生物质热解气冷凝及生物油燃烧的实验研究与数值模拟

摘要

生物质作为绿色洁净的可再生能源，具有良好的开发应用前景。在无氧和中温（500℃左右）条件下，通过快速热解可以将生物质转化为热解气和炭粉，热解气再经过快速冷凝获得生物油和不凝性的可燃气。热解气的冷凝效果不仅影响生物油的产率和组成，而且对生物油的品质也有重要影响。现阶段生物油最为经济的应用方法是直接燃烧。基于此背景，本学位论文通过分析生物油的理化特性、蒸发和燃烧特性、雾化特性以及生物质热解气的性质，建立了生物油和热解气的模型化合物体系，并通过实验和数值模拟技术研究了热解气冷凝和生物油燃烧特性。
　　分析了生物油的元素组成、化学成分、以及水分、热值、粘度、表面张力、比热容和密度等物性参数，并对测量方法进行了介绍和总结;详细地阐述了水分与热值之间的关系以及生物油-低碳醇体系的粘度和表面张力随温度的变化情况;分析了不可冷凝气的组成成分，并对其物性参数进行了计算。研究结果表明:生物油的碳含量较低、氧含量较高、氮和硫含量几乎为零;水分含量约30％;稻壳生物油的干基热值约为23.4MJ/kg。生物油-低碳醇体系的粘度随着温度增加逐渐降低并趋于恒定;生物油的表面张力与温度呈线性递减的关系;生物油-低碳醇体系的粘度和表面张力随着醇类物质添加量的增加而降低。不可冷凝气主要由CO、CO2、N2、H2、CH4等气体组成，通过计算得到了不可冷凝气的平均密度、分子量、热值和比热容等物性性质。
　　采用热分析技术研究生物油的蒸发和燃烧特性，并进行了动力学分析。结果显示:生物油的蒸发过程分为低沸点物质挥发和大分子裂解两个阶段，生物油的燃烧过程分为低沸点物质挥发、大分子裂解和焦炭燃烧三个阶段。一级反应模型和三维球形收缩模型在中低温区对生物油的蒸发和燃烧动力学拟合度较高，而三维球形扩散模型在高温区对生物油的蒸发和燃烧动力学拟合度较高。在中低温区生物油的蒸发活化能在50～65kJ/mol的区间内，燃烧活化能在40～50kJ/mol的区间内，说明燃烧比蒸发更加容易发生;焦炭燃烧过程（第三阶段）的失重活化能为87.55kJ/mol，燃烧放热活化能为106.62kJ/mol。
　　采用高速摄影仪和MATLAB软件对生物油雾化特性进行了实验研究。当生物油温度为35℃时，随着蠕动泵转速的增加，生物油的雾化角呈先增大后减少的变化趋势，其最大值为47.10°。随着喷射距离的增加，生物油液滴的索特平均直径(SMD)呈现先增大后减小再缓慢增加的变化趋势，而液滴数目呈现先减小后增加的变化趋势。在生物油温度为35℃、蠕动泵转速为300r/min的条件下，雾化液滴的冷凝和燃烧效果最好。
　　通过对生物油进行GC-MS和TG-DSC分析，建立了4个可冷凝气的五组分模型。对比生物油与可冷凝气模型的元素组成、水分含量和TG-DSC曲线，结果发现:误差最小的模型组成为CH3OH、H2O、CH3COOH、C5H4O2和C6H5OH，质量百分数依次为:32.62％、44.62％、13.12％、4.45％和5.19％。通过对不可冷凝气进行气相色谱分析，建立了不可冷凝气的4组分模型，其组成为CO、CH4、CO2和N2，质量百分数依次为:32.16％、4.44％、38.58％和24.81％。通过分析热解液化实验的气液产率比，将可冷凝气与不可冷凝气的模型化合物整合为9组分的热解气模型。
　　利用Aspen Plus软件，对流量为700kg/h、温度为450℃的热解气冷凝过程进行模拟。模拟结果表明:喷淋液流量为9107kg/h，冷却水流量为6523kg/h，生物油出口温度为40℃;列管式换热器的换热面积为20.50m2，总换热功率为192.4kW，总传热系数为850.0J/(s·m2·K)。
　　建立了热解气两级冷凝实验装置，第一级以恒温甘油为冷凝介质对热解气进行直接接触式冷凝，第二级以液氮为冷凝介质进行间接接触式冷凝。结果显示:在甘油温度为110℃时，第二级冷凝器收集到的生物油品质最好，干基热值最高（28.90MJ/kg），水分产率和乙酸产率均达到最低值，分别为9.3％和0.368％。该冷凝方式不仅可以提高生物油的品质，还能对水和酸进行初步分离。
　　建立了一套生物油雾化燃烧系统，并进行了生物油雾化燃烧实验。生物油着火点温度较高，生物油雾化液滴需要在环境温度约为250℃且有明火的条件下才能点燃，并能够在10分钟内实现稳定燃烧。生物油完全燃烧时， CO排放量低于80ppm，NO排放量低于100ppm，符合锅炉烟气排放标准。通过增加生物油流量、供氧量和燃烧室内径以及降低燃烧室外壁面的散热速率等手段，提高燃烧室温度，最高可达1400K以上。
　　采用FLUENT软件对上述燃烧系统进行了三维数值模拟，结果与热重分析类似。生物油的燃烧过程可分成三个阶段:第一阶段主要为小分子物质的蒸发;第二阶段主要为生物油燃烧和大分子物质的裂解，并伴随着小分子和焦炭物质的生成，同时，小分子成分从生物油雾化液滴中逸出并燃烧;第三阶段主要为焦炭的燃烧。在燃烧室的后半段，当空气流量不变时，随着生物油流量的增加，燃烧室温度呈先增加后减少的变化趋势，O2含量逐渐降低，CO2含量逐渐增加并趋于恒定，CO含量迅速增加，NO含量变化不大;当生物油流量不变，空气过量系数从0.8增加到1.4时，燃烧室平均温度略有降低。可以采用该模型对生物油燃烧实验进行模拟。