【毕业学位论文】（Word原稿）生物质流化床气化特性研究及神经网络模拟-热能工程

分类号 密级 编号 中国科学院研究生院 硕士学位论文 生物质流化床气化特性研究及神经网络模拟 指导教师 研究员 中国科学院广州能源研究所 申请学位级别 硕士 学科专业名称 热能工程 论文提交日期 2006 年 5 月 论文答辩日期 2006 年 6 月 培养单位 中国科学院广州能源研究所 学位授予单位 中国科学院研究生院 答辩委员会主席： 教授 s 006 中 文 摘 要 3 摘 要 流化床是一种高效的传热传质反应器，它在生物质热解气化中的应用日益受到重视，但复杂的气固两相流和传递机理，使得气固流态化过程的控制、预测和放大相当困难。本文从中型气化试验和神经网络模拟两方面研究了流化床中生物质热解气化反应过程。 首先，本文建立了一套用于生物质热解气化的中型流化床试验装置，使用两种常见的生物质原料：木粉和稻壳，分别在三组进料量和进风量条件下，进行多种气化当量比和流化速度下的生物质热解气化试验。试验中对气化温度、燃气流量进行在线分析，对燃气成分和焦油含量进行离线分析，为对流化床内生物质热 解气化过程进行神经网络模拟奠定了实验基础。同时对不同气化当量比条件下的气化温度、燃气组分、产气率、燃气热值、碳转化率和气化效率进行了分析，并对数据表现出的趋势给出了定性的解析。 其次，本文还初步研究了木粉原料中二次风对生物质气化温度、产气率、燃气热值和焦油产率的影响，同时给出了不同比例二次风量下气化过程各参数的定性变化规律。 最后，本文采用 经网络工具箱建立了流化床内生物质热解气化过程的 经网络模型。该模型模拟了生物质气化温度、产气率、燃气热值、碳转化率和气化效率等气化参数；在选择模型输入量 时，该模型没有直接考虑气化操作条件，即进料量和进风量，而把具有共性的气化当量比和流化速度作为模型输入参数，同时把生物质工业分析和元素分析参数也作为模型输入参数，使得该网络模型同时跨越了炉型尺寸和物料的局限，从而使该模型更具有通用性。对网络模型的训练结果进行线性相关性分析和泛化能力分析，表明该 流化床生物质气化反应器的放大，系统控制和预测提供一种新的途径。 关键词： 流化床，生物质，热解气化，神经网络模型，预测 英 文 摘 要 ie is an in It of In in In of in a of at on at In at of of in up to as up as of of 文 摘 要 of in of in P a of of 录 V 目 录 摘 要 . 3 . 一章 绪 论 . 1 言 . 1 物质能概况 . 3 物质能主要转换技术 . 4 物质热解气化技术的研究进展 . 5 化床中生物质热解气化过程模拟的研究进展 . 7 观模型 . 7 观模型 . 9 理性宏观模型 . 9 验性宏观模型 . 10 文的研究内容 . 12 参考文献 . 13 第二章 人工神经网络基础理论 . 15 工神经网络概述 . 15 工神经网络模型 . 16 经元模型 . 16 经网络模型 . 17 P 神经网络 . 18 P 网络结构 . 18 P 学习算法 . 20 络的泛化能力 . 22 P 网络的训练过程 . 23 P 网络的不足及改进方法 . 25 参考文献 . 27 第三章 试验装置及方案 . 28 验装置 . 28 化床气化反应器 . 29 料装置 . 29 气装置 . 29 气净化装置 . 29 度测量系统 . 30 体采样与分析系统 . 30 油采样与分析系统 . 31 验方案 . 32 第四章 流化床中生物质气化试验研究 . 34 验物料特性 . 34 验结果分析 . 