基于红外加热的生物质热解技术及关键参数研究

摘要

生物质能是一种绿色、清洁能源，且是唯一一种可再生碳源，生物质热解技术是生物质能利用的重要形式，它可以使生物质能转化成生物油等其它能源形式，易于储存和使用。随着石油危机的出现和新能源技术的开发利用，生物质热解技术越来越受到关注。但是生物质热解反应条件苛刻，主要包括无氧或有限氧反应环境、气体产物极短停留时间（2s以内）、极高的加热速率(102～104℃/s)，所以，传统的生物质热解反应装置往往结构复杂、操作程序繁琐，造成资源浪费、环境污染，使生物质能的开发利用失去意义。本文改变传统的生物质热解反应装置的加热方式，利用红外加热原理设计了生物质热解反应装置，并考虑了反应副产物焦炭的重复利用。本文的主要工作包括:
　　(1)根据几种传统的生物质热解反应装置的工作原理，总结了传统加热方式的优缺点，提出了红外加热的优势。根据红外加热原理总结了红外加热器的结构形式，分析了基于红外加热的生物质热解反应的可行性。
　　(2)根据生物质的主要组成成分及各成分热解机理，总结得到生物质热解过程中的主要吸热成分。根据主要吸热成分的红外光谱图确定了生物质的红外吸收带。根据吸收带选择了红外涂料，并介绍了红外涂料的使用工艺。
　　(3)设计了基于红外加热的生物质热解反应装置的主要结构，对反应器关键参数进行了计算，对燃烧室燃烧过程进行了计算。确定了燃烧室煤气、空气的进气速度和进气口直径。设计了燃烧室的保温结构，并计算得到保温层厚度。计算得到燃烧室烟囱的内径和高度，确定了燃烧室密封结构。
　　(4)对反应器燃烧室内燃烧进行了数值模拟，主要目的是得到燃烧室内的温度分布。根据反应阶段的不同，燃烧室内燃料也会不同。因此，分别进行了反应初期煤气燃烧模拟和反应后期焦炭燃烧模拟以及焦炭、煤气同时燃烧模拟。为了达到反应温度要求和温度均匀性要求，分别对燃料不同速度进行了燃烧模拟，从而得到了最佳温度分布。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题研究背景及意义

1．1．1 课题背景

1．1．2 课题研究意义

1．2 生物质热解技术国内外研究现状

1．2．1 国外生物质热解技术研究现状

1．2．2 国内生物质热解技术研究现状

1．3 本文主要研究内容

第2章 生物质的红外加热机理研究

2．1 生物质红外加热原理

2．2 生物质红外吸收带的确定

2．2．1 各组分红外吸收带的确定

2．2．2 热解中间产物红外吸收带的确定

2．2．3 生物质热解过程中红外光吸收带的确定

2．3 生物质基于红外加热的红外涂料的选择

2．3．1 涂料的选择原则

2．3．2 生物质基于红外加热的物质类型

2．3．3 红外辐射涂料的分类

2．3．4 涂料的最佳辐射温度

2．4 涂料粘结剂的选择及制备工艺

2．4．1 粘结剂的选择

2．4．2 涂料粘结剂的制备工艺

2．4．3 金属基体表面预处理

2．4．4 涂料粘结剂的冷涂工艺

2．4．5 涂料层烘干工艺

2．5 小结

第3章 基于红外加热的生物质热解反应器研究

3．1 反应器结构特点

3．2 反应器关键参数的计算

3．2．1 辐射距离

3．2．2 辐射高度

3．2．3 生物质反应量的确定

3．3 燃烧室燃烧过程计算

3．3．1 燃烧室理论供热量

3．3．2 煤气燃烧过程计算

3．3．3 焦炭燃烧过程计算

3．3．4 燃烧室进气口直径的确定

3．4 燃烧室炉体各细节设计

3．4．1 炉体保温

3．4．2 炉体密封

3．4．3 炉体通风

3．5 小结

第4章 反应器燃烧室燃烧温度场研究

4．1 数学模型

4．1．1 基本控制方程

4．1．2 求解器的选择

4．1．3 燃烧模型

4．1．4 湍流模型

4．1．5 焦炭燃烧模型

4．1．6 辐射换热模型

4．2 物理模型、网格划分和求解方法

4．2．1 物理模型

4．2．2 划分网格

4．2．3 求解方法

4．3 边界条件和数据处理方法

4．3．1 边界条件

4．3．2 数据处理方法

4．4 不同燃料燃烧时燃烧室温度分布

4．4．1 煤气燃烧时燃烧室温度分布

4．4．2 焦炭燃烧时燃烧室温度分布

4．4．3 煤气、焦炭同时燃烧时燃烧室温度分布

4．5．1 模拟结果分析

4．5．2 模拟结果优化

4．6 小结

第5章 结论与展望

5．1 结论

5．2 展望

参考文献

致谢