（化工过程机械专业论文）生物质热解液化装置与流化床冷态模拟研究.pdf

郑州大学化工学院0 3 级硕士论文生物质热解液化装置与流化床冷态鍪笪夔塑堕窒 摘要 生物质能源是可再生能源的一种，它对于建设资源节约型，环境友好型社会 有着深远的意义，所以与之相应的生物质热解装置的开发利用和实验研究显得尤 为重要。 本文基于前人对生物质热解液化装置、流化床内部构件和流化床数值模拟等 研究的成果，主要做了以下研究： 1 针对以往生物质热解装置中常出现的问题，自行设计了一套进料量为 1 0k g m 的生物质热解液化改进装置，它包含四部分：进料系统、流化床、旋风 分离系统和冷凝系统等。通过改进的装置主要解决了以下问题：( 1 ) 进料罐盲拱 现象，进料管物料堵塞和进料系统密封性差；( 2 ) 热解时砂粒易带出流化床；( 3 ) 旋风分离器分离效率低：( 4 ) 冷凝速度慢等。 2 针对流化床中气流通过布风板时压力损失过大，本文对循环流化床冷模布 风板的开孔直径和布孔形式做了数值模拟研究。通过对不同开孔直径d _ 0 5 姗， d = l m m ，d = 2 n u i l 和不同布孔形式，主要是正方形与正三角形做了正交模拟实验， 对其压力场和速度场进行了分析研究，结果表明，在布风板开孔率和物料直径确 定的情况下，开孔直径d = 2 n l f i l ，布孔形式采用正三角形排列且布风板中心无开 孔的布风板是最佳的选择。 3 针对生物质热解液化中流化床冷态实验时人力、物力和时间耗费大、效率 低的问题，本文采用f l u e n t 软件模拟了循环流化床冷态实验，使问题得到解答。 通过对不同流速下，流化床中不同测点处径向线、面上和床体轴向线、面上固体 体积分数、速度大小和压降分布的云图与曲线分析研究，并将模拟结果与广州能 源所实验结果，比较说明：( 1 ) 在利用f l u e n t 进行气一固密相多相流模拟流化 床中，g i d a s p o w 曳力模型是最适合的；( 2 ) 流化床模拟结果中流场分布验证了 流化床流场中出现的中心环理论和壁面效应现象，这些与g i d a s p o w 等人模拟研 究结果非常相似；( 3 ) 流化床中压力场的数值模拟值与实验值接近，更重要的是 模拟实验选择的最佳载气流速约为v = 2 3 6 l l l s ，与广州能能源所最后实验确定最 佳流速v 宅5 州s 相近。此外在流化床冷态模拟中还发现，除气速与颗粒特性影 响床内流场外，流化床床体开孔位置、孔径尺寸和l 阀回料量对流化床内流场的 郑州大学化工学院0 3 级硕士论文 生物质热解液化装置与流化床冷态数值模拟研究 影响也较大。综上所述，流化床数值模拟能在一定程度上替代其冷态实验。 总而言之，在科技高速发展的今天，数值模拟作为一种行之有效的实验方法， 以其可靠、快捷和经济的特点倍受研究者们的青睐。其中流化床数值模拟应用不 仅可为流化床设备结构优化和设备产业化提供参考方法，而且可为流化床内部流 场理论发展起到验证和推进作用，让数值流场模拟更真实的反映客观事实。 关键词：生物质，热解液化，流化床，f l u e m 软件，冷态模拟 郑州大学化工学院0 3 级硕士论文 生物质热解液化装置与流化床冷态数值模拟研究 a b s t r a c t t h eb i o m a s se n e r g yi so n ek i n do fr e n e w a b l ee n e f g y ，w h i c hh a sap r o f o u n d s i 朗i f i c a l l c et ob 试l da “r e s o u r c es a v i n g ，e n v i r o n m e n t a l 崩e 1 1 d l y ，s o c i e t y 7 n l e r e f o r ei t a p p e a r si m p o r t a n tf o r t h eb i o m a s sp y r 0 1 y s i se q u i p m 锄t se x p l o i t a t i o na n du s i n g ，a 1 1 d t 1 1 eb i o m a s sp y r 0 1 y s i se x p e r i m e n t a lr e s e a r c h t h i s 枷c l eb a s e do nt h ep r e d e c e s s o r s r e s e a r c ha c h i e v 锄e n to f 也eb i o m a s s p y r o l y s i sl i q u e f a c t i o ne q u i p m e n t ，t h ef l u i d i z e db e d s ( f b ) 谳e m a lc o m p o n e n ta i l d f b sn u m e r i c a ls i m u l a t i o n p r i m a 叫c o n t c i l th a ss t u d i e da sb e i o w ： 1 h 1 啊e wo ft l l eq u e s t i o nw h i c ho f i e