内胆式双热型生物质热裂解反应器设计及理论研究

发布时间：2020-07-25 15:50

【摘要】：国内外生物质能源利用技术的研究现状表明,生物质热裂解制取生物油技术是各种生物质能源利用技术中最有前途的技术之一。生物质热裂解反应器是整个热解工艺设备中最重要的部分,其相关设计参数、内部结构形式等对热解产物的转化率和工艺系统装备的制造成本、能耗等均有重要影响。只有通过合理的热裂解反应器才能实现生物质颗粒的闪速升温和气相的快速析出,得到高产量和高品质的生物油。因此,对热裂解反应器的设计及相关理论的研究是生物质热裂解制取生物油技术中的关键环节。 目前,现有的生物质热裂解反应器主要存在制造成本较高、加热效率低、产油率低、使用寿命低、工程放大困难等问题。本文针对现有各类生物质热裂解反应器的特点及不足之处,研究并设计了一种新型的内胆式双热型生物质热裂解反应器,并对其相关理论进行研究。该反应器以不凝气为流化气,利用外层热烟气和内胆中经烟气预热后的不凝气载气同时加热生物质原料和床料,以石英砂为床料,一方面提高了反应器的加热效率；另一方面,可使整个生物质热裂解制取生物油装置的总高度降低约50%,极大地减少了装置中钢材的消耗,降低了生物油的成本,为高效生物质热裂解反应器及相关工艺装备的研制和工程放大等提供理论支持和技术保障。 根据生物质热裂解制取生物油的机理,考虑目前流化床反应器应用比较广泛且技术较成熟,但因加热速率低、需要外源供热,热裂解工艺系统装备高度大、制造成本高,实现工程放大较困难,且缺乏统一的设计模型。基于流化床反应器设计理论,提出一种流化式热裂解反应器的设计计算模型,为新型反应器开发和设计提供理论参考；根据该计算模型以最小气相停留时间为目标函数,对内胆式双热型生物质热裂解反应器的相关设计参数进行优化设计。 利用能量守恒的原理,对内胆式双热型生物质热裂解反应器进行热平衡分析,结合供热和传热的特点,对该反应器的壁面传热模型、颗粒间传热模型和对流换热模型进行研究；分析并确定该反应器的热量平衡方程式和实现生物质快速热裂解的热平衡条件,为进一步对反应器内传质传热过程进行仿真研究奠定基础。 基于流态化理论,建立内胆式双热型热裂解反应器的冷态实验台,针对不同工况进行实验研究,对不同进气方式、颗粒粒径、生物质颗粒和热载体颗粒混合配比、物料堆积高度以及分布板开孔率大小等参数对流化质量的影响规律进行研究,为生物质热裂解反应器优化设计提供参考依据。 基于气体分子运动理论和颗粒动力学方法,建立内胆式双热型生物质热裂解反应器内的气固两相流动模型方程,并利用计算流体力学软件,对该反应器内颗粒冷态流化过程进行仿真分析,对不同工况和操作条件进行数值模拟和分析,并通过与冷态实验数据的比较分析,验证数值模型合理；考虑该反应器内热量传递规律,在原有流动模型的基础上,建立热-固耦合模型、热-流耦合模型,利用数值方法对内胆式双热型热裂解反应器进行多物理场耦合仿真研究,得到反应器壁面和内部流体的温度分布,满足实现生物质快速热裂解的热平衡条件。仿真结果一方面可以为进一步热态实验提供参考依据,另-方面验证所设计的反应器可行,能实现生物质的高效热裂解,为实现生物质热裂解反应器内部复杂动态性能的仿真、设计优化和工程放大等工程目标提供理论依据。
【学位授予单位】：东北林业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TK6
【图文】：

图3-1 Mickley等提出的乳化闭传热模型Fig. 3-1 The emulsion heat transfer model of Mickley et al数学处理上，建立了乳化相微团的一维导热微分方程式[75]:i =

乳化相层的当ft厚度为k图3-2颗粒与表面的通用传热模型Fig.3-2 The universal model of heat transfer between particles and surface3.1.2.5经验模型由于流化床内传热过程极其复杂，且存在许多不确定性，因此，目前对机理模型

本文实验系统是在参考相关资料的基础上自行开发的，为了便于观察实验参数的确定，将不锈钢制热裂解反应器用有机玻璃反应器代替，如图4-1所示。该实验系统主要由空气压缩机、转子流量计、有机玻璃管反应器、分布板、U型管压差计、橡胶软管和塑料软管组成。实验条件为常温差压，反应器的尺、j?为内径0.22m，床高1.45m。设备经检查安装好，开动气呆，调节流量计，流量逐渐增大，通过U形压力计读取压降，测定不同条件下床层的压降和流化速度的关系。叠._图4-1流态化实验系统及装置Fig.4-1 Fluidization experiment system and device4.2实验参数的测定实验巾需要测量物料及热载体颗粒的粒径、密度、流化气体的流速及流量等参数，需要准备仪器或设备如下：-63-

【参考文献】

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本文编号：2770033