【摘要】：移動式生物質熱裂解設備可深入資源集中地帶作業(yè),將低密度生物質轉化為高能密度熱解油,解決原料收集和運輸問題。本文利用間壁型流化床作為反應器主體結構,并通過計算流體動力學法(CFD)驗證了環(huán)形空間流態(tài)化效果;開展熱態(tài)試驗研究,揭示了間壁型流化床傳影響機制;基于理論計算確定了反應器系統(tǒng)最佳供熱方案并考察其熱力學及操作特性。本文同時提出了一種雙重氣力生物質輸料方法,通過冷態(tài)試驗探究了進氣方式和結構參數(shù)對進料影響;此外開展流化床密相區(qū)生物質氣力輸送研究,獲悉了影響流化床環(huán)境下進料效率本質因素。隨后根據(jù)研究結論完成了“移動式熱裂解系統(tǒng)”關鍵裝置的研發(fā)。本文主要結論以及創(chuàng)新點如下:(1)基于CFD法,考察了模型選擇、參數(shù)以及邊界條件對數(shù)值模擬影響,通過冷態(tài)試驗驗證優(yōu)選出最佳曳力模型、顆粒彈性恢復系數(shù)和鏡面系數(shù)的組合。(2)基于優(yōu)選模型和參數(shù)進一步展開模擬,獲悉了初始床高、顆粒粒徑和氣體速率對環(huán)形空間流態(tài)化特性影響;此外,與圓柱形流化床對比顯示,截面形狀對顆粒速度及其分布有較大影響。(3)熱態(tài)研究結果顯示,床料堆積高度對間壁型流化床傳熱影響顯著,而粒徑影響不明顯;同時基于經(jīng)典“顆粒團更新理論”構建了傳熱模型,數(shù)值計算結果顯示,傳熱主要發(fā)生在流化床密相區(qū),顆粒團接觸時間是影響傳熱關鍵因素,提高氣體速率使雷諾數(shù)升高,也可提高傳熱系數(shù)。(4)通過理論計算確定了外部換熱裝置的最佳連接方案;同時計算結果顯示間壁型流化床傳熱效率高于同等規(guī)模氣-氣式換熱器,且隨冷流體流率增加而顯著提升,反應區(qū)溫度與冷流體旁路流率呈現(xiàn)良好線性關系,驗證了溫度調節(jié)方法的可行性。(5)通過試驗測試驗證了雙重氣力輸送的進料效果,噴動氣和流化氣的使用分別促進了氣體輸送效率和輸送穩(wěn)定性,噴動管結構參數(shù)對進料率有顯著影響,提高布風板開孔可提高進料率但對穩(wěn)定性起負面作用。(6)創(chuàng)新性地將噴動管結構參數(shù)融入Ergun公式,建立了壓力倉氣固流動模型,經(jīng)驗證進料率計算誤差在±15%以內。(7)通過流化床密相區(qū)輸料試驗,探究了輸料效率與氣體速率、顆粒粒徑和布風板開孔率間的關系,總結出空隙率是除床層壓力外影響生物質進料的第二因素。(8)提出并建立了氣體、床料和生物質三相流體動力學模型,同時提出“逐步檢驗”法,實現(xiàn)了模型數(shù)值求解;通過模型數(shù)值計算進一步得出生物質移動速率是影響輸料效率的關鍵因素。(9)基于研究結論所完成了套管式流化床反應器研發(fā),設有環(huán)形加熱區(qū)以及螺旋板換熱器,有效提高了傳熱及能源利用率;新型雙重氣力式進料器設有內置噴動管和布風板,促進了輸料效率及穩(wěn)定性;此外,研發(fā)的復合式蒸汽冷凝器含噴射和噴淋兩級冷凝,設有冷卻盤管用以降溫,通過合理布局使整體結構更緊湊。
【圖文】：

移動式生物質熱裂解系統(tǒng)流體動力學研宄及裝置研發(fā)生物質熱裂解的本質是纖維素、半纖維素和木質素的降解，其反應溫度３７５°Ｃ、２２５？３５０°Ｃ和２５０？５００°Ｃ。從傳熱傳質角度分析，熱量由表面熱成分迅速分解為熱解炭和熱解蒸汽。其中熱解蒸汽中可冷凝成分即為．２．生物質熱裂解工藝逡逑圖１所示為一典型的生物質熱裂解工藝流程（Ｃｈａｎｇ，邋２０１２），重要由反應離器、冷凝裝置、產(chǎn)物回收裝置、尾氣凈化器等裝置組成。生物質熱裂解熱解炭、熱解油和不可冷凝氣。三種產(chǎn)物的比例取決于熱裂解工藝類型加熱速率以及完成反應所用時間，熱裂解工藝大體可分為兩種：慢速熱裂裂解。慢速熱裂解中又可分成炭化和常規(guī)慢速熱裂解過程�？焖贌崃呀庵校g小于０．５ｓ，也稱之為閃速熱裂解。生物質熱裂解主要工藝類型可見表１－

移動式生物質熱解是生物質熱裂解液化領域的一個新方向，現(xiàn)有的設備及研宄報逡逑道較為有限。比較有代表性的有西安大略大學設計的移動式快速熱裂解設備。該設備逡逑由ＩＣＦＡＲ公司研發(fā)，如圖１－２，處理量可達１０ｔ／ｄ，適用于廣泛的農(nóng)業(yè)剩余物的熱裂逡逑解液化，如甘蔗殘渣、煙葉、蒸干谷粒、稻桿、亞麻稿桿、咖啡外殼等。該設備用到逡逑了一種新穎的“環(huán)形流化床反應器”，由直徑不等的兩圓筒構成，所形成的環(huán)形空間逡逑為反應區(qū)，圓柱形空間為燃燒室，用于提供熱量，具體結構可參考圖１－８。這種反應逡逑器有較高的內傳熱特性，因此結構比較緊湊。但它存在兩大問題：１）環(huán)形空間進料逡逑不均勻，導致流化床傳熱不均，，影響到產(chǎn)物品質，而且環(huán)形空間影響產(chǎn)物順利排出，逡逑使得熱解炭在流化床中堆積；２）燃燒室空間比較狹小，內部構件安裝、拆卸困難，逡逑難以維修，而且沒有熱能回收系統(tǒng)。逡逑？＿邋＞邋ＡＧＲＩＴＨＥＲＭ逡逑kr－Ｉｎｅｘｐｅｎｓｉｖｅ逡逑圖１－２西安大略大學移動式熱裂解設備逡逑Ｆｉｇ．邋１－２邋Ｍｏｂｉｌｅ邋Ｐｙｒｏｌｙｚｅｒ邋ｏｆ邋Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ邋ｏｆ邋Ｗｅｓｔｅｒｎ邋Ｏｎｔａｒｉｏ逡逑移動能源工廠可被看做是移動式熱裂解設備的一種雛形
【學位授予單位】：北京林業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：TK6;O351.2

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1 本報記者 傅sヶ

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