i l f o n l l e r l ya p p e a r e di n t h eb i o m a s s p y m l y s i s1 i q u e f a c t i o ne q u i p i n e n t ，i tw a si n d e p e n d e n t l yd e s i 盟e das e to fb i o m 鹤s p y r o l y s i sl i q u e f a c t i o ne q u i p m 锄ti m p r o v e d i tc o n t a i l l sf o u rp a n s ：f e e d i n gs y s t a n ，f b ， c y c l o n es 印a r a t i o ns y s t 锄锄dc o n d e l l s e rs y s t e ma n ds oo n i th a sm a i n l ys o l v e d p m b l e m st 1 1 r o u 曲t l l ei m p r o v e de q u i p m e n ta sb e l o w ：( 1 ) b l i n da r c hp h e n o m o ni n f e e d i n g b u c k e t ，f e e d i n gp i p ej 跚m e da j l dt h ef e c d i n gs y s t e m1 e a k a g e ；( 2 ) w h e ni t m a k c sp y r o l y s i se x p e r i m e n t ，t h es a n d 黟a i n sa r ee a s yt ob ec 锄e do u to ff b ；( 3 ) 也e c y c l o n es 印a r a t o rs e p a r a t i o ne 瓶c i e n c yi sl o w ；( 4 ) t h ec o n d e n s a t i o ns p e e di ss l o wa n d s o o n 2 b e c 删ep r e s s u r el o s so v e r s i z e dw h e ng a sw e n tt h m u 曲d i s 拄i b u t o ri nf b ，t h i s a r t i c l es t l l d i e dh 0 1 ed i 锄e t e ra i l dh o l ea r r a n g e m e n t 南肌i nm ec i r c u l a t i n gn u i d i z e d b e d ( c f b ) b yf l u e n ts o 腑a r e ，n l r o u 曲n o n l l a ls i m u l a t i o ne x p 砸m e n t ，i ts t u d i e d d i 行旨e n th o l ed i a m c t e rd = 0 5 m m ，d = 1 m m ，d = 2 m ma n dd i 丘打e n ta r r 柚g e m e n th o l e f 0 册，w h i c hm a i n l yh a st l l es q u a r ea n dm ee q u i l a t e r a lt r i 趾西ef o n n ，a i l dc o n d u c t e d t h e 绷a l y s i sr e s e a r c ht oi t sp r e s s u r e 丘e l da n dv e l o c i t yf i e l d ，f i n a l l yt h er e s u l ti n d i c a t e d m ed i s t r i b u t o rw h ic _ hi sh 0 1 ed i 锄e t e rd = 2 m ma n dh 0 1 e a r r 粕g e m e n tf o r mi sm e e q l 】i la _ t e r a lt r i a n 舀ea r r 髓g 锄e n t 柚da l s oh a s n tah o l ei ni t sc 锄t e ri st h eb e s tc h o s e n d i s 缸曲u t o r 3 i tt a k e st o om a l l ym o n e ya i l dt i m et om a k eb i o m a s sp y m l y s i sl i q u e f a c t i o n n o 加a lc o n d i 缸o n a le x p 嘶m e n tb ym a j l yp e o p l e s oi no m e rt os o l v et l l ep r o b l e mo f b i gc o s ta 1 1 dl o we 伍c i e i l c y ，t h i s 甜i c l eu s e sf 1 u e n ts o m r a r et os i m u l a t