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生物油浆气化特性试验与模拟研究

作　者: 汪翔
导　师: 陈汉平
学　校: 华中科技大学
专　业: 热能工程
关键词: 生物油浆气化等离子体 CFD
分类号: TK6
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

生物质能是世界上第四大能源，具备环境友好和可再生等特性。但是生物质本身存在分布分散，体积大，含水量高和能量密度低等缺点，导致运输成本高和前处理过程复杂，严重阻碍生物质的大规模高效利用。随着热解技术的日益成熟，生物质能够被更深程度地转化为生物炭，生物油和燃气。由于生物炭和生物油具有高能量密度的性质，于是可以提出一种新的方法——将生物炭粉悬浮于生物油中制备生物油浆以提高其运输能力和能量密度，尤其是对于远距离运输。因此通过生物油浆技术能够在一定程度上解决生物质在常规利用中普遍存在的问题，使得生物质的大规模和高效率利用成为可能。本研究将围绕生物油浆的高温高效率等离子体气化展开。为检测制得的生物油浆能否满足燃料的燃烧/气化需求，首先将对其相关理化特性进行测试，包括原料的工业分析和元素分析，发热量，生物炭颗粒的粒径分布，生物油浆的体积密度，静态稳定性及流动特性等。测试结果表明，当生物炭浓度<20wt%时，制得的生物油浆能够很好的满足燃料的燃烧/气化需求，同时高温和低生物炭浓度有利于生物油浆的流变特性。为探究生物油浆在常规热转化技术下的热解/气化特性，分别在热重分析仪和实验室规模的固定床反应系统上研究不同升温速率和不同热解制焦温度下的生物油浆的CO2气化反应性以及不同温度和不同气化介质对反应特性的影响。实验结果表明，在热重实验中，得到快升温速率下的生物油浆的CO2气化阶段活化能最低，而800℃的热解制焦温度为最佳。在生物油浆气化实验中，发现高温和水蒸气的加入有利于CO和H2的产生，但是CO2气氛会抑制H2和CH4的生成。为进一步深入探讨生物油浆的等离子体气化特性，将分别从理论模型和试验两个方面同步进行，考虑建模的复杂程度，先仅对生物油进行研究。在利用Chemkin建立的生物油高温水蒸气气化反应机理的基础上，建立基于三相交流等离子体反应器的计算流体动力学和反应动力学耦合的生物油浆气化模型，以模拟进料速率，氮气载气流量和模型化合物比例对模拟结果的影响。在试验方面，将进行在三相交流等离子体反应系统上的纯氮气温度测试试验，然后将其同非绝热条件下的模拟结果进行比较，最后模拟非绝热条件下的生物油浆等离子体气化反应。模拟和试验工作表明，选用甲苯和萘的混合物作为生物油的模型化合物，并利用Chemkin建立的生物油高温水蒸气气化反应机理，从热动力学角度验证为可行的。在绝热条件下的计算流体动力学和反应动力学耦合模型中，得到最佳反应条件下的生物油转化率为100%，能量利用率为32.3%，同时在该条件下不同C10H8/C7H8比对气体成分和转化率的影响很小。在非绝热条件下考虑DTRM辐射模型的温度场模拟结果能够对三相交流等离子体氮气试验的温度场进行预测，但是在该模型中加入生物油后，模拟结果表明能量利用率很低，其主要是因为大量散热的存在，因而在实际试验中应加强保温措施，提高能量利用率。

全文目录

摘要  4-6
ABSTRACT  6-10
1 绪论  10-20
  1.1 研究背景  10-13
  1.2 国内外研究现状  13-18
  1.3 研究内容  18-20
2 生物油浆理化特性与热重 CO2气化反应性研究  20-33
  2.1 样品特性分析  20-27
  2.2 生物油浆 CO2气化反应性研究  27-32
  2.3 本章小结  32-33
3 生物油浆热解气化特性实验研究  33-45
  3.1 实验设备和方法  33-34
  3.2 生物油浆热解实验  34-39
  3.3 生物油浆水蒸气气化实验  39-42
  3.4 生物油浆 CO2气化实验  42-43
  3.5 不同气氛下生物油浆气化的产气特性  43-44
  3.6 本章小结  44-45
4 生物油高温水蒸气气化机理探究  45-54
  4.1 模型化合物的选择  45
  4.2 生物油高温水蒸气气化机理的建立  45-47
  4.3 Chemkin 模型的建立，检验和敏感性分析  47-53
  4.4 本章小结  53-54
5 绝热条件下生物油等离子体气化二维 CFD 及反应动力学耦合模型  54-68
  5.1 三相交流等离子体反应器几何条件  54-55
  5.2 数学模型  55-58
  5.3 Fluent 耦合模型敏感性分析  58-67
  5.4 本章小结  67-68
6 非绝热条件下的模型与试验温度场的比较  68-79
  6.1 三相交流等离子体反应系统简介  68-70
  6.2 氮气试验数据分析  70-72
  6.3 非绝热条件下的模拟分析  72-74
  6.4 试验同模拟结果的比较  74-76
  6.5 非绝热条件下的生物油气化模拟  76-78
  6.6 本章小结  78-79
7 总结与展望  79-82
  7.1 全文总结  79-80
  7.2 研究创新点  80
  7.3 建议和展望  80-82
致谢  82-84
参考文献  84-90
附录攻读硕士期间发表论文及参与项目  90

生物油浆气化特性试验与模拟研究

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