生物质循环流化床气固两相流数值模拟与热解气化试验研究

发布时间：2020-06-04 07:01

【摘要】：循环流化床气化技术是近年来国内外正在研究开发的一种先进的生物质气化技术,可利用广谱生物质为原料,经气化炉在缺氧条件下不完全燃烧而转化为高品质的清洁生物质燃气,提高了能量利用效率,具有广泛的应用前景,是生物质原料的资源化无害化处理的重要技术手段。近年来循环流化床气化技术得到了相对较快的发展,也取得了一定的成果,但对于循环流化床内固相颗粒停留时间及气固两相流动的数值模拟情况尚需要深入研究,相关理论试验及工程应用尚未完善,当前生物质气化设备在原料适用性、气化参数选择及工程放大等方面仍然存在一些的问题,揭示循环流化床炉内气固相流动情况、探索合理工作参数可为气化燃气品质预测与控制、循环流化床气化炉设备优化提供依据。 本文以循环流化床气化炉为研究对象,采用GAMBIT软件建立了循环流化床气化炉二维模型,基于CFD的数值模拟方法,探索了循环流化床气化炉内固相颗粒停留时间分布规律以及气固两相流动的宏观特性规律。模拟结果表明：循环流化床气化炉内的固相颗粒停留时间分布曲线呈现明显的双峰分布的特征,曲线中出峰较早的峰形窄而高,出峰较晚峰形宽而矮,这种双峰分布是由于气化炉中离散的颗粒和聚集的颗粒团共同作用的结果；随着流化气速的增加,曲线第一峰峰值增大较为显著,而第二峰峰值也随之增大,但增幅较小；经计算得,流化气速的增加会导致固相颗粒平均停留时间的减小,当流化气速由3.5m/s增加到6m/s时,固相颗粒停留时间由5.86s降低为3.41s,得到了工程应用中的最佳合理流化气速范围为4-5m/s。炉体高度的增加,使得颗粒混合的空间增大,床内颗粒的混合更加充分,混合范围变大、时间变长,导致颗粒平均停留时间增加。颗粒粒径越大,其平均停留时间也越大,相反颗粒粒径的减小则会导致平均停留时间的减小,且当流化气速选定为4～5m/s时,最佳颗粒粒径为400～600μm。欧拉双流体模型能较好的反映循环流化床气化炉的气固两相的宏观流动特性,得到了气化炉炉膛内颗粒浓度呈现两边高中间低的“环-核”形状分布规律,且颗粒在炉内形成内循环流动形式。将气化炉炉膛压降分布规律与理论模型计算值进行对比,两曲线结果总体趋势吻合良好,说明了本模型计算的可靠性与准确性。 本文在模拟结果的基础上,选定模拟得到的最优参数,利用循环流化床气化炉中试设备,对含水率为20%的药渣进行气化试验研究。采用空气预热装置将气化剂空气由常温加热为约200℃的热空气,研究了当气化剂处于两种不同温度时,空气当量比ER对气化特性的影响,并讨论了水蒸气配比S/B对气化特性的影响。结果表明：随着空气当量比的增加,循环流化床炉内气化温度逐渐升高,燃气热值和燃气中焦油含量均逐渐降低,气化效率则先增大后减小。当气化剂为常温冷空气时,最佳空气当量比范围为0.26～0.30,燃气热值在4500kJ/m3以上,气化效率大于67%；气化剂为200℃热空气时,最佳空气当量比为0.24～0.29,此时燃气热值在5000kJ/m3以上,气化效率约大于73%；随着水蒸气配比的增加,炉内温度逐渐降低,焦油含量逐渐升高,燃气热值先增加后减小,当S/B为0.4时,燃气热值可达6100kJ/m3。研究结果为高湿基生物质原料的资源化处理利用提供了参考。
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TK6

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