生物质等离子体喷动一流化床特性研究

论文摘要

生物质是一种可再生能源,我国生物质资源量巨大却没有得到有效利用同时还造成了一些环境问题。生物质等离子体热解被认为是一种可以高效利用生物质资源的方法。然而生物质由于密度小、动性差、热值低及粘性强等特点,在传统的反应器当中不易流化或需大量空气,不能实现真正的热解或气化燃烧。喷动-流化床具有气固接解效率好、循环效率高的优点,生物质在喷动-流化床中可以实现良好的循环。本课题联合了等离子体、喷动-流化床、生物质各自特点,设计并建立了一套生物质等离子体喷动-流化床热解装置,对装置在常温下的主要流体力学参数,等离子体状态下物料在装置内的流动情况、磨损情况,装置内轴向高度和径向宽度上的温度分布进行了测试研究。通过加入石英砂和改变辅助气体流量,测试不同工况下装置内的温度分布情况,分析体系能量分布情况。研究结果显示,喷动-流化床常温下的主要流体力学参数与喷动床趋势基本一致,最大喷动高度随粒径的增大而减小,床体与静压箱的共同压降要大于喷动床的单独压降。文章整理出适合本装置的最小喷动速度关联式,作为进一步研究的参考。在等离子体状态下装置内的温度测试显示,反应装置的平均温度为897K,其中上部温度混合较为均匀,各径向宽度上温度梯度较小,而底部温度径向方向上温度梯度较大。加入石英砂可以使装置内温度更为均匀,尤其是可以有效地提高装置底部温度。辅助气体的加入使装置内温度有所降低,但是总体上下降幅度不大。能量平衡计算显示,本装置用于热解反应的能量约占总输入能量的38%。同时,本课题对等离子体喷动-流化床的工作温度、颗粒循环速率、加热速率以及生物质等离子体喷动-流化床热解模型进行了计算。计算结果显示等离子体的工作温度约为4000K,颗粒循环速率为0.72kg/h,生物质表面加热到等离子体火焰界面温度所需时间大约为0.025s。生物质等离子体热解模型计算结果表明热解物料处于高温区域或颗粒粒径较小时容易达到较好的热解效果,而采用喷动-流化床作为反应器有利于物料直接输送到等离子体高温区域并使颗粒热解完全。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 立题背景及研究内容
• 1.1 生物质的概念、资源量及利用现状
• 1.1.1 生物质的概念
• 1.1.2 我国生物质资源状况
• 1.1.3 生物质资源研究利用现状
• 1.2 气固喷动－流化床概述
• 1.2.1 气固喷动－流化床
• 1.2.2 气固喷动－流化床主要流体力学参数
• 1.2.3 气固喷动-流化床的工业应用与研究
• 1.3 等离子体热解技术
• 1.3.1 等离子体概念与分类
• 1.3.2 低温等离子体发生器
• 1.3.3 等离子体热解技术的研究进展
• 1.4 本课题的研究内容
• 1.4.1 研究目的
• 1.4.2 研究内容
• 1.4.3 本课题创新性
• 1.5 小结
• 第二章 实验装置
• 2.1 等离子体喷动－流化床热解装置设计
• 2.1.1 直流电弧等离子体装置
• 2.1.2 喷动－流化床反应器
• 2.1.3 螺旋进料器
• 2.1.4 气体管路系统
• 2.2 采样与制备
• 2.2.1 稻壳
• 2.2.2 木粉
• 2.2.3 石英砂
• 2.3 实验设计
• 2.3.1 冷态实验
• 2.3.2 热态实验
• 2.4 分析系统
• 2.4.1 Aglient 数据采集系统
• 2.4.2 TH9100PWV 红外热像仪
• 2.5 小结
• 第三章 等离子体喷动－流化床性能测试研究
• 3.1 常温喷动－流化床流态化性能测试与分析
• 3.1.1 最大喷动床高
• 3.1.2 最大床层压降
• 3.1.3 最小喷动速度
• 3.2 等离子体喷动－流化床性能测试与分析
• 3.2.1 等离子体喷动－流化床的流态
• 3.2.2 等离子体喷动－流化床中流化颗粒磨损情况
• 3.2.3 等离子体喷动－流化床温度分布
• 3.2.4 石英砂对温度分布的影响
• 3.2.5 辅助气体对温度的影响
• 3.3 系统能量平衡研究
• 3.4 小结
• 第四章 等离子体喷动－流化床热解模型计算
• 4.1 等离子体工作温度计算
• 4.2 颗粒加热速率
• 4.3 物料循环速率计算
• 4.4 传热过程传热量
• 4.5 生物质的热解模型
• 4.5.1 热解能量方程
• 4.5.2 热解动力学方程
• 4.5.3 生物质颗粒质量方程
• 4.5.4 计算区域的离散化
• 4.5.5 热解能量方程和边界条件的离散
• 4.5.6 计算过程及结果
• 4.6 小结
• 第五章 总结与展望
• 参考文献
• 个人简历及发表论文情况
• 致谢