生物质循环流化床气化炉实验及数值模拟研究

论文摘要

循环流化床生物质气化技术是一种先进的生物质能利用形式,其原料适应性广、处理量较大、可连续生产,其研究和应用对解决能源与环境问题具有重大的意义。本文对提升管内径100mm,高度5m的生物质循环流化床气化炉进行实验及数值模拟研究。通过冷态实验可知,引起系统循环量增大的因素有:一次风量的增大;颗粒粒径的减小;床内含料量的增多。引起提升管内压降增大的因素有:一次风量的减小;颗粒粒径的增大;床内含料量的增多。本文还对稻壳、锯末、棉杆颗粒料进行了流化性能测试实验,并通过添加河沙床料的方法改善了它们的流化性能。本文采用整体三维数值模拟的方法,在计算中考虑各部件间的相互影响,应用欧拉双流体粒子模型,采用Gidaspow相间动量交换模型,对生物质循环流化床气化炉在不同工况下的气固流动情况进行了模拟计算。模拟中得到的颗粒速度矢量图,证实了管内大尺度内循环的流动结构;得到了提升管内轴向和径向截面的颗粒体积分数图以及床内不同高度横截面的平均压力分布曲线。由模拟结果看出:提升管底部密相区颗粒体积分数较大,也是管内压差较大的部分,而提升管中上部过渡区和稀相区内颗粒体积分数较小且变化幅度很小,此部分压降也很小;整个循环流化床气化炉内形成了压力回路,使固体颗粒能够稳定地在床内循环;床内颗粒会形成尺度不一的团聚物,其会在短时间内形成并消散。热态气化运行实验以棉杆颗粒料为原料,以河沙作为床料。稳定运行时炉内温度较为平均且保持稳定;产品气在空气中能够稳定燃烧;产品气热值较低;由于气化炉规模较小,热损失较高,其他气化指标所显示的气化性能中等。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• §1-1 引言
• §1-2 不同形式的生物质循环流化床气化炉的研究进展
• 1-2-1 外循环流化床生物质气化设备
• 1-2-2 内循环流化床生物质气化设备
• 1-2-3 双流化床生物质气化设备
• 1-2-4 几类循环流化床气化炉的对比及讨论
• §1-3 本文研究内容
• 第二章 生物质循环流化床气化炉冷态实验研究
• §2-1 循环流化床冷态试验系统
• 2-1-1 主体实验设备
• 2-1-2 送风系统
• 2-1-3 数据测量及采集系统
• §2-2 循环流化床气化炉在不同操作条件下的运行情况
• 2-2-1 不同一次风量下系统运行状态实验
• 2-2-2 不同床内固体含料量下系统运行状态实验
• 2-2-3 不同固体颗粒粒径下系统运行状态实验
• §2-3 不同生物质原料的流化特性实验
• §2-4 本章小结
• 第三章 气固两相流动的数学模型及数值模拟方法
• §3-1 气固两相流动数学模型
• 3-1-1 质量守恒
• 3-1-2 动量守恒
• 3-1-3 压力应变张量
• 3-1-4 两相粘度
• 3-1-5 颗粒温度
• 3-1-6 曳力系数
• §3-2 数值模拟中的离散方法
• 3-2-1 有限体积法的基本思想
• 3-2-2 有限体积法的求解方法
• §3-3 本章小结
• 第四章 循环流化床气化炉内部流场数值模拟及分析
• §4-1 床内流动区域的网格划分
• §4-2 数值模拟计算参数
• §4-3 模拟结果的分析及讨论
• 4-3-1 床内压力分布情况
• 4-3-2 随机失踪颗粒在床内的运动轨迹
• 4-3-3 床内固体颗粒分布情况
• 4-3-4 床内固体颗粒体积分数的分布
• 4-3-5 不同床内固体含料量下的对比模拟实验
• §4-4 本章小结
• 第五章 生物质循环流化床气化炉热态气化运行实验
• §5-1 循环流化床气化炉热态实验系统
• 5-1-1 气化炉主体实验设备
• 5-1-2 点火启动装置
• 5-1-3 加料装置
• 5-1-4 实验数据测量及采集系统
• §5-2 热态气化运行实验内容
• 5-2-1 实验原料
• 5-2-2 实验操作流程
• §5-3 热态气化运行实验结果及分析
• 5-3-1 气化炉内温度
• 5-3-2 气化炉内压差分布
• 5-3-3 产品气成分分析
• 5-3-4 气化实验主要评价参数
• §5-4 本章小结
• 第六章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间所取得的相关科研成果