35 量比 炉内温度的影响 . 35 量比 气化特性 的影响 . 36 次风对炉内温度的影响 . 40 目 录 二次风对 气化特性 的影响 . 40 次风对二次反应的影响 . 42 次风对燃气焦油含量的影响 . 42 章小结 . 43 参考文献 . 45 第五章 流化床中生物质气化神经网络模型研究 . 46 P 神经网络的构建 . 46 练结果分析 . 47 络泛化能力分析 . 51 章小结 . 52 参考文献 . 54 第六章 结论与工作展望 . 55 要结论 . 55 论文的主要创新点 . 56 文研究中的不足和工作展望 . 56 个人简历、在学期间的研究成果及论文发表情 况 . 58 致 谢 . 59 第一章 绪 论 1 第一章 绪 论 言 能源是确保人类社会文明进步和经济发展最为重要的物质基础。自 20 世纪70 年代能源危机以来，人们对石油、煤炭、天然气的贮量和开采时限作过种种估算与推测，几乎都得出 一致结论 :21 世纪化石燃料中有的将被开采殆尽，有的因开采成本过高以及开发利用导致的一系列环境问题而失去开采价值，化石燃料终将耗尽将成为无可争辩的事实 1。表 1出了不可再生能源(全球能源消耗的比例及可使用年限的统计预测 2。 表 1可再生能源占全球能耗比例及可用年限 to 能源种类 占全球能耗的比 例 （ %） 可使用时间（年） 化石能源 煤 20 石油 0 天然气 0 核能（裂变） 60 总和 尽管 我国能源资源品种齐全且总量可观，己探明能源矿产可采储量 (不含铀 )约占世界总采储量的 11 % ，位居世界第三 3， 但我国人均能源资源量远低于世界平均水平 (见图 1多数能源资源类型在世界平均水平的 50%左右 。为了实现党的十六大提出的 2020 年我国国内生产总值（ 比 2000 年翻两番的宏伟总目标，据有关部门预 测，未来 20 年中国能源消费需求将比目前增长 1 倍左右，其中煤炭将达 26 亿吨、石油 3 亿吨、天然气 800 亿立方米。除了煤炭资源尚能满足 2020 年的国内需求外，石油、天然气和铀矿资源只能维持到 2010 年的能源消费 3。因此，我国能源资源的开发和利用正面临着更为严峻的形势，第一章 绪 论 2 尤其是近年来煤价、油价上涨及矿业开采引发的频繁安全事故，更加促使了我国对能源战略问题的深思。 与此 同时，大量开采使用 化石燃料 已经对人类的生存环境构成了威胁 1。据有关资料显示， 近十几年来，地球大气层中的 有害气体成份 己 明显升高 :空气中的 加 了 25%， 加了 19%, 加了 100%，大气中的 氟烃 )和 量也提高了 ，这主要是化石燃料燃烧利用污染 大气而造成的。而这些变化己经很大程度上影响了人类的生存环境。例如，由于燃烧矿物燃料产生 成的酸雨己经毁坏了北欧的一半森林。在中欧和东欧，由于过量使用矿物燃料，已使大面积土地受损。温室气体，特别是 放的增加，使过去几年中地表的平均温度一直上升，如果这种趋势持续的话，将会出现重大气候异常和局部气候失衡 2。 环境保护是摆在人们面前的又一迫切需要解决的课题。 050100150200250300350400450500原煤 原油 天燃 气 水 电各对应能源储备 %中国人均 世界人均 美国人均图 1均能源储备的比较 of 源需求增长与能源资源匮乏甚至危机、传统能源利用与环境污染，已构成对社会经济发展的双重压力，并引起世界各国的高度重视。一种有效的改变这种状况的途径就是合理开发和利用新型能源资源。国外不少学者较早使用了“能源革命” (词来说明发展可再生能源 (深远意义。