（机械设计及理论专业论文）流化式自供热型制生物燃油关键装置设计理论研究.pdf

摘要 摘要 我国是石油消费和进口大国，石油消耗量仅次于美国，位居世界第二位。同时，国 内石油产能严重不足，进口依存度不断扩大。2 0 0 9 年中国石油净进口量2 1 9 亿吨，表 观消费量4 0 8 亿吨，进口依存度首次突破5 0 ；2 0 1 0 年中国石油净进口量2 4 9 亿吨， 表观消费量约为4 4 9 亿吨，进口依存度已高达5 5 以上；预计到2 0 1 2 年进口依存度将 高达7 5 以上。如此高的石油进口依存度，已威胁我国能源安全，一旦国际石油供应出 现问题，比如战争，我国的能源供应将会受到严重打击，甚至国民经济都有瞬间陷入瘫 痪的危险。另一方面，我国是一个农业大国，仅农作物秸秆年产生量约7 亿吨，扣去现 有各种利用，大约3 亿吨可作为燃料使用，林业废弃物年可获得量约9 亿吨，如仅将这 两类生物质资源进行转化，就可得到6 亿吨生物燃油，按热值推算，相当于3 亿吨重 油，因此将秸秆等农林废弃物转化成具有一定经济价值和高技术含量的石油替代产品， 不仅缓解我国能源紧张的状况，而且增加了农民的就业岗位和个人收入，另外，将生物 质通过热裂解技术转化后的石油替代产品生物燃油具有不含硫、减少环境污染、 c 0 2 零排放、符合c d m ( 清洁发展机制) 要求。本文正是在这样的背景下，针对生物质 制生物燃油技术进行的研究，其目的在于为生物质熟裂解制生物燃油装置设计提供先进 的理论支持和技术保障。 本文对国内外生物质流化式热裂解技术的研究进行了总结和论述，根据流化式热裂 解工艺的特点，总结前人的研究经验，提出了流化式自供热型制油装置反应器的理论和 实验研究，在研究过程当中取得如下成果： 根据热裂解反应动力学原理，为流化式自供热型反应器，建立生物质热裂解反应动 力学方程，并对方程求解，得到生物质热裂解产物曲线；在实验室利用热裂解实验装置 进行实验，将通过实验取得热裂解产物曲线与方程求得的热裂解产物曲线进行了对比分 析，验证了热裂解方程的可靠性；在生物燃油冷凝过程的研究中，根据已知晓的生物燃 油成分，计算出冷凝温度不同阶段，对应的理论冷凝量，通过与相同阶段温度的冷凝实 验结果相比对，验证理论结果，确定出最合理的冷凝温度范围，为系统冷凝工艺提供理 论依据。 根据气固两相流的原理，提出了一种在普通圆柱型流化床内部加圆锥体的内锥式流 化床反应器设计思路，通过冷态实验结果表明，流化效果优于普通圆柱型流化床。同时 因为流化状态的复杂性，建立气固两相流流动方程，利用f l u e n t 模拟仿真软件，采用欧 拉模型，对内锥式流化床进行颗粒运动状态、浓度与速度的数值模拟，并将模拟结果与 普通圆柱型流化床进行比较分析。 构建了基于内锥式流化床反应器的系统组成模式，对系统进行了工艺分析，从理论 上对系统进行了热平衡研究与分析，从经济性角度提出了除电力拖动以外的生产用能仅 用副产物炭粉和不凝气供热的设想，并通过转化率对副产物产率影响的研究，得出自供 热条件下的最优转化率，为生物质制油系统不依赖外部热源而自身达到热平衡的这种先 进的设计提供了理论指导。 针对本文提出的自供热系统和仅用副产物炭粉和不凝气为整个系统供热的设想，根 据燃烧理论对气一固混合燃烧装置进行了设计理论研究。另外，为了将燃烧后排放烟气 中的热能在流化干燥中利用，根据流化干燥理论对流化干燥和输送装置进行了设计理论 研究。 上述研究及结果可为基于内锥式流化床反应器的自供热裂解制生物燃油系统的设计 提供理论指导和研发借鉴。有望为中国的生物燃油生产的规模化、工业化提供理论参 考。 关键词：生物燃油；流化床；自供热：热裂解 a b s t r a c t a b s t r a c t o u rc o u n t r yi sab i gc o u n t r yo fp e t r o l e u mc o n s u m p t i o na n di m p o r t i n g ，t h ea m o u n to f p e t r o l e u mc o n s u m p t i o ni so n l yn e x tt ot h eu n i t e ds t a t e si nt h ew o r l d a tt h es a m et i m e ， d o m e s t i co i lp r o d u c t i o ni ss e v e r i t ys h o r t a g e ，i m p o r td e p e n d e n c yo fp e t r o l e u me x p a n d s u n c e a s i n g l y n e ti m p o r ta m o u n to fp e t r o l e u mo fc h i n ai s 2 19b i l l i o nt o n si n2 0 0 9 ，a p p a r e n t c o n s u m p t i o ni s4 0 8t o n s ，i m p o r td e p e n d e n c yi s f i r s t u pt o5 0 ；n e ti m p o r ta m o u n to f p e t r o l e u mo f c h i n ai s2 4 9b i l l i o nt o n si n2 0 10 ，a p p a r e n tc o n s u m p t i o ni s4 4 9t o n s ，i m p o r t d e p e n d e n c yi sm o r et h a n5 5 ；i m p o r td e p e n d e n c yi se x p e c t e dt oa sh i g ha s7 5 i n 2 0 12 s u c h h i g hl e v e l so fo i li m p o r td e p e n d e n c e ，o u rc o u n t r y se n e r g ys e c u r i t yh a sb e e nt h r e a t e n e d ，o n c e t h ei n t e r n a t i o n a lo i ls u p p l yh a sp r o b l e m s ，s u c ha sw a