稻草与煤粉在三种喷动床中的流体力学性能和气化流程初步试验

论文摘要

随着人类对能源的需求越来越大和化石燃料的日益减少,寻找能够可持续利用的新能源成为一项关键任务。生物质能作为一种可再生能源,已经受到世界各国的重视,研究开发利用生物质已经成为世界各国的一项重要任务。生物质要成为煤、石油和天然气等矿物燃料的替代品,其关键之处就是将低品位的生物质能转换成高品位的能源形式。生物质与煤共气化,可借助煤炭的燃烧和气化作用消除焦油并产生高品位的清洁的中热值燃气,可减量化使用煤炭,在未来的能源结构中具有重要作用。喷动床的研究已有几十年的历史,喷动床具有结构简单,传热传质性能良好,易于操作等优点,可尝试作为热转化反应器使用。研究喷动床气化系统是寻求新的生物质气化技术的一种思路。因此,研究生物质与煤在喷动床中的共气化具有一定的理论意义和实际应用前景。在本论文中,首先对农产品废弃物稻草粒与煤粉粒在三种喷动床中的流体力学性能进行试验研究,为共气化试验提供流体力学行为的指导,这是比较和开发三种形式喷动床气化反应器必备的基础研究。通过不断试验和改进气化流程,以开发稻草与煤在喷动床中的共气化工艺。主要工作包括以下几个方面。（1）设计了常规柱锥型喷动床,喷动床体的内径为400mm,高为700mm,锥体部分锥角为60°,气体入口管径为40mm,进行了生物质稻草粒与煤粉粒双组分物料冷态喷动试验研究:①考察了稻草粒粒和煤粉粒的混合比例、喷动床的喷口直径和混合物料的床层高度（物料高度）对床层压降和表观风速关系的影响,以及对物料循环速率随风量变化的影响,得到了表征影响的曲线。②选取喷口直径25、32、43（mm）,风量75、90、105(Nm3·h-1),物料高度200、260、300（mm）3因素3水平,以循环速率W、单位物料高度下床层压降的变化△P/L及单位有效功的物料循环量量W/[（△P+P）Q标]为试验指标,并采用拟水平法的U12(1210)均匀设计方法开展试验,并用SPSS软件处理试验数据,得到了相应的回归方程。（2）设计了导向管喷动床,喷动床体的内径为400mm,高为700mm,锥体部分锥角为60°,气体入口管径为40mm,导向管内径为43mm,进行了生物质稻草粒粒与煤粉粒双组分物料冷态喷动试验研究:①考察了稻草粒粒和煤粉粒的混合比例、喷动床的喷口直径和导喷距对床层压降和表观风速关系的影响,以及对物料循环速率随风量变化的影响,得到了表征影响的曲线。②选取喷口直径25、32、43（mm）,风量55、73、92(Nm3·h-1),导喷距40、60、80（mm）,选取3因素3水平,以循环速率W、单位物料高度下床层压降的变化△P/L及单位有效功的物料循环量量W/[（△p+P）Q标]为试验目标,并采用拟水平法的U12(1210)均匀设计方法开展试验,得到了相应的回归方程。研究结果表明,导向管喷动床可以有效解决普通喷动床的处理物料能力非常有限的问题,提升了床层物料高度,并且大幅度降低了喷动压降,喷动更稳定更有规律。（3）设计了旋转导向管喷动床,喷动床体的内径为400mm,高为700mm,锥体部分锥角为60°,气体入口管径为40mm,导向管内径为43mm,进行了生物质稻草粒粒与煤粉粒双组分物料冷态喷动试验研究:①考察了稻草粒粒和煤粉粒的混合比例、喷动床的喷口直径和导喷距对床层压降和表观风速关系的影响,以及对物料循环速率随风量变化的影响,得到了表征影响的曲线。②选取喷口直径25、32、43（mm）,风量55、73、92(Nm3·h-1),导喷距40、60、80（mm）,选取3因素3水平,以循环速率W、单位物料高度下床层压降的变化△P/L及单位有效功的物料循环量量W/[（△P+P）Q标]为试验目标,并采用拟水平法的U12(1210)均匀设计方法开展试验,得到了相应的回归方程。研究表明,与普通导向管喷动床相比,旋转弯头的加入在一定程度上使操作压降略有增加,物料循环速率略有下降。采用旋转导向管可以大幅度增加喷动床的直径,解决了喷动床的径向放大的限制。（4）进行气化试验并根据试验中的问题改进了生物质与煤粉粒共气化的工艺流程,取得了良好的试验效果,为以后开展热态试验奠定了良好的基础。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 生物质能的概况
