生物质在流化床中热解过程的动力学数值模拟

论文摘要

生物质热化学转化提供了一种经济有效的方法将生物质转化为常规气体、液体和固体燃料以替代化石燃料,缓解能源危机和温室气体污染问题。本文旨在建立生物质热解气化和热解液化过程的三维动力学模型,模拟并分析生物质热解转化过程不同操作条件对产物产率和分布的影响,为优化反应器设计和操作提供指导。近年来数值计算方法的进步和计算机计算性能的提高使计算流体动力学（CFD）数值模拟仿真应用到生物质热化学转化过程成为现实。通过CFD模拟生物质热化学转化在不同操作条件下的动力学过程,可以使发生在反应器内的动态过程实现可视化,有助于更好的理解和研究热化学转化过程的物理和化学现象。本文分别建立了不同生物质在流化床中空气气化制氢、水蒸汽气化制氢和快速热解制生物质油的过程的CFD模型,模型全面考虑了转化过程湍流、辐射传热、传质和化学反应的影响,研究分析了不同操作条件产物产率和分布,检验了模型的灵敏性和有效性。本文通过建立废水污泥在流化床中热解气化过程的三维动力学模型,模拟并详细分析了污泥气化的动力学过程,根据温度场和产物浓度场分布信息分析,将反应器分为热解区、氧化区、气化区和干舷区,并通过分析不同操作温度和空气当量比ER对产物产率和分布以及温度场分布的影响,得出污泥气化为了得到更多的CO和H2时适宜温度操作范围是1073～1273K,适宜ER取值范围是0.15～0.4,与文献总结的实验结果是一致的,证明了模型的灵敏度很高,有效性也很好。同时,通过考察合成气（H2+CO）含量和H2/CO摩尔比,分析了根据应用目的来提高合成气质量的可行条件。通过构建生物质在流化床中气化动力学过程三维模型,模拟了松树屑在流化床中水蒸汽气化制氢气和稻壳在流化床中空气气化制氢气的过程,分析了气化剂的量和操作温度对氢气含量和分布的影响,并分析了实验操作设计的改进方法。通过构建生物质在流化床中热解液化的三维动力学模型,再现了稻壳热解生物质油的过程。由于生物质热解生物质油机理复杂,缺乏足够精确的化学反应动力学实验数据,降低了模型的普适性,精确的动力学数据,对于模型完善和预测结果的准确性有决定性意义。研究结果表明,计算流体动力学模型对于分析生物质热化学转化过程是一个有效的工具,包括分析实验操作条件选择、动力学过程可视化以及预测产物产率和分布方面,计算流体力学模型都显示出强大的功能。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 生物质能利用技术现状
• 1.2.1 联合燃烧
• 1.2.2 联合气化
• 1.2.3 焦油裂解技术和工艺的研究
• 1.2.4 生物质液化研究
• 1.2.5 先进的生物质气化发电系统
• 1.3 本文研究内容和目标
• 1.4 本文研究方法
• 1.5 本文结构安排
• 参考文献
• 第2章 生物质热化学转化动力学过程CFD模拟模型综述
• 2.1 引言
• 2.2 CFD介绍
• 2.3 生物质热化学转化过程CFD模拟子模型
• 2.3.1 CFD模型基本控制方程
• 2.3.2 热化学反应子模型
• 2.3.2.1 液化作用子模型
• 2.3.2.1.1 单步全局反应模型
• 2.3.2.1.2 单步多反应模型
• 2.3.2.1.3 多步半全局反应模型
• 2.3.2.1.4 化学渗透析出模型
• 2.3.2.2 二次裂解子模型
• 2.3.2.3 气相均相反应子模型
• 2.3.2.4 焦碳异相反应子模型
• 2.3.3 热化学转化过程物理现象附加模型
• 2.3.3.1 湍流模型
• 2.3.3.1.1 雷诺平均模型（RANS）
• 2.3.3.1.2 大涡模拟（LES）
• 2.3.3.2 辐射传热模型
• 2.3.3.2.1 离散传播辐射模型（DTRM）
• 2.3.3.2.2 P1模型
• 2.3.3.2.3 Rosseland模型
• 2.3.3.2.4 离散坐标模型（DOM）
• 2.3.3.2.5 常用辐射模型小结
• 2.3.3.3 混合分数模型
• 2.3.3.4 多孔介质模型
• 2.3.3.5 拉格朗日颗粒模型
• 2.3.4 CFD模型各子模型联立求解的方法
• 2.3.5 小结
• 2.4 生物质热化学转化过程CFD模拟应用现状综述
• 2.4.1 生物质气化和热解的CFD模拟
• 2.4.2 生物质锅炉燃烧或联合燃烧的CFD模拟
• 2.4.3 生物质燃烧过程NOx形成和钾离子释放的CFD模拟
• 2.4.4 小结
• 2.5 总结
• 参考文献
• 第3章 废水污泥在流化床中热解气化过程的动力学模拟
• 3.1 引言
• 3.2 研究对象
• 3.3 反应器几何结构和网格示意图
• 3.4 污泥热解气化动力学模型模拟
• 3.4.1 污泥热解气化动力学子模型
• 3.4.2 边界条件
• 3.4.3 模型求解过程
• 3.5 模型结果分析
• 3.5.1 模拟结果呈现和讨论
• 3.5.1.1 颗粒轨迹跟踪
• 3.5.1.2 传热和温度场分析
• 3.5.1.3 浓度场分析
• 3.5.1.4 液化作用
• 3.5.1.5 混和分数分析
• 3.5.2 模型灵敏性验证
• 3.5.2.1 操作温度对产物产率和分布的影响
• 3.5.2.2 ER对产物产率和分布的影响
• 3.5.2.3 不同辐射模型对温度场分布的影响
• 3.5.2.4 灵敏度检验小结
• 3.5.3 模型有效性分析
• 2 + CO总含量质量品质考察'>3.5.3.1 合成气中H₂ + CO总含量质量品质考察
• 2/CO摩尔比质量品质考察'>3.5.3.2 合成气中H₂/CO摩尔比质量品质考察
• 3.5.2.3 有效性分析小结
• 3.6 结论
• 参考文献
• 第4章 生物质在流化床中气化制氢气动力学过程模拟
• 4.1 松树屑在流化床中水蒸汽气化制氢气
• 4.1.1 研究对象
• 4.1.2 反应器结构和网格示意图
• 4.1.3 水蒸汽气化动力学模型描述
• 4.1.4 边界条件
• 4.1.5 模型求解方法
• 4.1.6 模型结果分析
• 4.1.6.1 操作温度对氢气含量的影响
• 4.1.6.2 S/B对氢气产率的影响
• 4.1.6.3 进料位置对氢气产率和分布的影响
• 4.1.7 小结
• 4.2 稻壳在流化床中空气气化制氢气
• 4.2.1 研究对象
• 4.2.2 反应器结构和网格示意图
• 4.2.3 空气气化动力学模型描述
• 4.2.4 边界条件
• 4.2.5 模型求解方法
• 4.2.6 模型结果分析
• 4.2.7 小结
• 参考文献
• 第5章 生物质在流化床中快速热解制生物质油过程模型
• 5.1 引言
• 5.2 研究对象
• 5.3 反应器结构和网格示意图
• 5.4 热解液化动力学过程模型
• 5.5 边界条件
• 5.6 模型求解方法
• 5.7 模型结果分析
• 5.8 小结
• 参考文献
• 策6章 总结与展望
• 6.1 本文结论
• 6.2 本文主要创新点
• 6.3 下一步研究展望
• 发表论文列表
• 致谢