生物质气化炉内流动与燃烧过程研究

论文摘要

生物质能是一种理想的可再生能源,生物质能开发利用技术被认为是非常有效的节能减排手段,利用生物质来替代化石能源,对改善大气酸雨环境,减少大气中二氧化碳含量从而减少“温室效应”都有极大的好处。对生物质气化过程的深入研究有利于提高我国生物质气化转化技术水平,促进我国对生物质能源的开发利用,改善我国的大气及生态环境。论文基于上述目的,对生物质气化特性、小型生物质气化炉内流动和流化床气化模拟进行了研究。首先,通过CFD软件对现有送风装置进行内部流场模拟,通过对流场的分析结果发现,单管式和平面式送风系统均不能实现均匀送风。经过研究,在气化炉内引入了气体分布器,通过对气体分布器内部的流场模拟结果的分析,发现分布器能更好的实现均匀送风的目的。其次,本文采用CFD软件优化气固流化床分布板开孔率,然后采用最佳开孔率分布板,测量气-固流化床内局部固体浓度、床层压降等参数,根据对各参数的综合研究,确定最佳开孔率为6.47%。同时研究结果表明,随开孔率的增大,分布板压降和分布板附近形成气泡尺寸减小,颗粒流化质量降低。通过对Syamlal-O’Brien.Gidaspow和Wen&Yu三种曳力模型气、固速度的研究,考察三种曳力模型对流化状态的影响。第三,根据文献中的实验结果,通过动力学模型预测最终气体组分,通过仿真分析外界气化条件改变对气化反应过程的影响,水蒸气与空气的输入量比值是影响炉内温度和气体组分的重要参数,水蒸气与空气的输入量比值的增加导致H2和CH4的分数增加,同时CO的含量降低。此结果与文献中的实验结果相吻合。最后,通过理论分析和动力学模型简化对阴燃过程进行简要阐述,并对木屑颗粒以及木屑填充床进行能量衡算,结合连续性方程和动量方程建立起阴燃过程的数学模型,为阴燃过程的数值模拟研究奠定了基础。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 生物质能概述
• 1.2.1 生物质能的特点与意义
• 1.2.2 生物质能利用的现状
• 1.2.3 生物质能利用前景
• 1.3 生物质气化原理
• 1.4 主要技术指标
• 1.5 气化过程影响因素
• 1.6 生物质气化研究的现状
• 1.7 本文研究的目的及主要内容
• 1.7.1 研究目的
• 1.7.2 主要内容
• 第2章 气固两相流及气化过程的CFD模拟模型综述
• 2.1 气固两相流及生物质气化过程模拟的现状
• 2.2 基本假设与物理模型
• 2.2.1 模型机理与假设
• 2.2.2 物理模型
• 2.3 气固两相流模型
• 2.3.1 连续方程
• 2.3.2 动量方程
• 2.3.3 能量方程
• 2.4 化学反应模型
• 2.4.1 水分蒸发过程
• 2.4.2 挥发份析出过程
• 2.4.3 燃烧与气化过程
• 2.5 本章小结
• 第3章 气化炉的冷态数值模拟
• 3.1 送风系统简述
• 3.1.1 单管送风系统
• 3.1.2 平面送风系统
• 3.1.3 气体分布器
• 3.2 气流分布板
• 3.2.1 分布板开孔率的计算
• 3.3 数值模拟及结果分析
• 3.3.1 物理模型的选择
• 3.3.2 边界条件的设置
• 3.3.3 结果分析
• 3.4 床层内气体流动的数值模拟
• 3.4.1 数值方法的选择
• 3.4.2 实体模型的建立
• 3.4.3 初始及边界条件的设置
• 3.4.4 计算结果及分析
• 3.5 本章小结
• 第4章 生物质气化过程动力学研究
• 4.1 化学反应模型
• 4.1.1 生物质热解反应动力学模型
• 4.1.2 气固非均相反应模型
• 4.1.3 气体均相反应模型
• 4.2 非预混模型
• 4.3 模拟结果讨论
• 4.3.1 炉内温度场分析
• 4.3.2 炉内气体分布情况
• 4.4 本章小结
• 第5章 阴燃过程的理论分析
• 5.1 阴燃模型的研究现状
• 5.2 阴燃过程中化学反应模型简介
• 5.3 燃烧模型中的能量衡算
• 5.3.1 燃烧层中单个木屑颗粒的能量衡算
• 5.3.2 炉内燃烧区热能衡算
• 5.4 木屑燃烧的模型
• 5.4.1 Navier-Stokes方程
• 5.4.2 初始和边界条件
• 5.5 本章小结
• 第6章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士期间发表的论文
• 个人简历