r ，o u re n e r g ys u p p l yw i l lb eh i th a r d ，e v e n t h en a t i o n a le c o n o m yh a v et h ei n s t a n tp a r a l y z e dd a n g e r o nt h eo t h e rh a n d ，o u rc o u n t r yi sa l a r g ea g r i c u l t u r a ln a t i o n ，a n n u a lp r o d u c t i o no fc r o p ss t r a wi sa b o u t7m i l l i o nt o n s ，e x c e p tf o ra l l k i n d so fu s e ，a b o u t3m i l l i o nt o n sc a l lb eu s e da sf u e l ，a l s oa n n u a lp r o d u c t i o no ff o r e s t r yw a s t e i sa b o u t9m i l l i o nt o n s i ft h e s et w ot y p e so fb i o m a s sr e s o u r c e sc a l lb ee f f e c t i v e l yu s e d ，6 m i l l i o nt o n so fb i o f u e l sc a nb ea c h i e y e d ，i fc a l c u l a t i n ga st h ec a l o r i f i cv a l u e ，w h i c hi se q u a lt o 3m i l l i o nt o n so fh e a v yf u e lo i l t h e r e f o r et r a n s f o r m i n gc r o p ss t r a wa n df o r e s t r yw a s t ei n t oo i l a l t e r n a t i v ep r o d u c t sw h i c hh a v ec e r t a i ne c o n o m i cv a l u ea n dh i g ht e c h n i c a lc o n t e n t s ，n o to n l y c a ne a s et h ee n e r g ys h o r t a g es t a t u s ，a n dc a ni n c r e a s ef a r m e r se m p l o y m e n tc h a n c e sa n d p e r s o n a li n c o m e i na d d i t i o n , b i o m a s sc a nb et r a n s f o r m e dt ot h ea l t e r n a t i v ep r o d u c t so fo i l t h r o u g hp y r o l y s i st e c h n o l o g y - b i o f u e l sd on o tc o n t a i ns u l f u r ，c a nr e d u c et h ep o l l u t i o nf o rt h e e n v i r o n m e n t , z e r oe m i s s i o n so fc 0 2a n dc o m p l yw i t ht h er e q u i r e m e n t so fc l e a nd e v e l o p m e n t m e c h a n i s m ( c d m ) i n t h i sc o n t e x t ，t h ep a p e rc a r r i e so u tb i o m a s sb i o f u e l st e c h n o l o g yr e s e a r c h ， i t sp u r p o s el i e si np r o v i d i n ga na d v a n c e dt h e o r e t i c a ls u p p o r ta n dt e c h n i c a lg u a r a n t e ef o rt h e d e s i g no fb i o m a s sp y r o l y s i sb i o f u e ld e v i c e b i o m a s sf l u i d i z e dp y r o l y s i st e c h n o l o g yi na b o a r da n dd o m e s t i cc o u n t r ya r es u m m a r i z e da n d d i s c u s s e di nt h ep a p e r ，a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so ff l u i d i z a t i o nt y p ep y r o l y s i st e c h n o l o g y ， s u m m a r i z i n gt h ep r e d e c e s s o r sr e s e a r c he x p e r i e n c e s ，p r e s e n t i n gt h ep r o c e s s i n gr o u t e s ，s y s t e m c o m p o s i t i o nm o d ea n dk e yd e v i c e so ff l u i d i z a t i o nt y p es e l f - h e a t i n gb i o m a s sp y r o l y s i ss y s t e m - t h e o r e t i c a la n a l y s i sa n de x p e r i m e n t a lr e s e a r c ho ff l u i d i z a t i o nt