联合国也早在 20 世纪 60 年代初期就提出了“能源过渡” (概念，预计从 20 世纪末开始将在世界范围内出现以新能源 (一章 绪 论 3 可再生能源逐步代替化石能源的趋势 4。我国政府在“中国国民经济和社会发展九五计划和 2010 年远景目标” 、 中国 21 世纪议程 中都特别强调要 改善现有能源结构、发展新型清洁能源和可再生能源的迫切性及深远意义。 而 近期由 全国人大 审议通过 的 可再生能源法 更从法律上保障了 我国可再生能源利用 。 在此背景下，生物质能作为唯一可能存储和可运输的可再生能源，其高效转换和洁净利用日益受到全世界的广泛重视 5。 物质能 概况 广义上讲 生物质能包括一切由植物光合作用转化和固定下来的太阳能，生物质作为生物质能的载体有许多种定义，美国能源部 (生物质定义为 :生物质是来源于植物和动物的有机物质 6。 生物质能源是人类利用最早、最多、最直接的能源，在 18 世纪大规模地利用煤燃料以前，人类主要依靠木材作燃料。至今，世界上仍有 15 亿以上的人口以生物质作为生活能源。 生物质资源种类繁多，主要有农作物和农业有机剩余物、林木和森林工业剩余物、农副产品加工的有机废物和废水、动物排泄物和城市污水及垃圾等。还有水生植物、藻类和能进行光合作 用的微生物等都是可以开发利用的生物质能资源。 地球上的生物质能资源十分丰富，据美国康耐尔大学估算，全世界陆地和海洋所有生态系统中，每年干有机质的净产量约为 1400吨， 相当于目前世界总能耗的 10 倍 6。我国的生物质能也极为丰富，现在每年的秸杆量约 2010 年将达 吨，相当于 5 亿吨标煤。柴薪和林业废弃物数量也很大，林业废弃物（不包括炭薪林），每年约达 3700当于 2000 万吨标煤。如果考虑日益增多的城市垃圾和生活污水，禽蓄粪便等其他生物质资源，我国每年的生物质资源达 6 亿吨 标煤以上，扣除了一部分做饲料和其他原料，可开发为能源的生物质资源达 3 亿吨 标煤，而随着农业和林业的发展，特别是随着速生薪炭林的开发推广，我国的生物质资源将越来越多，有非常大的开发和利用潜力 7。 第一章 绪 论 4 物质能主要转换技术 一般来讲，生物质能的转换利用技术大致可分为三类 8： 一是直接燃烧，直接燃烧的主要目的是为了获取热量 ； 二是生物转换技术，通过微生物发酵方法制取液体燃料或气体 燃料；三热化学转换技术，通过热化学技术转化成优质的流体燃料。 图 1生物质转换方式进行了更详细的分类 9。 本文研究的重点是其 中的 热解 气化方式， 由于生物质的热解和气化密不可分，因此 下面就对两者 进行 综合阐 述。 按工艺 形式分 按原料 类别分 生物质能技术 炕连灶、地炕燃烧技术 稻壳为原料 直接燃烧技术 农作物秸秆 致密成型技术 大中型厌氧消化技术 以沼气为纽带综合技术 木材为原料 木材干馏技术 热解制油技术 小型户用沼气池技术 制取乙醇技术 物化转换技术 热 解气化技术 锅炉燃烧技术 炉灶燃烧技术 上吸式固定床 下吸式固定床 流化床式 禽畜粪便厌氧消化技术 工业有机废水厌氧消化技术 生化转换技术 垃圾焚烧技术 植物油技术 图 1物质转化技术分类 第一章 绪 论 5 生物质热解气化的基本原理在 18 世纪后期就已经提出了，但直到 19 世纪30 年代该技术才开始初步应用，而且主要在欧洲，但后来由于石油等化石能源的大量使用，生物质热解气化技术便逐渐失去了地位，直到 20 世纪 70 年代全球性的能源危机使得生物质能等可再生能源重新受到了人们的重视。美国对于生物质能的关注正是从这个时候开始的， 1977 年 10 月 1 日美国成立能源部，而次年该部就对生物质能的发展作了全面规划，并作为开发太阳能的重要一环，生物质能的受重视程度可见一斑。 