et l l ec f b n o 珊a lc o n d i t i o n a le x p e r i m e n to fc h i n e s ea c a d e m yo fs c i e n c e ( 沁a i l g z l l o ui n s t i t u t e o fe n e 唱yc o n v e r s i o n u n d e rd i 脑e l l tg a sf l o wr a t e ，i t 锄a l y s e sc o n t o u r s 柚dx y c u r v ea b o u ts o l i dv 0 l 啪e 疗a c t i o n ，v e l o c i t ya n dp r e s s u r eo nr a d i a la 1 1 da x i a ll i n ea i l d i t ss l 】r f a c ei nd i 行打e n t m e a s 谢n gp o i n t s ，a _ b o v ea l lt h er e s u l t sc o m p a r e dw i t l l p r e d e c e s s o r s m e o r ya l l d ( 沁a i l g 血o ui n s t i m t eo fe n e 唱yc o n v e r s i o n se x p 嘶m e n t a l i i i 郑州大学化工学院0 3 级硕士论文 生物质热解液化装置与流化床冷态数值模拟研究 r e s u l t s ，w h i c hi n d i c a t e d ：( 1 ) i nd e n s eg a s s 0 1 i dn “t i p h a s en o ws i m u l a t i o nf bb y f l u e n ts o n w a r e ，t h eg i d a s p o wd r a gm o d e li sm o s ts u i t a b l e ；( 2 ) m en o wf i e l d d i s t r i b u t i o ni nf bs i m u l a t i o nc a nc o n f i r mt h ec o r e a n n u l a r 也e o r ya 1 1 d 1 ew a l le 仃e c t p h e n o m e n o nw h i c hi nf bn o wf i e l da p p e a r s ，w h i c hi se x t r e m e l ys i m i l a rt o g i d a s p o w s s _ c u d yr e s u l t s ；( 3 ) p r e s s u r e 矗e l di nf b ，i t ss i m u l a t i o nv a l u e锄d e x p e r i m e n t a lv a l u ea p p r o a c h e sm e i rv a l u e ，a ：b o v ea 1 1 i th a sc h o s e nt h a tt 1 1 eb e s tc 枷e r g a sn o wv e l o c i t yf i o rm i se x p e n m e n t a ln u i d i z e db e da p p i o x i m a t e l yi sv = 2 3 6 n 1 s ，i s v e r yc l o s et og u a l l 擎h o uh l s t i t u t eo fe n e r g yc o n v e r s i o nf i n a l l yd e t e n n i n e dt h eb e s t f l o wv e l o c 埘v 宅5 州s i i la d d i t i o ni ta l s od i s c o v 硎i nf bn o m a lc o n d i t i o n s i r n u l a t i o nt h a t ，b e s i d e sg 船f l o wr a t e 锄dm e p a r c e l s c h 聪心鲥s t i ch a v ei n f l u 饥c et o f b sf l o wf i e l d ，t h eh 0 1 ed i 姗e t e ro nf b b o d y 锄ddt h em a t e r i a lr 酏u n l e df 硒ml v a l v ed o n l e i l l a c c o r d i i 培t oa _ b o v ec o n d u s i o n ，f bm m l 硎c a ls i m u l a t i o nc a n s l i b s t i t u t ei t sn o n n a lc o n d i 吐o ne x p e f i m e n ti i lt l l ec e r t a i nd e 丹i c e 1 1 1aw o r d ，i nt e c l l l l i