转锥式生物质闪速热解装置设计理论及仿真研究

论文摘要

能源是人类社会进步最为重要的基础,是社会经济发展的基本动力之一。由于人类对化石能源过度使用,不仅对人类赖以生存的环境带来严重的污染,并且由于这种能源的逐渐匮乏,成为人类未来社会发展的潜在危机。因此,寻找和开发适合我国国情的可再生新型能源及石油替代品迫在眉睫。我国是农业大国,生物质资源非常丰富。但是由于没有先进、高效和能进入市场的利用技术,每年有巨量的废弃生物质而被白白废弃,因此能否找到一种新的技术,将每年巨量浪费的废弃生物质经济、方便地转化成可进入市场并且销售良好的生物燃油商品,具有重大经济意义、社会现实意义和生态环保意义。本文在国家“863”能源技术主题后备能源领域项目“集成式生物质多重闪速热解液化生产生物燃油新技术”项目的依托下,对转锥式生物质闪速热解液化装置反应器的设计理论进行了深入的研究,建立了热载体在反应器内部的空间动力学模型,推导出热载体的空间运动状态方程,转锥的最小锥角方程,并对转锥的强度计算方法、生产能力计算方法及功率设计方法进行了推算。从而建立了热解反应器的基本设计理论。结合有限元和模糊优化理论,提出了基于模糊优化的转锥有限元设计方法,所采用的模糊有限元方法能够充分体现问题的模糊性和工程结构的实际性,从而为转锥的结构设计和优化提供了重要理论依据。应用ADAMS软件对热解反应器进行了动力学仿真,建立了旋转锥和热载体计算机仿真模型。随后进行了不同的转锥锥角和转锥转速的运动仿真,找到了转锥锥角、固体滞留期和转锥转速间的最佳匹配关系。应用以上的理论、方法和仿真结果,自主研制了ZKR-200A型生物质闪速热解液化制油装置,并进行了实车实验。对4种常见的生物质进行热解液化实验,对所得到的生物质热解油进行了组分分析,得到了该装置生物质的加工能力的生物质能量转化率。通过以上的研究和实验为我国研制自己的、具有自主产权的先进的转锥式生物质闪速热解液化装置,提供了重要基础理论、设计方法和参考依据。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 课题背景及研究意义
• 1.2 生物质能源的特点
• 1.3 生物质热解技术
• 1.3.1 生物质热解技术原理
• 1.3.2 生物质闪速热解技术的优势
• 1.3.3 生物质的热解过程
• 1.4 国内外生物质闪速热解技术研究现状
• 1.4.1 国外生物质闪速热解技术研究现状
• 1.4.2 国内生物质闪速热解技术研究现状
• 1.5 本论文研究目标及主要研究内容
• 1.5.1 研究目标
• 1.5.2 主要研究内容
• 1.5.3 论文研究依托的课题
• 2 转锥式生物质热解反应器的动力学研究
• 2.1 转锥式生物质闪速热解液化装置的工作原理
• 2.2 转锥式生物质闪速热解液化装置的工艺流程
• 2.3 热载体颗粒的动力学研究
• 2.3.1 热载体颗粒空间动力学模型的建立
• 2.3.2 热载体颗粒沿锥面斜向上的运动分析
• 2.3.3 热载体颗粒在水平投影面内旋转角度分析
• 2.3.4 热载体颗粒空间运动状态方程
• 2.3.5 转锥最小锥角的理论推导
• 2.3.6 转锥的强度校核的理论推导
• 2.4 反应器生产能力设计及计算方法研究
• 2.5 反应器功率设计及计算方法研究
• 2.5.1 起动转锥的功率
• 2.5.2 克服物料惯性消耗的功率
• 2.5.3 转动物料所需的功率
• 2.5.4 物料与锥面摩擦所消耗的功率
• 2.5.5 轴承摩擦所消耗的功率
• 2.5.6 转锥与空气摩擦所消耗的功率
• 2.6 小结
• 3 基于模糊优化的转锥的有限元设计理论研究
• 3.1 机械结构模糊优化原理
• 3.2 模糊优化数学模型的建立
• 3.2.1 目标函数的确定
• 3.2.2 设计变量的选取
• 3.2.3 建立模糊约束条件
• 3.3 模糊有限元优化解法
• 3.3.1 有限元模型的建立
• 3.3.2 模糊约束隶属函数的选择
• 3.3.3 改进的水平截集法
• 3.3.4 算法框图及结果
• 3.4 小结
• 4 转锥式生物质闪速热解液化装置的动力学仿真
• 4.1 动力学仿真的研究意义
• 4.2 ADAMS动力学仿真软件与虚拟样机技术
• 4.2.1 ADAMS仿真软件简介
• 4.2.2 ADAMS在机械系统设计中的应用概述
• 4.3 转锥的ADAMS仿真建模
• 4.3.1 转锥几何模型的建立
• 4.3.2 转锥约束模型
• 4.3.3 转锥与热载体之间碰撞力的建立
• 4.4 仿真结果分析
• 4.4.1 转锥的临界转速
• 4.4.2 绘制仿真结果曲线图
• 4.5 转锥锥角、固体滞留期和转锥转速间的匹配关系
• 4.6 小结
• 5 ZKR-200A型生物质闪速热解液化制油装置设计
• 5.1 主反应器设计
• 5.1.1 设计参数的确定
• 5.1.2 转锥体的设计
• 5.1.3 主反应器结构设计
• 5.1.4 旋转主轴设计
• 5.1.5 主反应器结构设计
• 5.2 热载体加热装置设计
• 5.2.1 烟气量计算
• 5.2.2 保温层厚度计算
• 5.2.3 管、箱体尺寸设计计算
• 5.3 气力输送系统设计与研究
• 5.3.1 概述
• 5.3.2 气力输送技术研究进展
• 5.3.3 风机的设计
• 5.3.4 旋风分离器的设计
• 5.3.5 输送管道的设计
• 5.3.6 设计结果及小结
• 5.4 供水系统的设计与研究
• 5.4.1 本设计要解决的问题
• 5.4.2 目前国内外冷却水供水系统的发展
• 5.4.3 本设计目的及意义
• 5.4.4 供水装置的设计
• 5.5 冷凝器的设计
• 5.5.1 换热设备概述
• 5.5.2 设计方案的选择
• 5.5.3 设计计算
• 5.5.4 油泵的选择
• 6 目标小试样机装置生物质热解液化实验
• 6.1 实验目的
• 6.2 实验原料及其预处理
• 6.3 实验用相关仪器设备
• 6.4 实验方法
• 6.5 实验结果及能量转化率计算
• 6.6 生物质热解油组分分析实验
• 6.7 小结
• 结论
• 展望
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