移动式生物质热裂解系统流体动力学研究及装置研发

发布时间：2020-05-15 08:50

【摘要】：移动式生物质热裂解设备可深入资源集中地带作业,将低密度生物质转化为高能密度热解油,解决原料收集和运输问题。本文利用间壁型流化床作为反应器主体结构,并通过计算流体动力学法(CFD)验证了环形空间流态化效果;开展热态试验研究,揭示了间壁型流化床传影响机制;基于理论计算确定了反应器系统最佳供热方案并考察其热力学及操作特性。本文同时提出了一种双重气力生物质输料方法,通过冷态试验探究了进气方式和结构参数对进料影响;此外开展流化床密相区生物质气力输送研究,获悉了影响流化床环境下进料效率本质因素。随后根据研究结论完成了“移动式热裂解系统”关键装置的研发。本文主要结论以及创新点如下:(1)基于CFD法,考察了模型选择、参数以及边界条件对数值模拟影响,通过冷态试验验证优选出最佳曳力模型、颗粒弹性恢复系数和镜面系数的组合。(2)基于优选模型和参数进一步展开模拟,获悉了初始床高、颗粒粒径和气体速率对环形空间流态化特性影响;此外,与圆柱形流化床对比显示,截面形状对颗粒速度及其分布有较大影响。(3)热态研究结果显示,床料堆积高度对间壁型流化床传热影响显著,而粒径影响不明显;同时基于经典“颗粒团更新理论”构建了传热模型,数值计算结果显示,传热主要发生在流化床密相区,颗粒团接触时间是影响传热关键因素,提高气体速率使雷诺数升高,也可提高传热系数。(4)通过理论计算确定了外部换热装置的最佳连接方案;同时计算结果显示间壁型流化床传热效率高于同等规模气-气式换热器,且随冷流体流率增加而显著提升,反应区温度与冷流体旁路流率呈现良好线性关系,验证了温度调节方法的可行性。(5)通过试验测试验证了双重气力输送的进料效果,喷动气和流化气的使用分别促进了气体输送效率和输送稳定性,喷动管结构参数对进料率有显著影响,提高布风板开孔可提高进料率但对稳定性起负面作用。(6)创新性地将喷动管结构参数融入Ergun公式,建立了压力仓气固流动模型,经验证进料率计算误差在±15%以内。(7)通过流化床密相区输料试验,探究了输料效率与气体速率、颗粒粒径和布风板开孔率间的关系,总结出空隙率是除床层压力外影响生物质进料的第二因素。(8)提出并建立了气体、床料和生物质三相流体动力学模型,同时提出“逐步检验”法,实现了模型数值求解;通过模型数值计算进一步得出生物质移动速率是影响输料效率的关键因素。(9)基于研究结论所完成了套管式流化床反应器研发,设有环形加热区以及螺旋板换热器,有效提高了传热及能源利用率;新型双重气力式进料器设有内置喷动管和布风板,促进了输料效率及稳定性;此外,研发的复合式蒸汽冷凝器含喷射和喷淋两级冷凝,设有冷却盘管用以降温,通过合理布局使整体结构更紧凑。
【图文】：

示意图,热裂解,生物质,工艺流程

移动式生物质热裂解系统流体动力学研宄及装置研发生物质热裂解的本质是纤维素、半纤维素和木质素的降解，其反应温度３７５°Ｃ、２２５？３５０°Ｃ和２５０？５００°Ｃ。从传热传质角度分析，热量由表面热成分迅速分解为热解炭和热解蒸汽。其中热解蒸汽中可冷凝成分即为．２．生物质热裂解工艺逡逑图１所示为一典型的生物质热裂解工艺流程（Ｃｈａｎｇ，邋２０１２），重要由反应离器、冷凝装置、产物回收装置、尾气净化器等装置组成。生物质热裂解热解炭、热解油和不可冷凝气。三种产物的比例取决于热裂解工艺类型加热速率以及完成反应所用时间，热裂解工艺大体可分为两种：慢速热裂裂解。慢速热裂解中又可分成炭化和常规慢速热裂解过程。快速热裂解中，间小于０．５ｓ，也称之为闪速热裂解。生物质热裂解主要工艺类型可见表１－

参考图,热裂解,西安,大学

移动式生物质热解是生物质热裂解液化领域的一个新方向，现有的设备及研宄报逡逑道较为有限。比较有代表性的有西安大略大学设计的移动式快速热裂解设备。该设备逡逑由ＩＣＦＡＲ公司研发，如图１－２，处理量可达１０ｔ／ｄ，适用于广泛的农业剩余物的热裂逡逑解液化，如甘蔗残渣、烟叶、蒸干谷粒、稻杆、亚麻稿杆、咖啡外壳等。该设备用到逡逑了一种新颖的“环形流化床反应器”，由直径不等的两圆筒构成，所形成的环形空间逡逑为反应区，圆柱形空间为燃烧室，用于提供热量，具体结构可参考图１－８。这种反应逡逑器有较高的内传热特性，因此结构比较紧凑。但它存在两大问题：１）环形空间进料逡逑不均匀，导致流化床传热不均，，影响到产物品质，而且环形空间影响产物顺利排出，逡逑使得热解炭在流化床中堆积；２）燃烧室空间比较狭小，内部构件安装、拆卸困难，逡逑难以维修，而且没有热能回收系统。逡逑？＿邋＞邋ＡＧＲＩＴＨＥＲＭ逡逑kr－Ｉｎｅｘｐｅｎｓｉｖｅ逡逑图１－２西安大略大学移动式热裂解设备逡逑Ｆｉｇ．邋１－２邋Ｍｏｂｉｌｅ邋Ｐｙｒｏｌｙｚｅｒ邋ｏｆ邋Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ邋ｏｆ邋Ｗｅｓｔｅｒｎ邋Ｏｎｔａｒｉｏ逡逑移动能源工厂可被看做是移动式热裂解设备的一种雏形
【学位授予单位】：北京林业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TK6;O351.2

【相似文献】