• 1.1.1 生物质能资源
• 1.1.2 开发生物质能资源的意义
• 1.2 生物质能源的转换和利用
• 1.3 生物质气化技术
• 1.3.1 生物质气化的研究现状
• 1.3.2 生物质气化设备
• 1.4 喷动床的发展与研究现状
• 1.4.1 典型喷动床的喷动原理
• 1.4.2 典型柱锥喷动床优点、缺陷及其改进
• 1.4.3 喷动床的应用
• 1.5 本文要研究的问题和主要研究内容
• 第二章 常规喷动床中稻草粒和煤粉粒混合物料的流体力学特性研究
• 2.1 材料、设备、和试验方法
• 2.1.1 试验材料及设备
• 2.1.2 试验方法
• 2.1.3 试验设计
• 2.2 流体力学特性分析
• 2.2.1 喷动现象与压降变化规律
• 2.2.2 不同操作条件对表观风速与压降关系的影响
• 2.2.3 不同操作条件对物料循环速率的影响
• 2.3 均匀试验结果分析
• 2.3.1 试验数据与结果
• 2.3.2 试验结果的回归方程
• 2.4 结论
• 第三章 导向管喷动床中稻草粒和煤粉粒混合物料的流体力学特性研究
• 3.1 材料、设备、和试验方法
• 3.1.1 试验材料及设备
• 3.1.2 试验方法
• 3.1.3 试验设计
• 3.2 流体力学特性分析
• 3.2.1 喷动现象与压降变化规律
• 3.2.2 不同操作条件对表观风速与压降关系的影响
• 3.2.3 不同操作条件对对物料循环速率的影响
• 3.3 均匀试验结果分析
• 3.3.1 试验数据与结果
• 3.3.2 试验结果的回归方程
• 3.4 小结
• 第四章 旋转导向管喷动床中稻草粒和煤粉粒混合物料的流体力学特性研究
• 4.1 物料在旋转喷动床内的运动规律
• 4.2 材料、设备、和试验方法
• 4.2.1 试验材料及设备
• 4.2.2 试验方法
• 4.2.3 试验设计
• 4.3 流体力学特性分析
• 4.3.1 喷动现象与压降变化规律
• 4.3.2 不同操作条件对表观风速与压降关系的影响
• 4.3.3 不同操作条件物料循环速率的影响
• 4.4 均匀试验结果分析
• 4.4.1 试验数据与结果
• 4.4.2 试验结果的回归方程
• 4.5 小结
• 第五章 喷动床稻草粒与煤共气化试验流程研究
• 5.1 气化基本原理
• 5.2 喷动床稻草粒与煤粉粒共气化流程的组成
• 5.2.1 废橡胶粒子热解试验流程
• 5.2.2 进料系统及改造
• 5.2.3 喷动床反应器及改造
• 5.2.4 高温气固分离系统及改造
• 5.2.5 点火系统的设计和改造
• 5.2.6 冷凝系统及改造
• 5.3 稻草粒与煤共气化喷动床气化炉运行参数的选择
• 5.3.1 装料量的确定
• 5.3.2 空气流量
• 5.3.3 空气当量比
• 5.3.4 气化炉运行温度
• 5.4 气相色谱法初步确定相关气体的主要成分
• 5.4.1 气相色谱分析条件
• 5.4.2 空气样品图谱
• 5.4.3 液化气样品图谱
• 2气样品图谱'>5.4.4 CO₂气样品图谱
• 5.5 试验步骤
• 5.6 气化热态初步试验
• 5.7 小结
• 第六章 全文总结和工作展望
• 6.1 总结
• 6.2 建议
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士期间发表的论文