生物質(zhì)氣化是清潔高效利用生物質(zhì)能的有效途徑之一,層式下吸式氣化裝置在農(nóng)村集中供氣及小型生物質(zhì)發(fā)電中得到廣泛應(yīng)用。隨著能夠?qū)⑺缮⒌脑蠅嚎s為成型顆粒的生物質(zhì)固化技術(shù)的發(fā)展,使生物質(zhì)氣化的大規(guī)模應(yīng)用成為可能。然而,目前對(duì)氣化爐的設(shè)計(jì)在很多方面還依賴于經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù),大量復(fù)雜的氣化反應(yīng)本質(zhì)和規(guī)律并沒(méi)有被完全揭露,尤其是大顆粒生物質(zhì)在層式下吸式氣化設(shè)備中熱解氣化的理論分析和試驗(yàn)研究很少。以大顆粒生物質(zhì)為研究對(duì)象建立理論模型,借助數(shù)值計(jì)算和試驗(yàn)手段,對(duì)其在層式下吸式氣化爐中的熱解氣化進(jìn)行理論分析和應(yīng)用研究,對(duì)揭示氣化反應(yīng)的本質(zhì),改進(jìn)氣化爐結(jié)構(gòu),優(yōu)化氣化工藝,提高氣化效率具有重大意義。有焰熱解區(qū)和還原區(qū)是層式下吸式氣化爐中最重要的區(qū)域,分別從單顆粒和反應(yīng)區(qū)整體的角度對(duì)有焰熱解區(qū)內(nèi)熱解過(guò)程和還原區(qū)內(nèi)氣化過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬。應(yīng)用半全局熱解動(dòng)力學(xué)模型,耦合了傳熱方程,建立了單個(gè)生物質(zhì)顆粒在有焰熱解區(qū)的熱解模型,利用該模型計(jì)算了有焰熱解區(qū)的傳熱參數(shù),揭示了顆粒內(nèi)部的熱解過(guò)程并計(jì)算了有焰熱解區(qū)的高度。結(jié)果表明,對(duì)流換熱系數(shù)hs=80.4W/(m2·K)和發(fā)射率ε=0.792是適于層式下吸式氣化爐有焰熱解區(qū)模型計(jì)算的傳熱參數(shù)；顆粒的平均升溫速率為182.5K/min,屬于快速熱解；隨著有焰熱解區(qū)熱解溫度的升高,完全熱解所需時(shí)間逐漸縮短,炭產(chǎn)量從16.92%逐漸降低到13.97%；隨著顆粒直徑的增加,熱解時(shí)間逐漸增加,炭產(chǎn)量增加；在典型工況下,有焰熱解區(qū)的高度在1.1-2.2個(gè)顆粒直徑的范圍內(nèi)�；谖镔|(zhì)平衡、能量平衡和化學(xué)反應(yīng)平衡,在綜合考慮系統(tǒng)散熱、焦油和灰分等因素的基礎(chǔ)上,建立了有焰熱解區(qū)整體熱動(dòng)力學(xué)平衡模型并進(jìn)行了數(shù)值模擬,研究了輸入?yún)?shù)對(duì)有焰熱解區(qū)出口的氣體成分和溫度的影響,為氣化爐還原區(qū)的模型提供了初始參數(shù)。結(jié)果表明,ER、原料含水量、散熱損失對(duì)有焰熱解區(qū)出口的氣體溫度和成分都有比較明顯的影響,而空氣預(yù)熱溫度和灰分含量對(duì)出口氣體溫度有一定的影響,而對(duì)氣體成分的影響不明顯；較高的ER和生物質(zhì)含水量將增加氣化爐內(nèi)發(fā)生結(jié)渣的可能性；在一定的ER范圍內(nèi),提高空氣的預(yù)熱溫度,對(duì)整個(gè)氣化爐的氣化是有利的;較低的ER和較高的熱損失將無(wú)法保證生物質(zhì)的完全熱解和燃燒；有焰熱解區(qū)出口氣體成分中,對(duì)還原區(qū)反應(yīng)有重要影響的C02含量范圍在10～15%之間,H2O含量范圍在20～25%之間。