c a lh i 曲s p e e dd e v e l o p m e n ta tp r e s e n t ，a st h en u m e r i c a l s i m u l a 廿o nt o o ko n ee 脓c t i v ee x p 甜m c n t a lt e c l l i l i q u ei sr e l i a b l e ，s 撕n 分缸m ea 1 1 d e c o n o m i c a lc h a r a c t 嘶s t i ct 1 1 a tt l l er e s e a r c h e r sf a 、竹r t h e r e i n t o f b sn u m e r i c a l s i m u l a t i o na p p l i c a t i o nn o to n l ym a y p r o v i d et l l er e f e r e l l c em e t h o df o rf b ss 旬m c t l l r e o p t i m i z a t i o na i l de q u i p m e n ti n d l l s t r i a l i z a t i o n ，b u ta l s om o r ei m p o r t 趾t l ym a yc o n f i m a n da d v a l l c em ei n t 鲥o rf l o wf i d d l e o 叮i nf b ，a 1 1 dl e t sn u m 谢c a ls i m u l a t i o nr e n e c t o b j e c t i v er e a l i t y k e y w o r d s ：b i o m a s s ；f a s tp y r o l y s i sl i q u e f - a c t i o n ；f b ，f l u e n ts o f h a r e ；n o r m a l c o n d i 石o n a ls i m u l a t i o n 郑州大学化工学院0 3 级硕士论文生物质热解液化装胃与流化床冷态数值模拟研究 1 1 引言 第一章绪论 众所周知，能源是人类生存、经济发展和社会活动所不可短缺的支柱。但是 石油、煤炭和天燃气等能源由于本身的有限性，最终必将会枯竭。世界目前探明 的可开采储量表明，全世界石油尚可开采4 0 余年，煤炭可开采2 0 0 多年，天然 气可丌采4 0 多年【1 】。与此同时，石油、煤和天然气等化石燃料大量燃烧所排放的 有害物质使大气环境受到严重污染。能源缺乏和环境污染的双重压力，使得人类 不得不开始寻找一些相对比较清洁的可再生能源，如生物质能、太阳能、风能、 潮汐能等，毫无疑问生物质能是目前比较理想的选择之一。 目前，生物质能的利用占世界总能耗的1 4 ，是仅次于石油、煤炭和天然 气，位居第4 位的能源 2 】。对我国而言，开发利用可再生能源有特殊而现实的意 义。一方面，长期以来形成的以煤炭为主体的能源消费结构已给环境造成了巨大 压力，优化能源结构、提高能源效率、发展可再生能源，己成为我国实旋可持续 发展能源战略的重要内容；另一方面，中国1 3 亿人口中，7 5 的人居住在农村， 每年能源消费达6 亿多吨标准煤，其中约有一半需要由可再生能源提供。截止 2 0 0 2 年底，全国尚有近3 0 0 0 万人没有电力供应，能源短缺、浪费严重的状况尚 未根本解决【3 j 。因此，积极地开发利用可再生能源，不仅对于满足农村地区经济 发展和人民生活的能源需求、实现2 0 2 0 年全面小康具有现实的作用，而且对于 改善能源系统结构，保护生态环境，建设资源节约型、环境友好型社会有着深远 意义。综上所述，从能源利用和环境保护出发，研究生物质能转化是一项迫在眉 睫的重大课题。 1 2 生物质热解液化研究进展 1 2 1 生物质能源简介 生物质，从广义上讲是指有机物中除化石燃料以外的所有来源于动植物可再 生的物质。它是一种低灰分、低硫份的燃料，生物质燃料中可燃成分主要是纤维 素、半纤维素、木质素；热解时纤维素和半纤维素首先释放出挥发分物质，木质 郑州大学化上学院0 3 级硕士论文生物质热解液化装置与流化床玲查塑值堕鲫塑 素最后转变为碳。 生物质能的定义是：直接或间接通过绿色植物的光合作用，把太阳能转化为 化学能后固定和储藏在生物体内的能量。生物质能源主要包括林业生物质、农业 废弃物、水生植物、能源植物、城市垃圾、有机废水和人畜粪便等。随着化石燃 料的同益枯竭，生物质能作为一种可再生的清洁能源日渐为世界各国所重视嘲。 1 2 2 生物质快速热解液化 ( 1 ) 生物质快速热解液化概念 生物质快速热解液化是在传统裂解基础上发展起来的一种技术，相对与传统 裂解，它采用超高加热速率( 1 0 2 尉s 1 0 4 i ( s ) ，产物超短停留时间( 0 2s 3 s ) 及适中的裂解温度( 5 0 0 左右) ，使生物质中的有机高聚物分子在隔绝空气的条 件下迅速断裂为短链分子，使焦炭和产物气降到最低限度，从而最大限度获得液 体产品这种液体产品被称为生物质油( b i o o i l ) ，为棕黑色黏性液体，热值达 2 0 2 2 m j k g ，可直接作为燃料使用，也可经精制成为化石燃料的替代物。