秸秆裂解炉开发与炉管内的温度场模拟

【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。 【关键词】：生物质 裂解装置 颗粒动力学 CFD
【学位授予单位】：青岛科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2011
【分类号】：X712
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-14
• 前言14-15
• 1 文献综述15-34
• 1.1 引言15-16
• 1.2 生物质和生物质能16-17
• 1.2.1 生物质16
• 1.2.2 生物质能16-17
• 1.3 生物质能转化利用技术17-20
• 1.3.1 物理转化技术17-18
• 1.3.2 生物化学转化技术18
• 1.3.3 热化学转化技术18-20
• 1.4 生物质热裂解技术20-29
• 1.4.1 生物质热裂解类型21-22
• 1.4.2 反应机理22-25
• 1.4.3 影响生物质热裂解的因素25-27
• 1.4.4 生物质热解产物的组成27-28
• 1.4.5 生物油的特性28
• 1.4.6 生物油的应用28-29
• 1.5 生物质热裂解工艺流程29-32
• 1.5.1 生物质炭化29
• 1.5.2 生物质气化29-30
• 1.5.3 生物质快速热解液化技术30-32
• 1.6 本文研究内容32-34
• 1.6.1 研究的背景和意义32
• 1.6.2 主要研究内容32
• 1.6.3 创新点32-34
• 2 下吸式移动床裂解反应器器的设计34-49
• 2.1 生物质裂解反应器的研究现状34-37
• 2.1.1 裂解装置的特点36-37
• 2.2 气固并流下吸式移动床反应器的设计37-38
• 2.3 传热计算38-44
• 2.3.1 生物质的热值38-39
• 2.3.2 总传热量39-40
• 2.3.3 炉膛传热40-42
• 2.3.4 裂解炉炉管内传热42-44
• 2.5 传热面积44-46
• 2.5.1 总传热面积45
• 2.5.2 裂解炉基本结构45-46
• 2.6 沉降速度46-48
• 2.7 本章小结48-49
• 3 炉管内气固两相流流动模型的建立与求解49-64
• 3.1 CFD 模拟软件简介49-53
• 3.1.1 FLUENT 软件的组成50
• 3.1.2 GAMBIT 软件概述50-52
• 3.1.3 FLUENT 软件概述52-53
• 3.2 物理模型53-55
• 3.3 控制方程55-57
• 3.3.1 体积分数55-56
• 3.3.2 质量守恒方程56
• 3.3.3 动量守恒方程56-57
• 3.4 本构方程57-62
• 3.4.1 相间交换系数57-59
• 3.4.2 固体压力59-60
• 3.4.3 固体剪切应力60-61
• 3.4.4 颗粒温度61
• 3.4.5 传热模型61-62
• 3.5 Fluent 中的求解算法62-63
• 3.6 本章小结63-64
• 4 下吸式移动床裂解反应器的数值模拟64-83
• 4.1 引言64-65
• 4.2 几何模型的建立与网格划分65-67
• 4.2.1 几何模型的简化65-67
• 4.2.2 网格划分67
• 4.2.3 模拟参数67
• 4.3 模拟结果67-81
• 4.3.1 温度分布67-74
• 4.3.2 炉管内速度分布74-76
• 4.3.3 颗粒停留时间76-77
• 4.3.4 颗粒运行轨迹77-78
• 4.3.5 固相分布78-81
• 4.4 本章小结81-83
• 结论83-85
• 参考文献85-93
• 附录93-97
• 致谢97-98
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文目录98-99

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