為深入理解層式下吸式氣化爐內(nèi)的還原過(guò)程,采用包含了能夠反映炭顆粒內(nèi)部可利用表面積、可利用活性位和孔隙屬性值的表面函數(shù)月(X)的炭顆粒氣化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程,耦合了傳熱、傳質(zhì)方程,建立了單個(gè)生物質(zhì)炭顆粒在還原區(qū)的氣化模型并進(jìn)行了數(shù)值模擬。利用該模型計(jì)算了還原區(qū)的傳熱和傳質(zhì)系數(shù),揭示了還原區(qū)中炭顆粒內(nèi)部的氣化反應(yīng)規(guī)律并計(jì)算了整個(gè)還原區(qū)的高度。結(jié)果表明,在本文設(shè)定的層式下吸式氣化爐還原區(qū),CO2的傳質(zhì)系數(shù)為：0.008～1.08m/S,H2O的傳質(zhì)系數(shù)為：0.007-0.97m/s；傳熱系數(shù)為：50-195 W/(m2·K)；不同直徑炭顆粒內(nèi)部的溫度分布不同,C02與H20在顆粒內(nèi)部的濃度大小差別較大；顆粒周邊溫度較低時(shí),模型更接近均相模型,而溫度較高時(shí),則更接近縮核未反應(yīng)模型,對(duì)于炭顆粒的氣化反應(yīng)必須采用既考慮傳熱又考慮傳質(zhì)的非等溫模型；傳熱系數(shù)、H2O的傳質(zhì)系數(shù)在一定范圍內(nèi)影響炭的完全轉(zhuǎn)換,而CO2的傳質(zhì)系數(shù)則影響很小。對(duì)于直徑10-30mm生物質(zhì)壓縮顆粒,層式下吸式氣化爐還原區(qū)的高度約為200-300mm。以還原區(qū)5個(gè)主要化學(xué)反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)為基礎(chǔ),基于能量平衡和質(zhì)量平衡,結(jié)合對(duì)還原反應(yīng)具有重要影響的炭活性因子CRF,建立了還原區(qū)的化學(xué)動(dòng)力學(xué)模型并進(jìn)行了數(shù)值模擬。確定了CRF的最佳取值,揭示了還原區(qū)內(nèi)參數(shù)分布規(guī)律。結(jié)果表明,CRF=e30Z最適合模型的計(jì)算；沿著床層高度,還原區(qū)內(nèi)的溫度逐漸下降；還原區(qū)入口氣體溫度對(duì)還原區(qū)內(nèi)的溫度變化、氣體濃度分布有較大的影響,而還原區(qū)入口的氣體表觀流速對(duì)還原區(qū)的溫度分布影響不大；沿著還原區(qū)床層高度方向,氣體摩爾濃度分布不同,氣體表觀流速呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢(shì),而壓力呈現(xiàn)單調(diào)線性下降。將有焰熱解區(qū)熱動(dòng)力學(xué)平衡模型和還原區(qū)化學(xué)動(dòng)力學(xué)模型相組合,構(gòu)成了完整的層式下吸式氣化爐的數(shù)學(xué)模型,詳細(xì)分析了ER和原料含水量對(duì)氣化爐出口氣體成分和溫度的影響。