物质热解气化技术的研究进展 生物质 热解 气化作为一种热化学转化技术，可将体积庞大、能量密度低、不易燃烧或燃烧效率低的生物质原料转化为能量密度高、适于储存、运输和使用的气体燃料，大 大提高能源利用品位和利用效率，同时也拓宽了生物质能的利用范围。 所产生的燃料气，可以供生产、生活直接使用，也可以通过内燃机、燃气轮机等发电，实现联产联供， 从而 实现生物质能的高效清洁利用。 生物质热解气化技术的基本原理： 在完全无氧或只提供有限氧的情况下，高温下使生物质中的有机物质等发生热分解而析出挥发性物质 (常温下为液态或气态 )，并形成固态的半焦或焦炭。加热与缺氧是这项技术的基本要求。加热是因为 组成生物质的 纤维素、半纤维素、木质素等成分的分解是吸热过程，而缺氧是避免生物质原料的燃烧。热解气化的产品可分为固体 (半焦 )、液体 (生物油 )、气体 (燃气 )三部分，随着热解气化工艺类型的不同三者比例有较大差别 。 气体 产物为气化过程的主产物和目的产物，其成分主要为 及一些更高碳的碳氢化合物。热解气一般具有燃烧性能好，能量利用效率高等特点。半焦是一种富碳固体，挥发分含量较少，可用作工业用途，还可以作为肥料还田。液态产物 (生物油 )，是一种成千上百种碳氢化合物组分的复杂混合物。在一定情况下得到的液态产物量比较大，具有某些燃料油的特点，所以可以直接作为或者经过一定的处理之后作为燃料油应用，如生物质闪速裂解就是一种以制取生物油为主要目的的工艺。而在大多数情况下，气化过程中产生的液态物质产量非常小，并且性质粘稠，难以 利用，并对气化装置和用气设备造成危 害，成为气化过程中的有害物质， 一般称这种物质为焦油，需第一章 绪 论 6 尽量减少其产量或采取措施使其转化。 目前，已研究出的生物质气化的技术路线种类繁多，可以从不同的角度进行归类 10。根据燃气产生机理可分为热解气化 (不使用气化剂 )和反应性气化 (使用气化剂 )，其中后者又可以反应气氛的不同细分为空气气化、 富 氧气化、水蒸汽 气化、氧气一水蒸 汽 气化、空气一水蒸 汽 气化、氢气气化等。根据采用的反应器类型的不同，可分为固定床 (化、流化床 (气化、气流 床 (化 等。对于固定床气化，按照气流在反应器内的流动方式，又有上吸式 (下吸式 (、横吸式 (、开心式(等。而流化床气化可以进一步划分为鼓泡床、循环流化床、双流化床等工艺形式。另外，还可以根据气化规模的大小、气化反应压力等不同标准等对具体气化技术进行划分。 在上述热解气化反应器中，流化床具有结构简单，操作方便，易于放大的优点，所以在应用实践中受到特别的重视 11 等 11、 12在一个内径 15 流化床反应器中以水蒸汽为流 化介质进行了四种生物质原料（锯末、稻草、木片和蓟末）的气化实验，对每种生物质分别在 650、 700、 750与 780四个温度下进行了对比实验，并分别对气体、焦油和木炭的产量、气体 组份、产 气热值及碳的转化率等作了测量和计算。实验数据表明，随着温度的升高，四种生物质料均呈现木炭与焦油产量减少、产气量增大的趋势。这说明温度的升高有利于气化反应的充分进行。 吴创之等 13在一个内径 循环流化床气化炉上考察了橡胶木屑的气化特征。在当量比 围内，气体热值 ： 6930 7383气率： 转化率 干气体效率： 为了达到较高的气化效率和碳转化率，气化炉需要运行在较高温度。 D 14在评述前人研究成果的基础上，从经济性角度对生物质热解气化及其它常见能源利用方式进行了比较，结果发现生物质热解气化方式在经济性上具有比较大的优势。 从技术的角度对不同操作下气化过程的产气热值进行了对比，发现当流化气体中氧气成分占 80%时，产气的热值可以达到最大。 