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《中国农业大学》 2017年
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秸秆生物质旋转床热解反应器工艺分析与试验研究

余永  
【摘要】:为探讨秸秆在生物质旋转床反应器中的理论基础与热解效果,进行了秸秆热解的工艺分析与试验研究。首先构建了生物质的一般热转化模型,并进行了分析求解;通过生物质在热解反应器稳定热解过程的(?)分析,建立了化学反应(?)平衡热力学模型。基于模型分析,设计实现了生物质旋转床热解反应器,该反应器包括旋转床、喂料部件、旋风分离器、冷凝器、机架等;反应器具有物料的较高适应性并且能够减少二次反应的发生,并且能够让生物质与热载体充分混合与流化;新型热解工艺并且可以不需要载气的添加,无需加压反应;简单易操作,可控性强;结构简单并且成本低。旋转床为反应器的关键部件,生物质热解和与石英砂的混合流化均在内部完成。基于离散元方法,通过EDEM的软件仿真,分析了旋转筒转速、喂料速度、抄板情况对生物质与石英砂的接触颗粒数率和总颗粒速度的影响;得出基于最大的接触颗粒数率的最佳参数为旋转筒转速为27.6 r/min,喂料速度为2.48kg/h,无抄板;基于最大的总颗粒速度的最佳参数为62.1r/min,喂料速度为1.55 kg/h,抄板数量为6,高度为0.6 cm;并对旋转床内的热解气流动情况,采用Fluent软件进行了流场分析,可以得到热解气在旋转床内的影响范围较少,对生物质和石英砂的混合与流化过程影响程度有限,证明了旋转床反应器能够减少二次反应。同时基于Fluent软件对旋风分离器和冷凝器进行了压力与速度分析,结果显示:旋风分离器和冷凝器均满足设计要求。对生物质旋转床热解反应器机架进行了热—结构耦合有限元仿真分析,使用Ansys Workbench软件进行机架的稳态热分析、静力学分析和模态分析,加热器对实际工作环境影响不大、结构较为稳定。基于旋转床反应器进行了玉米秸秆热解的多种参数试验,包括机器参数、气相氛围和秸秆预处理方式。机器参数包括反应温度、喂料速度和旋转筒转速,对生物炭进行了热值与元素分析,对生物油进行了热值、含水率和元素分析;对合成气用气相色谱法分析了有机物组成与含量。371.1 ℃时,生物油含水率最低、生物油热值最高、生物油含碳量最高,为最合适热解温度。在转速为62.1 r/min时反应较为充分,生物油中的有机物含量至少为13.49%,生物质与石英砂的混合与流化综合效果最好。气相氛围对生物质热解效果影响显著,在不通任何载气、以尾气作为载气和N2作为载气三种气相氛围下进行旋转床反应器试验;通尾气时,生物质反应最充分,能够增加H元素的反应活性,生物油的O元素含量较高、化学分子量较小。通氮气能够减少热解二次反应的发生。基于反应器进行了不同预处理物料的热解试验,即干燥预处理、粉碎预处理和烘焙预处理;大粒径物料,颗粒表层发生的热解反应较为充分,但是热解反应没有进入颗粒内部。高含水率的生物质热解生物油的含水率明显升高,高达85.15%,生物质的水分会阻碍生物质的热解进程。烘焙生物质的反应性降低,会大范围降低生物油的有机物含量。
【关键词】:旋转床 热解工艺 反应器 仿真 参数试验
【学位授予单位】:中国农业大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:S216
【目录】:
  • 摘要4-5
  • Abstract5-13
  • 第一章 绪论13-23
  • 1.1 研究意义13
  • 1.2 国内外研究现状13-20
  • 1.3 研究目标20
  • 1.4 主要研究内容20-21
  • 1.5 研究方法21
  • 1.6 技术路线21-23
  • 第二章 生物质热转化模型与过程分析23-31
  • 2.1 引言23
  • 2.2 热转化模型构建23-24
  • 2.3 热转化模型分析24-25
  • 2.4 生物质在反应器内的热解过程分析25-29
  • 2.5 本章小结29-31
  • 第三章 生物质旋转床热解反应器的设计实现31-47
  • 3.1 引言31
  • 3.2 生物质旋转床反应器总体方案31-33
  • 3.3 物料衡算和能量衡算33-36
  • 3.4 主要部件的参数计算36-45
  • 3.5 本章小结45-47
  • 第四章 基于离散元的生物质与热载体的混合流化分析47-67
  • 4.1 引言47
  • 4.2 混合流化的工艺分析与模型建立47-50
  • 4.3 生物质与石英砂的旋转混合分析DEM仿真50-52
  • 4.4 结果分析52-64
  • 4.5 本章小结64-67
  • 第五章 基于CFD的旋转床反应器的流体动力学仿真分析67-77
  • 5.1 引言67
  • 5.2 旋转床CFD模拟67-70
  • 5.3 旋风分离器CFD模拟70-73
  • 5.4 冷凝器CFD模拟73-76
  • 5.5 本章小结76-77
  • 第六章 基于有限元方法的反应器机架的热结构耦合仿真分析77-83
  • 6.1 引言77
  • 6.2 有限元的理论基础和模型建立77-79
  • 6.3 稳态热分析79-80
  • 6.4 结构分析80-82
  • 6.5 本章小结82-83
  • 第七章 秸秆生物质旋转床热解反应器的机器参数试验研究83-103
  • 7.1 引言83
  • 7.2 材料与方法83-85
  • 7.3 结果与讨论85-100
  • 7.4 本章小结100-103
  • 第八章 气相氛围对旋转床热解反应器的热解影响分析103-113
  • 8.1 引言103
  • 8.2 材料与方法103-105
  • 8.3 结果与讨论105-111
  • 8.4 本章小结111-113
  • 第九章 秸秆预处理方式对旋转床热解反应器的热解影响分析113-127
  • 9.1 引言113
  • 9.2 材料与方法113-116
  • 9.3 结果与讨论116-125
  • 9.4 本章小结125-127
  • 第十章 结论与建议127-131
  • 10.1 主要结论127-128
  • 10.2 特色与创新点128-129
  • 10.3 研究展望129-131
  • 参考文献131-141
  • 致谢141-143
  • 个人简介143-146

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