y p es e l f - h e a t i n gb i o m a s s p y r o l y s i sr e a c t o rh a v eb ed o n e ，t h eo b t a i n e da c h i e v e m e n t so f r e s e a r c hp r o c e s s a l ea sf o l l o w s ： a c c o r d i n gt ot h ep y r o l y s i sr e a c t i o nk i n e t i c st h e o r y , t h ek i n e t i ce q u a t i o no fb i o m a s sp y r o l y s i s r e a c t i o nh a sb e e ne s t a b l i s h e df o rt h e f l u i d i z a t i o nt y p es e l f - h e a t i n gb i o m a s sp y r o l y s i sr e a c t o r , t h eb i o m a s sp y r o l y s i sp r o d u c tc u r v e sc a nb ea c h i e v e db ys o l v i n gt h ee q u a t i o n ；u s i n gp y r o l y s i s e x p e r i m e n td e v i c et oc a r r yo u te x p e r i m e n t s ，t h ec o m p a r i s o na n a l y s i so f t h ep y r o l y s i sp r o d u c t a b s t r a c t c u r v e sg o tb ye x p e r i m e n t sa n de q u a t i o n sh a sb e e nd o n e ，t h er e l i a b i l i t yo fp y r o l y s i se q u a t i o n h a sb e e nv e r i f i e d ；i nt h es t u d yo ft h eb i o f u e l sc o n d e n s a t i o np r o c e s s ，b a s e do nt h ek n o w n b i o f u e l sc o m p o n e n t s ，t oc a l c u l a t et h ed i f f e r e n t s t a g e so ft h ec o n d e n s a t i o nt e m p e r a t u r e c o r r e s p o n d i n gt h et h e o r yc o n d e n s a t i o na m o u n t ，t h r o u g ht h ec o m p a r i s o n so ft h ec o n d e n s i n g e x p e r i m e n t a lr e s u l t so ft h es a m es t a g e st e m p e r a t u r et ov e r i f yt h ev a l i d i t yo ft h et h e o r e t i c a l r e s u l t s ，a n dt od e t e r m i n et h em o s tr e a s o n a b l ec o n d e n s i n gt e m p e r a t u r er a n g e s a c c o r d i n gt ot h et h e o r yo fg a s - - s o l i dt w o p h a s ef o w , p r o p o s i n gan e wd e s i g nt h i n k i n go f t h e i n n e rc o n et y p ef l u i d i z e db e dw h i c ha d d i n gac o n ei nt h ei n n e ro ft h ec o m m o nc y l i n d r i c a l f l u i d i z e db e d ，t h ec o l de x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h ef l u i d i z a t i o ne f f e c ti sb e t t e rt h a nt h e c o m m o n c y l i n d r i c a lt y p ef l u i d i z e db e d a tt h es a m et i m e ，a st h ec o m p l e x i t yo ff l u i d i z e ds t a t e ， t oe s t a b l i s hf l o we q u a t i o n so ft h eg a s - s o l i dt w o p h a s e f l o w , u s i n gf l u e n ts i m u l m i o n s o f t w a r e ，a d o p t i n g e u l e rm o d e l ，t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o n o f p a r t i c l e m o t i o n s t a t e ， c o n c e n t r a t i o na n ds p e e dh a sb e e nd o n er e s p e c t i v e l yf o rt h ei n n e rc o n et y p ef l u i d i z e db e d ，a l s o t h ec o m p a r i s o na n a l y s i so ft h es i m u l a t i o