第一章 绪 论 7 生物质热解气化过程的特性还受到压力条件的影响。为了研究反应压力对生物质热解特性的影响， V 15、 16将蓝桉树末磨制并筛分至 106150目颗粒，在 70压力范围内于固定床内进行了一系列的热解实验。通过实验发现，当压力增大时焦油的产量随之减少，气体产物的产量则随之增大，而且这种趋势在 10 个大气压以下的较低压力范围内比较明显，当压力更高时焦油与产气量的变化则不明显。就气液两相产物的产量随压力变化的趋势， V 还将生物质与煤的热解特性做了比较。 上 述研究者通过实验研究对流化床内热解气化过程的特性给出了若干定性或定量的结论，但均未建立相应的热解气化模型。 通过生物质热解气化技术除了可以提取各种气体产品之外，还可以直接将热解气化产生的气体直接用于发电。国内的生物质气化发电技术已基本成熟，中国科学院广州能源研究所在江苏兴化建立了 4生物质联合循环发电示范电厂。该所研制的生物质气化发电系列技术设备已出口到泰国、台湾等东南亚国家和地区。通过对 1模的生物质气化发电机组进行的经济性分析表明，这种机组的成本回收期小于两年 20。可见，生物质能源不仅是一种 清洁、可再生能源，还是一种经济型能源。 化床中生物质热解气化过程模拟的研究进展 在流化床内生物质热解气化过程 模拟的研究中，模拟的模型可以分为两类，微观模型与宏观模型。现 将这两类模型的研究进展逐一 进行 介绍。 观模型 微观模型中，往往通过建立零维、一维、二维甚至三维模型方式将流化床的空间划分为若干个小单元，然后针对单个颗粒或颗粒群建立质量方程、动量方程和能量方程，通过联立求解方程组以及迭代求解等方法得到整个流化床空间内颗粒相与气相的分布，从而把握整个流化床内的生物质热解气化过程。如果不 考虑随时间的变化就是稳态模型，否则就是非稳态模型。 余春江等 21针对硬木颗粒热解过程中颗粒内部的二次反应建立动力学模型，模型中假设颗粒内部的气、固、液相处于局部热平衡状态，并且不考虑颗第一章 绪 论 8 粒的收缩与破裂。在适当选取转化率、本征穿透率、比热容、动力粘度等参数的基础上分别对半径为 1 5粒进行了计算，并对一次焦油、一次半焦、二次焦和二次半焦油的生成做了分析，并得出定性结论：小颗粒的焦油二次裂解可以忽略，而较大颗粒则需要充分考虑焦油二次裂解的过程。 22 对流化床内生物质颗粒的热解过程 进行模拟时，根据温度界面将生物质颗粒沿径向分为三个区域：传热已经完成的外层区域，传热正在进行的中间层区域以及温度界面尚未到达的内层区域。在考虑各种成分的质量配合、能量平衡以及动量平衡的基础上建立了一系列抛物型偏微分方程，并通过件求解出随时间和空间变化的温度、产气组分以及颗粒速度等参数。此外 对影响系统状态的若干因素进行了敏感性分析。 D23 为研究纤维素的热解行为建立了一维常压模型，其中考虑了对流、传导和辐射三种换热方式，考虑了通过漫射、对流和动量传递方式下的挥发性焦油及气体的输送，并将该模型与一定假设条件下的简化模型作了对比，该模型的不足是未能对产气组分做出预测。 A24在单颗粒模型的基础上建立了零维通用气固反应模型并将其应用于循环流化床内生物质快速热解过程的模拟。模型中考虑了传热、传质、化学反应以及颗粒收缩等结构上的变化，模型中还讨论了气流速度、颗粒尺寸、停留时间等参数对系统特性的影响。该气固反应模型可以预测总的转化率而不能对普遍关心的几种主要产气成分的份额作出预测。 F 25在圆形截面的流化床中沿对称轴方 向建立了一维模型，沿垂直方向将反应器划分为分属于密相区和稀相区的若干个小单元，在假设反应器处于稳定状态的前提下给出了一个通用算法。