为此， 随着化石燃料资源的逐渐减少，生物质快速热解液化的研究在国际上引起了广泛 的兴趣【”。 ( 2 ) 生物质快速热解液化机理 从物质、能量传递的角度分析，热量首先传递到生物质颗粒表面，并由表面 传递到颗粒的内部。热解过程便由外向内逐层进行，生物质颗粒被加热的成分迅 速分解成木炭和挥发分。其中挥发分由可冷凝气体和不可冷凝气体组成，可冷凝 气体经过快速冷凝得到生物油。在这个过程中一次裂解反应生成了生物质炭、一 次生物油和不可冷凝气体。在多孔生物质颗粒内部的挥发分将进一步热解，称为 二次热解反应【6 ，有一部分生物油裂解成二次生物油和二次不可凝气体。生物质热 解过程最终形成生物油、不可冷凝气体和生物质炭( 如图1 1 所示) 。反应器内的 温度越高且气态产物的停留时间越长，二次裂解反应则越为严重。为了得到高产 率的生物油，需快速移走一次热解产生的气态产物，以抑制二次裂解反应的发生。 快速热解很好地解决了停留时间问题，在极短的时问内使生物质颗粒迅速热解， 又在极短的时间内把热解产物骤冷，所以在很大程度上不但抑制了中间产物的发 2 郑州大学化工学院0 3 级硕士论文生物质热解液化装置与流化床冷态数值模拟研究 生，而且避免了二次裂解，从而最大限度地增加了液态生物燃油的产量8 1 。 不可凝气体 热量 可冷凝气体 一7 生物油 、不可凝气体 一j 龇三滋油塑照 三嚣掣、生物质炭 、一次气侔 图卜1 生物质裂解过程 ( 3 ) 热解液化产品与应用 热解生产的液体产品为较浓的黑色油状物，由复杂的含氧碳氢化合物组成， 其水分一般占重量的2 0 ，黏度范围在轻质油与重燃油之间，与生物质具有相同 的元素，热值较高( 2 0 2 5 m j ，k 曲，p h 值较低，有一定的腐蚀性，组成成分非常 复杂，有数百种之多，其中苯酚、葸、萘、菲和一些酸的含量相对较大；固体产 品为炭，热解气体产品主要含有烃类， 其高热值大约1 5 2 2 m j n m 3 ，低热值为 4 8 m j n m 3 ，根据热解工艺不同有异 9 】。热解液化产品的应用情况如图1 2 所示 ”，由于液体产品具有较高的能量容积密度，且是潜在的高级燃料的替代物，有 较大的市场优势，引起了科技界的浓厚兴趣。 燃料加热犀应器发电同热原料 lflj 固体 最为燃料销 加热反应器 t 燥原料 发电 气 体 荐警秽售 l 加氢处理 图卜2 热解产品及庶用 1 2 3 国内外生物质热解研究现状 ( 1 ) 国外研究概况 本世纪七十年代开始，生物质的高效利用研究开发工作，已成为世界性的热 郑州大学化工学院0 3 级硕十论文 生物质热解液化装置与流化床冷态数值模拟研究 门研究课题。围外尤其是发达国家的科研人员作了大量的工作，许多困家都制定 了相应的开发研究计划，如欧洲制定计划要求到2 0 2 0 年生物质燃料代替2 0 的化 石燃料；日本的阳光计划；印度的绿色能源工程；美国的能源农场和巴西的酒精 能源计划，纷纷投入大量的人力和资会从事生物质能的研究开发。美国和欧洲在 生物质气化发电的研究与开发方面处于领先水平，国外的生物质能技术和装嚣多 已达到商业化应用程度，实现了规模化产、经营。 现在，各种形式的生物质能占美国消耗总能源的4 和占美国可再生能源的 4 5 ，美国在生物质利用方面，处于世界领先地位。1 9 9 5 年美国h a w a j i 大学和 v e 册o n t 大学在国家能源部的资助下开展了流化床气化发电工作，h a w a i i 大学建 立了处理生物质量为1 0 0 们的工业化加压气化系统；1 9 9 7 年已经完成了设计、建 造和试运行达到预定生产能力，v e n l l o n t 大学建立了气化工业装置，其生产能力 达到2 0 0 t d ， 发电能力为5 0 m w ( 兆瓦) ，目前已进入正常运行阶段。据报道， 美国有3 5 0 多座生物质发电站，主要分布在纸浆、纸产品加工厂和其它林产品加 工厂，这些工厂大都位于郊区，生物质能发电的总装机容量达1 0 0 0 0 m w ，单机容 量达1 0 2 5 m w ，提供了大约6 6 0 0 0 个工作岗位。根据有关科学家预测，到2 0 1 0 年， 生物质发电将达到1 3 0 0 0 m w 装机容量，届时有4 0 万英亩的能源农作物和生物质剩 余物作为气化发电的原料，同时可安排1 7 0 0 0 0 个以上的就业人员。美国加利福尼 亚州的生物质能发电功率已大于1 2 0 0 m w ，到2 0 2 0 年将达3 0 0 0 m w ，美国纽约的 斯塔藤垃圾处理站投资2 0 0 0 万美元，采用湿法处理垃圾，回收沼气用于发电，同 时生产肥料】。 欧洲国家普遍重视生物质能的开发利用技术，丹麦、荷兰、德国、意大利、 瑞士等，许多欧洲国家在生物质的热化学转换上取得了很大的进展。其中瑞典生 物质能的利用占全国总能耗的1 6 1 ，达到5 5 亿k w h ，瑞典另一个利用生物质 能的方式是将生物质送入循环流化床气化炉进行气化，产生的燃气通过燃气轮机 发电，采用联合循环，这样的系统热效率高。另一项正在实行的生物质热电联产 计划，不仅使生物质能转化为高品位电能，而且同时能够满足供热的需求。