3 实验分析与结论
• 3.8 本章小结
• 4 流化式自供热型制生物燃油装置热平衡理论及分析
• 4.1 自供热系统热平衡原理
• 4.2 反应器供热和传热方法
• 4.2.1 反应器的供热方式
• 4.2.2 反应器的传热方法
• 4.3 生物质热裂解副产物的燃烧
• 4.3.1 不凝气的物理特性
• 4.3.2 不凝气的燃烧特性
• 4.3.3 不凝气燃烧时消耗空气量
• 4.3.4 不凝气燃烧过程与燃烧温度
• 4.3.5 炭粉的燃烧
• 4.3.6 燃烧过程的强化与完善
• 4.4 自供热型流化床反应器生物质热裂解能量平衡分析
• 4.4.1 系统能量平衡计算
• 4.4.2 生物质制油转化率与系统实现自供热关系分析
• 4.5 本章小结
• 5 流化床反应器流化性能实验研究
• 5.1 流化床反应器实验系统与实验方法
• 5.1.1 反应器主体
• 5.1.2 流化床及气体分布板的计算
• 5.2 实验结果与分析
• 5.2.1 相同静床高、不同流化风速时压强随床高的变化
• 5.2.2 相同流化风速、不同静床高时压强随床高的变化
• 5.2.3 相同流化风速、静床高,不同锥角时压强随床高的变化
• 5.2.4 相同流化风速、静床高时与普通圆柱的比较
• 5.3 流化床反应器流化性能的数值实验与仿真
• 5.3.1 FLUENT软件简介
• 5.3.2 数学模型
• 5.3.3 基本假设
• 5.3.4 内锥式流化床气固两相流的数值实验与仿真
• 5.4 本章小结
• 6 其它主要装置的设计理论研究
• 6.1 燃烧器的设计理论研究
• 6.1.1 燃烧所需空气量
• 6.1.2 出口截面混合燃气和空气的流速
• 6.1.3 混合燃气喷口直径和空气套管的直径
• 6.1.4 混合燃气和空气在出口截面上的实际流速
• 6.1.5 燃烧器出口直径
• 6.2 流化干燥装置的设计理论研究
• 6.2.1 颗粒在流化管内运动的基本方程式
• 6.2.2 颗粒在气流干燥管中的传热
• 6.2.3 物料的传热面积计算
• 6.2.4 气流颗粒间的传热量计算
• 6.2.5 流化干燥管的压力损失
• 6.2.6 流化干燥参数的确定
• 6.2.7 流化干燥管直径和长度的计算
• 6.2.8 含水率、物料粒径与热烟气消耗量、净高度和管径的关系
• 6.3 温度控制装置的设计及仿真
• 6.3.1 自适应模糊PID控制器设计
• 6.3.2 自适应模糊PID控制器仿真分析
• 6.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