模型中考虑了流化床的传热传质行为，脱挥发分过程，气体和焦油的氧化，气化动力学及质量和能量平衡，预测了各种工况下 在泡相和乳化相中的容积份额随床高的变化。但模型中关于流化床稳定状态的假设以及脱挥发分过程是平衡过程从而可以用由能极小值来求取产气组分的假设均限了其通用性。 阴秀丽等 26在实验基础上建立了生物质循环流化床的一维单相数学模型。该模型综合考虑 了生物质气化化学动力学数据、快速流态化数据和原料的宽筛分特性，用 言建立了生物质循环流化床气化过程的数学模型，并第一章 绪 论 9 和实验结果进行了对比。 从以上分析可以看出，上述研究都有一个共同的特点，就是在建立模型时，都认为实际的过程是平衡的和确定的，而不考虑或不能考虑实际过程（特别是流化床内的生物质热解气化过程）的非平衡、非确定性的因素。 观模型 与微观模型相比，宏观模型最大的特点就是不再纠缠于单个生物质颗粒或颗粒群，而是从具体的生物质热解气化实验出发，通过对实验数据的分析、整理以获得对 生物质热解气化过程宏观上的把握。具体来说，宏观模型还可以分为两种，一种是从化学反应动力学出发，从小规模实验中整理出包括反应动力学参数在内的相对机理性的反应特性参数，另一种是从相对大型化的实验出发整理出相对经验性的公式或规律，这种方法虽然较少涉及内部机理但比较直观且应用性较强。 理性宏观模型 从化学成分的角度来说，生物质主要由纤维素、半纤维素和木质素三种成分组成，因此一些研究者分别针对上述三种主要成分进行热解气化的机理性研究。 7 和 8 先后提出关于 纤维素热解的模型，他们均认为纤维素热解过程的第一步是先分解为中间产物，然后再由中间产物进行后续的分解，每一步反应都有各自的反应常数。他们的热解机理分别见图 1 1 图 1热解模型 维素（ 半纤维素 K 发相（ 焦炭（ +气 第一章 绪 论 10 此后 et 29 还在 1985 年提出了新的模型，其中包括自催化过程。作者认为初级挥发分会通过几个竞争途径影响二次反应，初级挥发分或者聚 合成焦，或者生成轻挥发分，生成的轻组分又会催化加速初级挥发分生成轻挥发分，具体模型如图 1模型更适合于低温，低加热速率以及挥发相停留时间较长的情况，因为这些条件更有利于焦的生成。 图 1解模型 图 1纤维素热解模型 赖艳华等 30,31为了研究秸秆类生物质燃料热解规律，分别使用热重分析仪对玉米秸和麦秸进行了程序升温实验并进行了热重分析及差分热重分析的研究，在得出挥发份析出量与升温速率、温度区域及加热时间之间统计规律的基础上还计算了两种生物质料热解反应方程中的若干参数值。 验性宏观模型 由于流化床内的生物质热解气化过程是一个非常复杂的非线性过程，虽然不少研究者试图建立简单的化学反应机理模型对其进行描述，但事实表明简单轻质热解产物 自催化 纤维素 初级液体产物纤维素 初级焦炭纤维素 二级焦炭 焦油 K 纤维素（ 活性纤维素 K 发 分焦油 相（ 焦炭 1 焦炭 2 焦炭 3 第一章 绪 论 11 的机理模型虽然能在一定程度上反映实际过程的平均结果，却很难对如此复杂的非线性 过程做出理想的模拟和预测。因此许多研究者试图建立非线性的经验性宏观模型对高度非线性的过程进行模拟。这类模型虽然很难具体描述非线性过程的内在本质，但对其所表现的外在规律性却能够给出较好的总结和诠释，因此这种经验性宏观模型正在被越来越多的研究者采用。在所有的非线性经验性宏观模型中最常用的便是神经网络模型。 自二十世纪四十年代神经生物学家 数学家 2合作提出第一个神经计算模型以来，神经网络的研究开始蓬勃发展，并于五十年代后期迎来第一次高潮，其后由于某些研究者的悲观态度使得神经网络的 研究一度陷入低谷，但八十年代以来越来越多的研究者加入到神经网络的理论研究中来，不仅相继提