英国 以垃圾为原料实现沼气发电1 8 m w ，今后1 0 年内还将投资1 5 亿英镑，建造更多 的垃圾沼气发电厂a 奥地利成功的推行了建立燃烧木材剩余物的区域供电站计 划，生物质能在总能源消耗中的比率从原来的2 3 增加到1 9 9 9 年1 0 的水平。 4 郑州大学化工学院0 3 级硕士论文 生物质热解液化装置与流化床冷态数值模拟研究 俄罗斯是利用植物原料生产乙醇最多的国家，水解乙醇产量己经达3 5 万吨。 生物质裂解液化技术己被认为是最具有发展潜力的生物质能技术之一。国际 能源署组织了加拿大、芬兰、意大利、瑞典、英国和美国的十多家国际著名大学 和实验室进行了十余年的研究工作，到1 9 9 5 年初，己有2 0 余套工业示范装置在 运行中，最大处理生物质能力为1 0 叫d 【4 j 。 同时，发展中国家也己展开此方面的研究，巴西是乙醇燃料开发应用最有特 色的国家，实施了世界上规模最大的乙醇开发计划，目前乙醇燃料己占该国汽车 燃料消费量的5 0 以上。孟加拉国建成的下吸式气化装置己投入运行，印度正致 力于稻壳的气化技术开发，马来西亚则使用固定床气化设备发电。 ( 2 ) 国内研究现状 尽管与发达国家生物质热解技术相比，我国生物质能源的利用状况还比较落 后。但是我国政府对生物质资源及其利用极为重视，已经连续在四个国家五年计 划中将生物质能利用技术的研究和应用列为重点科技攻关项目。资助生物质高品 位化转换装置和利用技术的研制和开发，在生物质沼气池、气化、液化和致密成 型方面都取得了多项成果。生物质气化装置已小批量地投入市场，用于用户或木 材烘干和供暖。目前己有不少研究单位、工厂和公司从事生物质能高品位利用和 开发的研究、示范试验、批量生产和销售服务。针对农村能源严重短缺情况，我 国主要发展了户用沼气池和大中型沼气系统技术，8 0 年代以来，以沼气利用技术 为核心的综合利用技术模式由于其明显的经济和社会效益而得到快速发展。到 1 9 9 8 年底，全匡户用沼气池发展到6 8 8 万户，每年生产能源已达n 5 万吨油当量， 大中型沼气工程7 4 8 处，城市污水净化沼气池5 万处。大中型沼气发电装机容量 7 7 0 千瓦，年发电量1 3 0 万千瓦时。“四位一体”模式，“能源环境工程”的沼气综 合利用有了长足发展，成为我困生物质能源利用的一大特色。 9 0 年代以后，主要发展了生物质压块成型、气化与气化发电、生物质液体 燃料等新技术，新技术的能源产量已达2 5 4 万吨标准煤。生物质的成型技术得到 一定发展，浙江大学、辽宁省能源研究所、西北农业大学、中国林科院林产化工 研究所、陕西武功轻工机械厂、江苏东海县粮食机械厂等l o 余家单位研究和开 发出生物质成型燃料技术和设备。到目前，我国共有8 0 0 余台压缩成型机用于处 理稻壳或秸杆生产固体燃料，并且在江苏和陕西分别建设了1 0 0 0 吨年处理量的 郑州大学化上学院0 3 级硕士论文 生物质热解液化装置与流化床冷态数值模拟研究 稻壳成型燃料生产线示范工程。 农林固体废弃物转化为可燃气的技术也己仞见成效，气化系统已经有8 2 0 多套应用于户用和集中供气，提供炊事用能或木材烘干以及发电等最终用途。村 镇级秸杆气化集中供气系统近3 0 0 处，供气户数3 万余户。中国林科院林产化学 工业研究所，从八十年代开始研究开发了集中供热、供气的上吸式气化炉，并且 先后在黑龙江、福建得到工业化应用，气化炉的最大生产能力达6 3x1 0 6 k j h 。 最近在江苏省又研究开发以稻草、麦草为原料，应用内循环流化床气化系统，产 生接近中热值的煤气，供乡镇居民使用的集中供气系统，气体热值约8 0 0 0 l 【j n m 3 ，气化热效率达7 0 以上。目前，生物质热化学转换利用典型工程是山东省 的秸秆气化工程和广州能源所开发的生物质气化发电技术。 山东省能源研究所研究开发了下吸式气化炉，主要用于秸秆等农业废弃物的 气化，在农村居民集中居住地区得到较好的推广应用，并已形成产业化规模。到 1 9 9 8 年底，已建成秸秆气化集中供气站1 6 4 处，供气4 5 7 2 万立方米，用户7 7 0 0 户。 广州能源所在“九五”期间进行了兆瓦级生物质气化发电系统研究，与1 9 9 8 年 1 0 月建成并投入使用生物质气化发电示范系统，并且推广应用了2 0 余套。 另外大连环科院、辽宁能源所、北京农机院、浙江大学等单位也先后开展了 生物质气化技术的研究开发工作。浙江大学在多年致力于生物质气化技术研究的 基础上，对稻秆的气化、干馏特性进行了大量的基础性研究，提出了一种先进的 软质秸杆( 稻麦杆) 中热值气化技术，将燃料燃烧和气化相结合，可产生供民用1 0 1 4 m j 小m 3 中热值煤气以及可用于还田或制碳的副产品干馏半焦，使燃料中固体 和气体成分得到合理利用，达到了较高的燃料利用率。该技术于1 9 9 7 年通过农 业部环能司组织的评审，并获得实用新型专利。“九五”期间，浙江大学还承担 了国家攻关项目“生物质气化集中供气系统研究与示范项目，的研究工作，完成 了1 2 0 户村级规模的气化炉的设计建设，目前正在与相关试点单位合作进行产业 化工作。 生物质热解液化制取生物油技术由于世界石油危机的爆发更加成为生物质能 源化领域内的重点研究对象。