针对秸秆颗粒的回转式间接燃烧装置研发

【摘要】：生物质燃料,特别是秸秆类生物质具有碱金属含量高、低灰熔点等特点,在常规锅炉的燃烧利用过程容易出现各种问题,比如结渣、沉积以及腐蚀等问题。本文在总结国内外生物质气化燃烧相关文献基础上,尝试结合流化床的低温、蓄热量大的特性以及回转炉的机械混合、强制扰动的特点,提出了一种含床料的回转式间接燃烧装置,其本质为一个结合了生物质回转式气化器以及气化气燃烧的生物质分级燃烧设备。课题以该回转式气化反应器为核心,实现了从概念提出、主体设计到实验台搭建以及完成热态实验的全过程。本研究首先通过热解实验确定了棉杆颗粒燃料的热解产物特性,分析了棉杆颗粒燃料在不同温度工况下的热解三相产物比例、热解气组分以及单位质量燃料产气量(mol/kg)的变化情况。试验获取的热解燃气产量作为后续回转式气化模型计算中的一项重要基础数据。本研究还利用热重分析方法确定了棉杆颗粒与棉杆粉状燃料的热解过程以及后续半焦燃烧过程的动力学特性,求解了棉杆颗粒燃料和棉杆粉状燃料的热解活化能分别为46.2和47kj/mol。本研究针对新型回转式生物质汽化器进行了设计计算。根据设计燃料的元素组成与工业分析,计算燃料气化燃烧需氧量、烟气排放等因素,综合考虑设计理念确定回转式气化炉的主体结构尺寸；设计满足生物质大颗粒成型燃料持续稳定供给的的螺旋给料机,改装以燃气为燃料的二次燃烧室,通过管路连接给风、预热、给料、回转气化炉、二次燃烧室、尾气处理以及烟气排出等部分,完成以新型回转式气化炉为核心的系统流程设计；最后对含床料的回转式气化炉流场流动状况进行冷态模拟,得到其速度流场与矢量图以及湍动能图,模拟结果显示反应核心床料区具备较好的扰动混合特点,可以满足生物质气化反应要求。本研究搭建了该气化器的验证试验台并进行了热态实验,以棉杆颗粒燃料作为实验原料,通过控制一次风量、给料量等条件,顺利实现气化炉内在适当温度下维持稳定工况的气化过程,得到典型工况条件下气化炉的燃气成分、燃气热值、产气率以及气化效率等参数。以回转式气化炉为研究对象,着重研究了生物质气化炉气化参数随过量空气系数、回转炉转速以及温度等不同工况条件的变化情况,发现实验条件下ER大致在0.25-0.3之间,转炉转速在3r/min,在600-650-C温度范围内有较好的燃气组分、热值、气化效率以及他转化率。此外,还对气化反应器底灰、半焦分布特性等进行分析,探讨回转炉内部底灰的分层分布情况,并对底灰的粒径分析统计以及残炭含量等,为理解床料区内部气化过程及回转炉的排渣设计提供参考和依据。本研究以生物质热解实验数据、气化反应动力学关系和热态试验数据为基础,根据反应过程热平衡和物质平衡建立了反应器综合模型并进行求解。对比模型结果与实验数据,发现二者总体变化趋势吻合,燃气单位时间产率随过量空气系数变化的计算结果与实验较为吻合。通过模型研究加深了对气化过程反应机理的理解以及为气化反应器的改进优化提供参考。 【关键词】：生物质颗粒燃料 回转式 气化 分级燃烧 动态平衡 模拟
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TK6
【目录】：

• 致谢4-6
• 摘要6-8
• Abstract8-12
• 1 绪论12-18
• 1.1 引言12
• 1.2 生物质能特点12-13
• 1.3 生物质成型燃料13-14
• 1.4 生物质能利用技术14-15
• 1.5 本文主要研究内容15-18
• 2 生物质气化技术以及反应器综述18-25
• 2.1 引言18
• 2.2 生物质气化设备的研究进展18-22
• 2.2.1 固定床反应器18-20
• 2.2.2 流化床反应器20-22
• 2.3 回转式反应器的国内外研究现状22-24
• 2.3.1 回转炉国内研究现状22-23
• 2.3.2 回转炉国外研究进展23-24
• 2.4 本章小结24-25
• 3 生物质热解特性实验研究25-37
• 3.1 引言25
• 3.2 秸秆颗粒燃料管式炉热解气化特性25-31
• 3.2.1 实验装置25-26
• 3.2.2 试验燃料准备26-27
• 3.2.3 不同温度对颗粒燃料热解产物的影响27-30
• 3.2.4 燃料种类与粒径对热解产物的影响30-31
• 3.3 秸秆颗粒燃料热解动力学特性31-35
• 3.3.1 实验设备31-32
• 3.3.2 热重实验结果分析32-33
• 3.3.3 化学动力学参数求解33-35
• 3.4 本章小结35-37
• 4 回转式颗粒燃料气化燃烧试验系统37-50
• 4.1 引言37
• 4.2 试验系统设计过程37-46
• 4.2.1 燃料燃烧特性计算37-38
• 4.2.2 炉膛形状尺寸确定38-41
• 4.2.3 秸秆颗粒燃料给料机设计41-45
• 4.2.4 二次燃烧室45-46
• 4.3 实验系统组成46-47
• 4.4 实验设备流场流动特性47-49
• 4.5 本章小结49-50
• 5 回转式气化炉运行和间接燃烧实验研究50-69
• 5.1 引言50
• 5.2 实验部分50-51
• 5.2.1 实验材料准备50
• 5.2.2 实验点火过程及点火特性50-51
• 5.3 回转式燃烧炉气化燃烧实验过程及结果分析51-67
• 5.3.1 回转炉转速对生物质气化的影响52-55
• 5.3.2 温度对生物质气化的影响55-57
• 5.3.3 当量比(ER)对生物质气化的影响57-59
• 5.3.4 回转式燃烧炉气化燃烧整体工况分析59-63
• 5.3.5 回转炉底灰与残炭分布特性分析63-67
• 5.4 本章小结67-69
• 6 生物质气化动态平衡模型模拟69-80
• 6.1 引言69-70
• 6.2 回转炉内生物质气化模型建立70-75
• 6.2.1 生物质气化过程及物理化学原理70-72
• 6.2.2 回转炉内动力学平衡气化模型的建立72-75
• 6.3 回转炉动力学平衡气化模型计算及结果分析75-79
• 6.3.1 模型的计算75-76
• 6.3.2 模型计算结果分析76-79
• 6.4 本章小结79-80
• 7 全文总结与工作展望80-86
• 7.1 主要研究总结80-83
• 7.2 主要创新点83
• 7.3 未来的研究展望83-86
• 参考文献86-90
• 作者简历90

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