秸秆裂解炉开发与炉管内的温度场模拟

论文摘要

生物质热解技术是缓解能源危机的重要途径之一,也是一种有效可行的经济路线。在生物质快速热裂解的各种工艺中,反应器的类型和加热方式在很大程度上决定了产物的最终分布和生物油的质量、产率等,并且对于生产过程中条件的控制和热能的利用有重要影响。本文所做的主要内容如下:以改善生物油的质量和提高生物油的产率为目的,在对现有生物质快速裂解装置类型和加热方式系统分析的基础上,提出了一种新型生物质裂解反应器——下吸式移动床裂解反应器。该裂解器的整个炉膛分为预热室和燃烧室,并在两区域连接处设置导流片。采用导流整流技术控制燃气的燃烧和热气流的流动,以保证裂解炉膛内温度均一。经过传热模型计算得到裂解器的基本结构为,炉体内径1.1m,燃烧室高度3.0m,预热室高度3.0m,炉膛内设有6根相同的裂解炉管。此裂解装置用燃气、煤或生物质热裂解产生的不凝气作为热源对裂解炉炉管内的生物质进行加热,可避免采用熔盐和砂子做中间加热介质。在充分分析Fluent软件计算模型和算法的基础上,选取了适用于炉管内气固两相流的数学模型和具体求解方法。基于颗粒动力学理论,考虑气体与颗粒、颗粒组分以及颗粒之间的相互作用,建立了下吸式移动床裂解炉炉管内的气固两相流动模型。假设颗粒为独立的连续相,颗粒用相应的粒径、密度和弹性恢复系数、体积分数等参数表示,重点从颗粒相的能量传递、耗散以及气固相间作用考虑模型的封闭。采用先进的CFD模拟软件FLUENT,运用欧拉——欧拉气固两相流模型和PC—SIMPLE算法,模拟了下吸式移动床裂解反应器。在不同进口气相速度下,模拟了颗粒在变径圆管(裂解炉炉管中间设有锥形段)和单纯的直行圆管内的流动特性及管内温度分布,并对两者的模拟结果进行了比较。在相同进料量的条件下,考察了粒径大小对管内固相分布的影响。结果显示,与普通直行圆管相比,变径圆管的锥形段对流场的影响更显著。在变径圆管内,颗粒经过锥形段后其运动轨迹呈“之”型,颗粒与颗粒之间发生明显的交叉现象,返混程度较强,更利于固相颗粒之间的热传递。当气相速度为0.01m/s、平均颗粒粒径为2mm时,炉管内的温度分布满足生物质快速裂解所需温度并且颗粒的停留时间是1.4s(小于2s)可有效抑制裂解气的二次裂解。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 前言
• 1 文献综述
• 1.1 引言
• 1.2 生物质和生物质能
• 1.2.1 生物质
• 1.2.2 生物质能
• 1.3 生物质能转化利用技术
• 1.3.1 物理转化技术
• 1.3.2 生物化学转化技术
• 1.3.3 热化学转化技术
• 1.4 生物质热裂解技术
• 1.4.1 生物质热裂解类型
• 1.4.2 反应机理
• 1.4.3 影响生物质热裂解的因素
• 1.4.4 生物质热解产物的组成
• 1.4.5 生物油的特性
• 1.4.6 生物油的应用
• 1.5 生物质热裂解工艺流程
• 1.5.1 生物质炭化
• 1.5.2 生物质气化
• 1.5.3 生物质快速热解液化技术
• 1.6 本文研究内容
• 1.6.1 研究的背景和意义
• 1.6.2 主要研究内容
• 1.6.3 创新点
• 2 下吸式移动床裂解反应器器的设计
• 2.1 生物质裂解反应器的研究现状
• 2.1.1 裂解装置的特点
• 2.2 气固并流下吸式移动床反应器的设计
• 2.3 传热计算
• 2.3.1 生物质的热值
• 2.3.2 总传热量
• 2.3.3 炉膛传热
• 2.3.4 裂解炉炉管内传热
• 2.5 传热面积
• 2.5.1 总传热面积
• 2.5.2 裂解炉基本结构
• 2.6 沉降速度
• 2.7 本章小结
• 3 炉管内气固两相流流动模型的建立与求解
• 3.1 CFD 模拟软件简介
• 3.1.1 FLUENT 软件的组成
• 3.1.2 GAMBIT 软件概述
• 3.1.3 FLUENT 软件概述
• 3.2 物理模型
• 3.3 控制方程
• 3.3.1 体积分数
• 3.3.2 质量守恒方程
• 3.3.3 动量守恒方程
• 3.4 本构方程
• 3.4.1 相间交换系数
• 3.4.2 固体压力
• 3.4.3 固体剪切应力
• 3.4.4 颗粒温度
• 3.4.5 传热模型
• 3.5 Fluent 中的求解算法
• 3.6 本章小结
• 4 下吸式移动床裂解反应器的数值模拟
• 4.1 引言
• 4.2 几何模型的建立与网格划分
• 4.2.1 几何模型的简化
• 4.2.2 网格划分
• 4.2.3 模拟参数
• 4.3 模拟结果
• 4.3.1 温度分布
• 4.3.2 炉管内速度分布
• 4.3.3 颗粒停留时间
• 4.3.4 颗粒运行轨迹
• 4.3.5 固相分布
• 4.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 附录
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文目录