nr e s u l t so ft h eo r d i n a r yc y l i n d e ra n dt h ei n n e rc o n e t ) ，p ef l u i d i z e db e dh a sb e e nd o n e b a s e do nt h ei n n e rc o n et y p cf l u i d i z e db e dr e a c t o r , t h es y s t e mc o m p o n e n t sm o d eh a sb e e n b u i l du p ，t h es y s t e mp r o c e s sa n a l y s i sa n dt h et h e r m a le q u i l i b r i u mr e s e a r c ha n da n a l y s i so nt h e s y s t e mh a v ea l s ob e e nd o n e ，f r o mt h ee c o n o m yv i e w , t h ea s s u m p t i o nt h a tt h ep r o d u c t i o n e n e r g yc a nb eo b t a i n e db yt h eb y - p r o d u c t sc h a r c o a la n dn o n - c o n d e n s a b l eg a se x c e p tf o rt h e e l e c t r i cd r i v i n g ，a n dt h r o u g ht h ee f f e c to ft h ec o n v e r s i o nr a t i oo nt h eb y p r o d u c tp r o d u c t i o n r a t e ，t h eo p t i m a lc o n v e r s i o nr a t eu n d e rt h es e l f - h e a t i n gc o n d i t i o n sh a sb e e nb u i l t ，t h e t h e o r e t i c a lg u i d a n c eh a sb e e np r o v i d e df o rt h ea d v a n c e dd e s i g nt h a tt h eb i o f u e l ss y s t e md o e s n o td e p e n do nt h eo u t s i d eh e a tb u tc a na c h i e v eh e a t i n gb a l a n c et h e m s e l v e s a c c o r d i n gt ot h ep r o p o s e da s s u m p t i o n st h a tt h es y s t e mc a l lr e a l i z es e l f - h e a t i n ga n dl l e a t i n g c a nb eo b t a i n e do n l yb yt h eb y - - p r o d u c t sc h a r c o a la n dn o n c o n d e n s a b l eg a sf o rt h ew h o l e s y s t e m ，a l s oa c c o r d i n gt ot h ep r i n c i p l eo fb u m i n g ，t h ed e s i g nt h e o r yr e s e a r c ho ft h eg a s s o l i d m i x i n gb u r n i n gd e v i c eh a sb e e nc a r r i e do u t i na d d i t i o n ，i no r d e rt op u tt h eh e a te n e r g yo f s m o k ea n df u m e sa f t e rb u r n i n gi n t ou s ei nt h ef l u i d i z a t i o nd r y p r o c e s s ，t h ed e s i g nt h e o r y r e s e a r c ho ft h ef l u i d i z a t i o nd r ya n dt r a n s p o r t i n gd e v i c ea c c o r d i n gt ot h ef l u i d i z a t i o nd r yt h e o r y h a sb e e nc a r r i e do u t t h et h e o r e t i c a lg u i d a n c ea n dr e s e a r c hr e f e r e n c eb a s e do nt h ei n n e rc o n et y p cf l u i d i z e db e d r e a c t o ro fs e l f h e a t i n gp y r o l y s i sb i o f u e l ss y s t e mc a l lb ep r o v i d e da c c o r d i n gt ot h ea b o v e r e s e a r c ha n dr e s u l t s i ti se x p e c t e dt op r o v i d et h et h e o r e t i c a lr e f e r e n c ef o rt h es c a l ea n d i n d u s t r i a l i z a t i o no fc h i n a sb i o f u e l sp r o d u c t i o n k e y w o r d s ：b i o m a s so i l ；f l u i d i z e d ；s e l f - 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