清华大学、山西煤化所、上海理工、昆明理工大学、 哈尔滨工业大学等高校都陆续开展相关方面的研究。其中以沈阳农业大学动力工 郑州大学化工学院0 3 级硕士论文生物质热解液化装置与流化床冷态数值塑塑婴塞 程系的研究最早，沈阳农业大学从国外引进一套旋转锥快速热解试验装置，研究 开发液化油的技术。浙江大学率先在国内开发出流化床闪速热裂解制油试验装 置，在此基础上扩大建设了2 0 k g ，1 1 的处理量的示范试验装置。目前正在开展热裂 解机理以及生物油的改性、优化方面的研究工作，为今后的产业化进展提供技术 支持。 另外，华东理工大学开展了生物质酸水解制取乙醇的试验研究，其研究成果 也是目前生物质能转换技术的一项新进展，并逐步产业化发展。此外，我国还开 展了生物柴油、植物油、能源植物、生物质快速裂解等方面的探索性、创新性研 究。研究生物质向高品位能源产业化的技术，提高生物质能的利用价值，是重要 的技术储备，是未来多途径利用生物质的基础，也是今后提高生物质能作用和地 位的关键。其中纤维素废弃物制取乙醇燃料、生物质气化发电和生物质裂解液化 技术由于转化强度高，易于产业化发展成为我国能源发展规划中的重点方向。“十 五”期间，我国政府再度将生物质能技术确定为国家后续能源重点发展内容，列 入国家高科技发展计划( 8 6 3 计划) ，其中生物质气化发电技术要建设4 兆瓦规模 的研究示范工程；甜高粱茎杆制取乙醇燃料技术将建设年产6 0 0 吨规模的中试装 置；生物质热裂解液化技术进入年产3 0 0 吨粗油规模的中试阶段。 1 3 循环流化床研究现状 循环流化床是目前流化床中应用最广的一种，它包括快速流态化和密相气力 输送两种流化状态。快速流态化现象是细颗粒在高气速下发生聚积因而具有较高 滑落速度的气固流动现象。作为一种高效、无气泡的气固接触技术，循环流态化 是当代流态化研究中最活跃的一个领域。 第一台成功运行的流化床是德国人温克勒( f r i z w i n l d c r ) 于1 9 2 l 发明的，他将 燃烧产生的烟气引入一装有焦炭颗粒的炉室的底部，然后观察到了固体颗粒因受 气体的阻力而被提升，整个颗粒系统看起来就像沸腾的液体。温克勒所发明的流 化床是使用粗颗粒床料的流化床。 快速流化床则是由麻省理工学院的刘易斯( w a r r e nk l e w i s ) 和吉里( e d w i nr g i u 诅a i l d ) 在1 9 3 8 年1 2 月最早发明的。当时他们正在为流化床催化裂化过程( f c c ) 设想一种合适的气固接触工艺，当气流以3 i i l s 的速度自下而上通过装有f c c 颗 郑州人学化工学院0 3 级硕士论文生物质热解液化装置与流化床冷态数值模拟研究 粒( 平均粒径约为5 5 岬) 的容器时，发现了细颗粒的聚集以及较高的气固相对速 度。然而，当时人们并没有认识到这种现象的本质及其重要性。4 0 年代中期，由 美国新泽西标准石油公司( s t a n d a r do i lo fn e w j e r s e y ) 和m w k d l o g g 公司领导的 一个集团投资建造了一个快速流化床催化裂解示范装置，该装置的设计采用了刘 易斯和吉里兰所得到的数据，但由于粉尘捕集、催化剂循环以及催化剂活性等问 题，该示范装置性能不佳。此后一直到5 0 年代末期，鼓泡流化床一直占主要地 位，鼓泡流态化几乎成了气固流态化的同义词。 循环流化床真正成为具有工业实用价值的新技术是在五六十年代。5 0 年代， m w k e l l o g g 公司发展并在南非的萨尔伯格( s a s o l b u r g ) 建造运行了s a s o 费一托反 应器；6 0 年代末，德国鲁奇公司( l u 嚼) 发展并运行了l 1 l r 舀，、硝w 氢氧化铝焙烧 反应器。随后，由于分子筛活性高选择性催化剂的出现，提升管流化催化裂化反 应器很快又取代了鼓泡流化床并得到推广应用。1 9 7 1 年，r e h 提出了个循环流 化床的流态图，并描述了循环流态化的基本特征。1 9 7 6 年，y e m s h a l m i 等首次提 出了快速流态化的概念，从而引起了人们对循环流化床技术研究的只益重视，并 从8 0 年代开始形成了一个循环流化床基础研究的高峰期。 我国对循环流化床的研究是从5 0 年代术在中科院化工冶金研究所开始的， 此后，特别是8 0 年代以来，国内各主要高等院校和一些研究所也相继开始循环 流化床的研究开发工作。目前，循环流化床己被广泛地应用于石油、化工、冶金、 能源、环保等工业领域中的气相加工和固相加工过程i 引。 1 4 数值模拟流化床的发展及现状 用数值方法模拟流化床较传统实验方法的优点主要表现在：( 1 ) 能够研究流化 床中单个颗粒的运行轨道；( 2 ) 能够较大幅度地节约研究费用，并在一定程度上 缩短研究周期。目前流化床的建模方法主要有两大类：一类是把流体作为连续介 质，而把颗粒作为离散体系，探讨颗粒动力学和颗粒轨道等：另一类是除认为流 体连续外，把颗粒也当作拟连续介质或拟流体，设其在空间中有连续的速度分布 及等价的输送性质。流体的连续介质模型主要以流体动力学理论为基础，建立流 体的质量守恒方程和动量守恒方程，然后在一定的初值条件和边值条件下用计算 流体动力学方法( c o m p u t a l i o n a lf 1 u i dd ”锄i c s ，以下简称为c f d l 求解。 