結(jié)果表明,ER增加,氣化爐出口氣體溫度升高,燃?xì)饬髁亢腿細(xì)猱a(chǎn)率增加,氣體熱值先少量增加,然后降低；生物質(zhì)含水量增加,氣化爐出口氣體溫度降低,燃?xì)饬髁亢腿細(xì)猱a(chǎn)率增加,氣體熱值降低；ER和含水量的變化均使出口氣體成分呈現(xiàn)不同的變化趨勢(shì)。利用數(shù)值模擬優(yōu)化結(jié)果對(duì)氣化爐進(jìn)行重新設(shè)計(jì),建立了以生物質(zhì)成型顆粒為原料的層式下吸式氣化試驗(yàn)臺(tái),設(shè)計(jì)了大型生物質(zhì)成型顆粒氣化集中供氣系統(tǒng)并進(jìn)行了工程示范應(yīng)用,對(duì)試驗(yàn)參數(shù)和運(yùn)行工況進(jìn)行了測(cè)量和分析。結(jié)果表明：模型預(yù)測(cè)值與試驗(yàn)結(jié)果很好的相吻合；生物質(zhì)成型顆粒原料運(yùn)行工況穩(wěn)定,流動(dòng)性良好；隨著燃?xì)饬髁康脑黾?氣化爐內(nèi)的溫度、燃?xì)鉄嶂�、氣化效率和爐內(nèi)的壓力損失增加,而焦油的產(chǎn)量下降,灰分的產(chǎn)量升高；經(jīng)過(guò)凈化系統(tǒng),燃?xì)庵械慕褂秃突曳趾靠偤恳呀抵?0mg以下,可達(dá)到內(nèi)燃機(jī)發(fā)電要求；大型生物質(zhì)成型顆粒氣化集中供氣系統(tǒng)示范工程運(yùn)行穩(wěn)定,氣體熱值達(dá)到5284kJ/Nm3,氣化效率達(dá)到72.8%,灰分及焦油含量為32mg/Nm3,能夠產(chǎn)生良好的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。通過(guò)理論分析和試驗(yàn)研究,對(duì)大顆粒生物質(zhì)在層式下吸式氣化爐中的熱解過(guò)程進(jìn)行了系統(tǒng)分析,為生物質(zhì)壓縮顆粒的氣化利用提供了理論基礎(chǔ)和實(shí)踐依據(jù)。
【學(xué)位單位】：山東大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2016
【中圖分類】：TK6
【部分圖文】：

此在集中供氣、供熱及小型生物質(zhì)發(fā)電中得到了廣泛的應(yīng)用??固定床下吸式氣化爐主要有喉式Ｏｍｂｅｒｔ）、層式（Ｓｔｒａｔｉｆｉｅｄ）及兩段（Ｔｗｏ－ｓｔａｇｅ）??氣化爐等Ｈ種型式。圖１－２分別為Ｓ種氣化爐的示意圖。??（１）喉式下吸式氣化爐??喉式（Ｉｍｂｅｒｔ）下吸式氣化爐是根據(jù)發(fā)明人Ｊａｃｑｕｅｓ?Ｉｍｂｅｒｔ的名字來(lái)命名的Ｐ２１。??喉式下吸式氣化爐的主要特征是氣化爐中部有一個(gè)喉部（或稱縮口），空氣由此通??過(guò)多個(gè)噴嘴進(jìn)入氣化爐。氣化爐的頂部和進(jìn)料口密封，生成氣通過(guò)爐排，從底部??排出ｔｗ■。生物質(zhì)原料從頂部進(jìn)入氣化爐，受到下部熱福射和對(duì)流換熱，原料首先??被干燥，并發(fā)生熱解，然后在喉部位置與通過(guò)噴嘴進(jìn)入的空氣纔合發(fā)生部分燃燒。??喉部可Ｗ產(chǎn)生高溫區(qū)，使得焦油能夠充分熱解。在喉部下方是還原區(qū)，０）２、＆０??同炭發(fā)生還原反應(yīng)，轉(zhuǎn)換為可燃?xì)猓饕煞譃椋牵�、Ｈ２和ＣＨ４�??