流化床内生物质气化的数值模拟

摘要

随着人类社会的快速发展，化石类燃料消耗日益严重。生物质是仅有的可再生碳源，并且生物质资源的存储量相当的丰富。生物质气化技术可以将生物质转化为常规的气体来代替日常所用的化石燃料，缓解能源危机和减少大气污染。 本文的流化床气化模拟中所使用的生物质原料是醋糟。本文首先针对研究中所使用的生物质醋糟进行了热重实验分析，研究分析了醋糟颗粒的基本热解特性。由醋糟热分析实验得出:醋糟热解主要分为三个阶段:第一阶段是醋糟中的水分挥发过程;第二阶段是醋糟内挥发分的析出，这也是醋糟热解的主要阶段;第三阶段是残留物的分解。本文研究了醋糟在不同升温速率、不同粒径下的热解特性的规律。实验结果表明:当升温速率依次增加时，对醋糟热解反应的进行有着明显的促进作用。粒径实验显示不同的醋糟颗粒粒径对其热解特性的影响比较小。本文还通过Coasts-Redfern积分法和Satava-Sestak积分法来求解醋糟的热解动力学参数。得到最佳机理函数的积分形式为[-ln(1-α)]3。由计算结果得出活化能E的平均值为1.44×105 J·mol-1，指前因子A的平均值为8.47×107min-1。 通过运用Fluent软件，本文研究了流化床内水蒸气-生物质气化过程，通过与实验数据相比较，分析了在不同S/B和不同气化温度对燃气组分浓度以及气化参数的影响。所涉及的数学模型如下:(1)采用欧拉-拉格朗日模型追踪颗粒轨迹;(2)采用可标准k-ε湍流模型来模拟气固两相间的湍流计算;(3)采用P-1辐射模型来进行生物质流化床气化炉内生物质气化的辐射和对流换热的求解计算;(4)采用组分运输和化学反应模型进行化学反应的求解计算，运用有限速率/涡耗散模型计算气体均相反应。由流化床内生物质醋糟气化模拟得出:通过实验值和模拟值对比分析，误差较小，说明本文所建立的模型能够正确的反应生物质醋糟气化的过程。在气化温度相同，水蒸气与生物质比值(S/B)增加的条件下，当S/B=1.23～2.47，H2的体积分数增加，而CO的体积分数是降低的。主要燃气成分(H2+CO)的含量增加。当S/B=2.47～3.57时，由于蒸汽到达饱和，所以各气体组分体积分数变化不大，趋于平缓。当水蒸气/生物质比值上升时，燃气的热值增加，碳的转化率和气化效率提高。在水蒸气与生物质的质量比不变时，随着气化温度升高，H2和CO的体积分数都有所增加，(H2+CO)的含量增加，而CH4和CO2的体积分数却有微量的减少。燃气热值受气化温度的影响较小，碳的转化率和气化效率随着温度升高而提高。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景

1．2 生物质气化技术概述

1．2．1 生物质气化简介

1．2．2 生物质气化的基本原理

1．2．3 影响生物质气化的主要因素

1．2．4 生物质气化炉类型

1．3 生物质气化技术的研究现状

1．3．1 国外研究现状

1．3．2 国内研究现状

1．4 本文主要研究内容

第二章 生物质原料热分析实验和动力学研究

2．1 生物质原料的热分析实验

2．1．1 概述

2．1．2 实验原料

2．1．3 原料准备

2．1．4 实验仪器与原理

2．1．5 实验方法与条件

2．1．6 实验结果及分析

2．2 醋糟热解动力学研究

2．2．1 热分析动力学方程

2．2．2 Coasts-Redfern法

2．2．3 Satave-sestak法

2．3 本章小结

第三章 生物质气化模型介绍

3．1 计算流体动力学(CFD)简介

3．2 气相基本方程

3．2．1 质量守恒方程

3．2．2 动量守恒方程

3．2．3 能量守恒方程

3．3 气固两相流模型

3．4 湍流模型

3．5 辐射模型

3．6 化学反应模型

3．6．1 生物质热解和挥发分析出

3．6．2 气固非均相反应

3．6．3 气体均相反应

3．7 本章小结

第四章 流化床生物质气化的数值模拟

4．1 物理模型

4．1．1 模型假设

4．1．2 流化床气化炉物理模型的建立

4．1．3 网格的划分

4．1．4 模型的边界条件和初始条件

4．2 计算结果和分析

4．2．1 气化参数

4．2．2 模型验证

4．2．3 水蒸气与生物质的质量比对气体组分和气化参数的影响

4．2．4 气化温度对气体组分和气化参数的影响

4．3 本章小结

第五章 总结与展望

5．1 全文总结

5．2 工作展望

参考文献

致谢

在学期间的科研成果