郑卅l 大学化：r ：学院0 3 级硕士论文生物质热解液化装置与流化床冷态数值模拟研究 流体动力学理论现己发展比较完备，有多种算法求解流场。目前s i m p l e 算 法及其各种改进算法是不可压缩流的n a “c r - s t a k e s 方程数值求解中应用相当广 泛的算法。与连续法相对比的是离散元素法( d e m ) ，c u i l d a l l 和s 廿a c k 在1 9 7 9 年 创立了该法。d e m 用于颗粒系统时叫离散颗粒法( d i s c r e t ep a n i c l em e t h o d ，以下 简称为d p m ) 。离散颗粒法( d p m ) 对牛顿第二运动定律进行直接求解，从而得到 单个颗粒的运动特征。目前，它已经成为粉体及颗粒研究领域的重要新工具。最 初d p m 主要用于研究流体与颗粒间的作用不属于关键作用的情形。后来研究人 员尝试把d p m 用于有流体和颗粒作用的颗粒系统。1 9 9 2 年，t s u i i i l2 】等人用一个 一维模型来模拟水平管中的活塞流。他们使用e r g u n 方程得出了移动或静止管道 中流体作用在颗粒上的曳力。1 9 9 6 年，l 觚g s t o n ”】，确d p m 模拟储仓中颗粒物 料的流动。1 9 9 3 年，t s u j i 等人率先把计算流体动力学方法( c f d ) 和颗粒离散法 ( d p m ) 同时用来研究流态化现象。h o o m 锄s f l 4 】等人于1 9 9 6 年也采用了该方法。在 t u s j i 等人和h o o m a n s 等人的模型中，他们用传统的连续性方法来得到气体的速 度场数据和压力场数据，然后利用该数据算出作用在单个颗粒上的流体曳力，最 后由牛顿第二定律解出颗粒的运动轨道，同时可以依据各个颗粒的坐标值算出孔 隙率，然后对气体流场进行估算。 n s j i 和h o o m a n s 等人指出计算流体动力学方法( c f d ) 和颗粒离散法( d p m ) 相 结合的方法对于模拟流化床中单个颗粒的运动行为是一种很有前景的方法。不 过，t u s j i 等人为了保证数值求解的稳定性，把他们的模型仅限于k = 8 0 0 n m 。1 的 软颗粒。这使得计算出的颗粒的变形量大于实际值，结果造成计算出的流体曳力 和颗粒间的作用力与实际不符。为了避免大的颗粒重叠量，h 0 0 m a a 等人在1 9 9 6 年的模型中提出了刚性球模型，即不考虑颗粒的硬度，这样做的最大缺点在于不 能弄清颗粒间的受力情况。x b h 等人于1 9 9 8 年针对这个问题提出了一个碰撞动 力学模型，该模型采用预测一校正法，并选取了合理的计算时间步长，在保证能量 和动量守恒的前提下能适合于软硬颗粒。另外，x b h 等人把牛顿第三定律直接 用于离散颗粒和连续气体，他们认为气体对颗粒的流体曳力j 下好等于颗粒对流体 的阻力，这样考虑符合物理事实。m 弱a y a l ，h 耐o 【1 5 】于2 0 0 0 年采用c f d 与软球 模型的d e m 相耦合的方法模拟了流化床中颗粒的运动和气固两相的换热过程。 目前， 流化床仍处于个探索和快速发展的阶段，各种数学模型均在考虑 9 郑州大学化工学院0 3 级硕十论文 生物质热解液化装置与流化床冷态数值模拟研究 真实情况的基础上做了大量简化，使得其研究性质仍处于基础研究。 1 5 本文的研究目的、内容和方法 1 5 1 研究目的 生物质热解液化产率的高低直接影响到生物油的成本，而这一切主要取决 于设备性能的优劣，所以为了得到高产率，高热值的生物油，对设备结构的不断 改进是很重要的一个环节。 科学实验是发展理论的依据又是检验理论的准绳，解决科学和工程技术问题 往往离不开实验手段的配合。然而巨额的实验经费往往让一些公司和单位望而生 畏，f l u e n t _ 一流场数值模拟软件的出现为人们开辟了一条新的道路，f l u e n t 在工 程领域的应用，其结果精度和可靠性足以让人信服，所以f l u e n t 数值模拟以其可 靠、经济和快捷等特点倍受工程技术人员的青睐。目前，它已广泛应用到流体流 动和热传导等相关物理现象的分析研究1 6 1 。本文利用f l u e i i t 模拟流化床冷态实 验，进而为热态实验寻找最佳的操作条件和参数，不仅省时、省力和经济，而且 可为生物质热解液化装置的设计提供依据。 1 5 2 研究内容 ( 1 ) 本文自行设计了一套进料量为1 0k g m 的生物质热解液化装置，该装置 在设计上克服了以往设计上的不足。该装置包含四部分：进料系统、流化床、旋 风分离系统和冷凝系统。 ( 2 ) 针对流化床中气流通过布风板时压力损失过大的问题，本文对此进行 专门研究。通过对布风板的歼孔直径和布孔形式的数值模拟，寻找到了适合于流 化床冷态实验中压力损失较小的直孔式布风板。 ( 3 ) 在流化床模拟研究中，多数研究者仅局限于流化床直管段的二维模型 的模拟，且多以稀相流( 固相含量少于1 0 ) 为主，侧重于理论分析。本文则另 辟蹊径，从实际出发采用多部件( 含有流化床、旋风分离器和回料阀f 包括立