生物质气化炉流场及气化过程数值模拟研究

摘要

生物质能是资源丰富、分布广泛的可再生能源。生物质热解气化技术能灵活且高效率地利用生物质资源，大力发展生物质热解气化技术，对于解决能源危机、环境污染等问题具有重大意义，而生物质气化炉作为热解气化系统的核心部件，对其流场及气化性能指标的研究具有重要的意义。
　　随着计算流体力学的飞速发展，数值模拟在生物质气化研究方面得到了广泛的应用。本文以一种生物质气化炉为研究对象，采用FLUENT软件对其冷态气相流场进行数值模拟，得到了其压力场和速度场的分布规律，通过模拟结果与多点测压实验结果对比验证了模型的可靠性，并且采用不同的栅板开孔率及旋流片角度组合分析气化炉内部结构对其流场的影响，结果表明:气化炉内气流主要做螺旋上升运动，具有切向、轴向、径向三个方向的速度，其中切向速度占据主导位置，且压力损失和速度随流量增大而增大，切向速度在气化炉下部(Z1=0.5m)呈明显的“驼峰”分布，而在气化炉中上部(Z2=0.86m，Z3=1.29m)，则呈现“双峰”分布;轴向速度基本呈现“M”形分布;栅板开孔率主要影响气化炉内压降、轴向速度以及湍流强度强弱，而旋流片角度则主要影响切向速度及湍流强度分布。
　　然后建立简化条件下生物质气化炉气化模型，分析研究了水蒸气/生物质质量比(S/B)、空气当量比(ER)、颗粒粒径、内筒深度对于气化炉出口气体组分、有效气体、气体热值和碳转化率等主要气化性能指标的影响，结果表明:随着水蒸气/生物质质量比(S/B)、空气当量比(ER)、生物质颗粒粒径的增大，气化炉产气有效气体成分(CO+H2)、产气热值、碳转化率都呈现下降趋势。而气化炉的内筒深度对其气化性能有较大影响，适当增大气化炉的内筒深度有利于气化反应的进行，当气化炉内筒深度由632mm增大到1032mm，气化炉有效气体摩尔分数由33.9％增大到47.3％，气体热值由4.14MJ·Nm-3增大到5.73 MJ·Nm-3，而碳转化率则由62％增大到93％。

目录

声明

摘要

符号说明

第一章 绪论

1．1 本文选题的背景

1．1．1 当今世界能源消费的现状和发展趋势

1．1．2 我国能源消费现状和发展趋势

1．1．3 生物质能源概述

1．1．4 我国生物质能发展现状

1．1．5 我国开发生物质能源的重要性

1．2 生物质气化技术

1．2．1 生物质气化过程

1．2．2 生物质气化工艺类型

1．3 气化装置的类型

1．3．1 固定床气化炉

1．3．2 流化床气化炉

1．3．3 气流床气化炉

1．4 国内外生物质气化技术的研究进展

1．4．1 生物质气化设备及实验的研究进展

1．4．2 生物质气化模拟的研究进展

1．5 CFD及FLUENT软件简介

1．5．1 计算流体力学(CFD)简介

1．5．2 FLUENT软件介绍

1．6 本文的主要研究内容

第二章 生物质气化炉冷态流场的数值模拟

2．1 研究对象

2．2 生物质气化炉冷态物理模型的建立

2．2．1 气化炉的计算模型

2．2．2 流体的基本控制方程

2．2．3 湍流模型

2．2．4 网格划分

2．2．5 边界条件及求解设置

2．3 数值模拟结果与分析

2．3．1 压力分布

2．3．2 速度矢量分布

2．3．3 切向速度分布

2．3．4 轴向速度分布

2．3．5 径向速度分布

2．4 模型验证

2．5 不同结构参数对生物质气化炉内部流场的影响

2．5．1 不同结构参数对气化炉压力损失的影响

2．5．2 不同结构参数对气化炉内速度分布的影响

2．5．3 不同结构参数对气化炉湍流强度的影响

2．6 本章小结

第三章 生物质气化炉气化数值模型

3．1 气相湍流模型

3．2 气固两相流模型

3．3 辐射模型

3．4 化学反应模型

3．5 生物质气化反应模型

3．5．2 生物质热解挥发模型

3．5．3 气体均相反应

3．5．4 气固非均相反应

3．6 气化炉热态模型的建立

3．6．1 气化炉热态模型网格

3．6．2 气化模型的假设

3．6．3 边界条件及求解设置

3．7 本章小结

第四章 气化过程数值模拟结果及分析

4．1 气化参数计算

4．1．3 碳转化率

4．2 水蒸气／生物质质量比(S／B)对气化性能的影响

4．3 空气当量比(ER)对气化性能的影响

4．4 生物质颗粒粒径对气化性能的影响

4．5 内筒深度对气化性能的影响

4．6 本章小结

第五章 总结与展望

5．1 全文总结

5．2 展望

参考文献

致谢

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