〇?／?生＊＊?．空氣?ｍｓ、??＾?ＩＶＩ?ｆ?？嚴(yán)????＇ｊ巧區(qū)?Ｌ生成、?千Ａ區(qū)?Ｌ?＾?ｒｖＶ＼ＡＡＡＡ７??Ｕｉ?Ｐ—?有龍?Ｉ??廣迪ｗ?Ｚ?娜?＾??‘Ｉ?賺?Ｌ??Ｕ?Ｕ?」?Ｉ???＊??Ｉ?灰?［＿＿Ｊ??ａ．喉式下吸式氣化爐?ｂ．層式下吸式氣化爐?￡．兩段下吸式氣化爐??圖１－２?Ｈ種下吸式氣化爐型式??喉式（Ｉｍｂｅｒｔ）下吸式氣化爐的主要優(yōu)點(diǎn)是生成氣中焦油含量較低，其主要缺??點(diǎn)包括：１）氣化爐結(jié)構(gòu)難ｔＵ放大；因?yàn)殡S著尺寸的放大

２．２生物質(zhì)顆粒熱解數(shù)值模擬??２．２．１生物質(zhì)熱解過(guò)程??通常意義上，生物質(zhì)熱解一般指在高溫、惰性氣體環(huán)境下發(fā)生的反應(yīng)。圖２－１??為生物質(zhì)顆粒的熱解過(guò)程示意圖ｔｉＭｊ。??？？??一次熱解猿?？、％、?二次熱解過(guò)巧?＼??／?（做獅和�。�?＼?輸跳《?＼??心－廬’易磅篇Ｗ?ｉ??Ｉ?＊?dú)猓贩肿託猓蓿蓿?！??ｋＡ：．八＊＇；－＊？＊．?＊?＊＊？?裝Ｉ?挺杉蓮摸＇?？去裝?Ｉ??＼?／?？資解?？巧合?／??＊?――?．策化?．課賽?．／＇？??？．……，…??????？水—＼葦換致沒(méi)?，－＊？＞??圖２－１生物質(zhì)顆粒熱解過(guò)程??在無(wú)氧、惰性的高溫環(huán)境下，生物質(zhì)被加熱，周邊惰性氣體與生物質(zhì)表面發(fā)??生對(duì)流及福射換熱，表面溫度升高，熱量逐漸傳遞到生物質(zhì)內(nèi)部；首先發(fā)生干燥??過(guò)程，然后，隨著溫度的不斷升高，生物質(zhì)開(kāi)始發(fā)生熱解化學(xué)反應(yīng)，反應(yīng)生成了??炭、焦油和氣相產(chǎn)物。炭是指富含碳的無(wú)揮發(fā)分的生物質(zhì)殘留物；焦油是高分子??２７??

本文利用純隱式有限差分法對(duì)傳熱方程（２－２１）進(jìn)行求解，這是因?yàn)榧冸[式方??法是無(wú)條件穂定的。首先將方程（２－２１）連同邊界條件（２－２３）?（２－２４）在計(jì)算區(qū)??域南散化，如圖２－７所示，其中，Ｐ為時(shí)間，ｉ為空間，Ａｒ?yàn)檩S向網(wǎng)格時(shí)間單位長(zhǎng)??度，Ａｘ為徑向網(wǎng)格空間單位長(zhǎng)度。??牛??Ｐ??Ｐ??ｉ．?Ｐ＋１??ｉ－ｌｉ，ｐ?１７ｐ?Ｉ?ｉ?＋?１．?Ｐ??Ａｔ?．??ｉ，ｐ－１??Ｐ－！??＇ＴＴ?…－…Ｖ－?心．５?＂??圖２－７傳熱方程時(shí)間－空間離散化??對(duì)中間節(jié)點(diǎn)，利用中也差分格式：??ｅｒ、－ｅ‘ｐ?１?６／＋｜－６＿，ｐ＋ｉ?Ｉ?６／＋｜－２０，ｐ＋｜＋６＿，ｗ?Ｉ?０的＊，）如）。??Ａｒ?Ｘｊ?２?Ａｘ?（Ａｘ）＾?ａ??對(duì)于ｊｃ＝０：??ｅｒ－ｅ＇ｐ邱５?—皆、，腫（足，）（饑８廣??Ａｒ?０．５Ａｘ?ａ??０２口＋、－０、Ｐ＋、??＝２?＾?＋?塑化］曲（２－２８）??０．５Ａｘ?ａ??二?４?（６?ｐ＋ｉ?６川）Ｉ?資Ｗ?（＊１）（所８）巧??（Ａｘ）２?２?１?ａ??對(duì)于：ｃ＝ｌ：??３４??

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