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大型生物质气化设备设计及其有限元分析

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摘要

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 生物质能源化研究现状

1.2.1 生物质能产业化发展现状

1.2.1 国内外生物质气化技术发展现状

1.3 生物质气化设备概况

1.3.1 生物质气化原理

1.3.2 生物质气化工艺概况

1.3.3 生物质气化设备概况

1.4 课题研究背景和内容

第二章 生物质气化设备的总体设计

2.1 生物质气化设备的总体方案设计

2.1.1 设计要求

2.1.2 气化工艺原理

2.1.2 气化工艺流程

2.2 回转式气化反应釜的结构设计

2.3 回转式气化反应釜的筒体参数设计

2.3.1 反应釜筒体长度和内径

2.3.2 反应釜筒体的斜度

2.4 换热管道的参数设计

2.4.1 生物质的热力学平衡计算

2.4.2 燃气燃烧器所需的空气量

2.4.3 燃气燃烧器的烟气温度计算

2.4.4 换热面积与换热管道尺寸的计算

2.5 反应釜筒体支承装置的结构设计

2.5.1 滚圈结构的确定

2.4.2 矩形滚圈的参数设计

2.5 进料装置的设计

2.5.1 螺旋进料装置的参数设计

2.5.2 螺旋进料装置的转速校核

2.6 本章小结

第三章 气化反应釜支承位置的优化研究

3.1 前言

3.2 反应釜筒体支承装置的位置优化

3.2.1 筒体的建模与网格划分

3.2.2 筒体的载荷与边界条件

3.2.3 筒体的线性静力学计算

3.2.4 反应釜筒体支承装置的位置优化

3.3 换热管道支承装置的位置优化

3.3.1 换热管道的建模与网格划分

3.3.2 换热管道的边界条件处理

3.3.3 换热管道支承装置的位置优化

3.4 本章小结

第四章 反应釜筒体的热应变研究及优化

4.1 Workbench软件介绍

4.2 反应釜筒体力学分析的理论模型

4.3 反应釜筒体的建模与网格划分

4.3.1 反应釜筒体的建模

4.3.2 反应釜筒体的网格划分

4.4 反应釜筒体的载荷与边界条件确定

4.4.1 滚圈对反应釜筒体的载荷

4.4.2 反应釜筒体的温度载荷函数

4.4.3 反应釜筒体的边界条件

4.5 求解与结果分析

4.6 反应釜筒体的结构优化

4.6.1 筒体加强板结构

4.6.2 筒体加强板宽度与位置的优化设计

4.7 筒体热变形引起的密封间隙及其误差修正

4.7.1 气化反应釜的动密封

4.7.2 筒体热变形引起的密封间隙分析

4.7.2 筒体密封间隙的误差修正

4.8 本章小结

第五章 反应釜筒体的模态分析

5.1 反应釜筒体的模态分析

5.1.1 引言

5.1.2 反应釜筒体的模态分析原理

5.2 反应釜筒体的预应力模态计算

5.2.1 反应釜筒体的多物理场数据共享

5.2.2 反应釜筒体的预应力模态计算结果

5.3 反应釜筒体的结构优化

5.3.1 优化前的筒体振型位移分析

5.3.2 优化后的筒体振型位移分析

5.4 本章小结

第六章 生物质气化设备的试验

6.1 设备的试验运行

6.2 试验结果分析

6.3 试验总结

第七章 总结与展望

7.1 总结

7.2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间的科研成果

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摘要

近年来我国的能源需求量逐年上升,化石能源的巨量消耗让人们思考能源和雾霾危机下的节能之路,提出了以新能源和可再生能源替代化石能源。生物质能是一种储量巨大的可再生资源,占一次能源总量的33%,其中生物质气化技术可将生物质废弃物转化为富氢燃气的洁净能源,是可再生能源应用领域内一项高新技术。目前,我国在生物质气化技术及其设备的研发还处于起步阶段,为提高生物质气化效率及其设备的可靠性,形成我国自主的知识产权,本文对生物质气化技术及其设备展开了相关研究。
  首先,本文对现有生物质能利用技术进行了总结,并基于生物质气化技术,提出了高温绝氧富蒸汽气化工艺和回转式气化反应釜的新型生物质气化技术,用于解决农林、竹木加工企业对生物质废弃物处理和燃气能源需求的问题。按照该新型气化技术要求对大型生物质气化设备进行总体方案设计,对回转式气化反应釜重要部件进行结构设计。
  其次,利用ANSYS软件对气化反应釜简体的支承单元位置进行优化设计,分析支承单元位置对反应釜简体的扰度、支承反力、力矩的影响,选取最优支承单元位置方案,减少反应釜简体的应力及形变;对换热管道位移变形做路径分析,选取最大位移变形处设置螺旋支承板。
  然后,本文基于Workbench平台对气化反应釜高温、多载荷的实际复杂工况进行有限元分析,利用Matlab将采集到的反应釜温度数据拟合为温度载荷函数,获得气化反应釜的温度场,对反应釜简体的温度场、静力学、预应力模态进行多物理场耦合分析,对气化反应釜简体的热应力、位移形变、等效应变、安全系数以及模态振型位移云图进行分析;对反应釜简体的危险区域设置路径,提取计算结果并绘制曲线图,对气化反应釜结构提出改进方案。
  最后,本文通过生物质气化设备的样机试运行,对运行过程的检测数据进行总结分析,结果表明:气化反应釜运行稳定,实现连续气化作业,日处理生物质24吨/天;供气稳定,燃气燃烧器的高温烟气稳定为1100℃;现场管道和动密封无跑冒滴漏问题,基本达到了本文预期设计要求。

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