生物质快速热解试验台的研制及实验研究

摘要

能源是国家发展,社会进步不可缺少的物质基础。但是我国的石油资源匮乏,人均占有量在世界还处于较低水平且化石能源的大量使用已对人类的生存环境带来了严重的污染,这些都已成为社会的潜在危机。而生物质能作为一种清洁的可再生能源已受到各国政府和研究机构的广泛关注。我国的生物质能十分丰富,光农业废弃物每年就有7×108t,还有生活垃圾、水生植物及人畜粪便等多种类的生物质。不言而喻,生物质能源已成为我国未来可持续发展能源系统的重要组成部分。生物质快速热解液化技术作为生物质能源利用的一条有效途径得到了国内外广泛的重视并取得了可喜的进展。
　　本课题旨在查阅大量国内外相关研究资料的基础上自行建立一套以循环流化床为主体,集进料、加热、反应、分离及冷凝等设备为一体的生物质快速热解液化装置。实验用生物质主要采用玉米粉、糠壳、锯末及麦麸,设计进料量5-10kg/h,采用石英砂作为热载体,以氮气作为流化介质,设计热解温度500℃左右。本文较全面的综述了生物质热解制取生物油技术的发展现状,主要研究内容有:
　　①自行设计了热解系统的主要装置并确定了各个装置的具体尺寸;
　　②在详细的分析了整个热解装置的管路特性的基础之上提出了调节方法,就输料系统出现的一些问题提出了解决的办法并对其进行了改造;
　　③测量了不同种类生物质的平均密度及堆积密度并研究其对输料量的影响;
　　④详细记录了不同种类不同粒径的生物质的实际流化所需的风量并将其与理论计算结果进行对比并找出了具有规律性的结论;
　　⑤采用传热学理论对生物质的传热过程及热解时间进行了研究,计算出四种生物质不同粒径的热解时间并结合生物质在流化床内部的停留时间确定了适合本次实验的生物质的粒径范围;
　　⑥研究了不同温度对产油率的影响,并就热态实验中出现的问题对实验装置进行了改造,达到了预期的效果。 本论文的研究结果为生物质快速热解液化制取生物油的关键设备—循环流化床反应器的设计和研制提供了理论基础,为后继者继续研究相关内容提供了可靠的技术依据和可行的技术方法。

目录

中文摘要

英文摘要

1 绪论

1.1 课题的来源及意义

1.2 生物质资源

1.2.1 农业废弃物及农林产品加工废弃物

1.2.2 薪柴

1.2.3 城市生活垃圾

1.3 生物质能的利用现状

1.3.1 国外生物质利用现状

1.3.2 国内生物质利用现状

1.4 生物质能转化技术的研究现状

1.4.1 生物质能的转化技术

1.4.2 生物质热解技术

1.4.3 生物质快速热解工艺的研究进展

1.5 影响热解反应的因素

1.5.1 温度

1.5.2 加热速率

1.5.3 滞留时间

1.5.4 原料粒径

1.5.5 灰分

1.6 本课题的研究内容

1.6.1 实验系统的设计与加工

1.6.2 实验研究与数据处理

2 生物质快速热解系统的确定及装置设计

2.1 生物质快速热解系统方案的选择与优化

2.2.1 方案一

2.1.2 方案二

2.1.3 方案三

2.1.4 方案的确定

2.2 生物质快速热解装置的设计

2.2.1 设计目标

2.2.2 输料装置的设计

2.2.3 流化床热解反应器的设计

2.2.4 加热功率P的确定

2.2.5 分离器的设计

2.2.6 冷凝器的设计

2.2.7 其他设备和仪器

3 热解系统管路的分析及输料系统的改造

3.1 管路的阻力计算及其性能曲线的分析

3.1.1 单相流管网的阻力计算

3.1.2 气—固两相流管网的阻力计算

3.1.3 系统的阻力计算

3.1.4 性能曲线分析

3.1.5 系统管路的调试

3.2 输料系统的改造

3.2.1 料斗的改造

3.2.2 螺旋输料机的改造

4 生物质热解时间的确定及粒径范围的选择

4.1 导热基本概念

4.1.1 温度场

4.1.2 等温面和等温线

4.1.3 温度梯度

4.1.4 傅立叶定律

4.1.5 导热系数

4.2 导热微分方程

4.3 一维非稳态导热

4.3.1 Bi＜0.1的一维非稳态导热：集总参数法

4.3.2 Bi＞0.1的一维非稳态导热

4.4 生物质颗粒中心达到充分热解温度的传热时间求解

4.4.1 热解时间传热模型的建立

4.4.2 一维非稳态导热的图表求解

4.4.3 图表求解的结果及数据分析

4.5 结论及说明

5 生物质快速热解试验及结果分析

5.1 冷态试验

5.1.1 试验目的

5.1.2 试验前的准备

5.1.3 生物质堆积密度的测定

5.1.4 生物质平均密度得测定

5.1.5 输料量的测定

5.1.6 生物质流化速度的测定

5.2 热态实验

5.2.1 实验目的

5.2.2 实验原料

5.2.3 实验前的准备

5.2.4 试验步骤

5.2.5 试验结果及数据分析

5.3 结论及说明

6 结论与建议

6.1 结论

6.2 建议

致谢

参考文献

附录

A 不同种类生物质当其粒径不同时的热解时间计算表

B 攻读硕士学位期间发表论文的目录

C 作者发表的论文被SCI收录情况

D 作者发表的论文被EI核心版收录情况

E 作者在攻读硕士学位期间已受理的发明专利