内胆式双热型生物质热裂解反应器设计及理论研究

【摘要】国内外生物质能源利用技术的研究现状表明,生物质热裂解制取生物油技术是各种生物质能源利用技术中最有前途的技术之一。生物质热裂解反应器是整个热解工艺设备中最重要的部分,其相关设计参数、内部结构形式等对热解产物的转化率和工艺系统装备的制造成本、能耗等均有重要影响。只有通过合理的热裂解反应器才能实现生物质颗粒的闪速升温和气相的快速析出,得到高产量和高品质的生物油。因此,对热裂解反应器的设计及相关理论的研究是生物质热裂解制取生物油技术中的关键环节。目前,现有的生物质热裂解反应器主要存在制造成本较高、加热效率低、产油率低、使用寿命低、工程放大困难等问题。本文针对现有各类生物质热裂解反应器的特点及不足之处,研究并设计了一种新型的内胆式双热型生物质热裂解反应器,并对其相关理论进行研究。该反应器以不凝气为流化气,利用外层热烟气和内胆中经烟气预热后的不凝气载气同时加热生物质原料和床料,以石英砂为床料,一方面提高了反应器的加热效率；另一方面,可使整个生物质热裂解制取生物油装置的总高度降低约50%,极大地减少了装置中钢材的消耗,降低了生物油的成本,为高效生物质热裂解反应器及相关工艺装备的研制和工程放大等提供理论支持和技术保障。根据生物质热裂解制取生物油的机理,考虑目前流化床反应器应用比较广泛且技术较成熟,但因加热速率低、需要外源供热,热裂解工艺系统装备高度大、制造成本高,实现工程放大较困难,且缺乏统一的设计模型。基于流化床反应器设计理论,提出一种流化式热裂解反应器的设计计算模型,为新型反应器开发和设计提供理论参考；根据该计算模型以最小气相停留时间为目标函数,对内胆式双热型生物质热裂解反应器的相关设计参数进行优化设计。利用能量守恒的原理,对内胆式双热型生物质热裂解反应器进行热平衡分析,结合供热和传热的特点,对该反应器的壁面传热模型、颗粒间传热模型和对流换热模型进行研究；分析并确定该反应器的热量平衡方程式和实现生物质快速热裂解的热平衡条件,为进一步对反应器内传质传热过程进行仿真研究奠定基础。基于流态化理论,建立内胆式双热型热裂解反应器的冷态实验台,针对不同工况进行实验研究,对不同进气方式、颗粒粒径、生物质颗粒和热载体颗粒混合配比、物料堆积高度以及分布板开孔率大小等参数对流化质量的影响规律进行研究,为生物质热裂解反应器优化设计提供参考依据。基于气体分子运动理论和颗粒动力学方法,建立内胆式双热型生物质热裂解反应器内的气固两相流动模型方程,并利用计算流体力学软件,对该反应器内颗粒冷态流化过程进行仿真分析,对不同工况和操作条件进行数值模拟和分析,并通过与冷态实验数据的比较分析,验证数值模型合理；考虑该反应器内热量传递规律,在原有流动模型的基础上,建立热-固耦合模型、热-流耦合模型,利用数值方法对内胆式双热型热裂解反应器进行多物理场耦合仿真研究,得到反应器壁面和内部流体的温度分布,满足实现生物质快速热裂解的热平衡条件。仿真结果一方面可以为进一步热态实验提供参考依据,另-方面验证所设计的反应器可行,能实现生物质的高效热裂解,为实现生物质热裂解反应器内部复杂动态性能的仿真、设计优化和工程放大等工程目标提供理论依据。
【作者】李三平；
【导师】王述洋；
【作者基本信息】东北林业大学，机械设计及理论，2014，博士
【关键词】生物质；热裂解反应器；耦合仿真；多物理场；热平衡；内胆式双热型；

【参考文献】
[1]张涛.海洋原位溶解氧检测仪设计与开发[D].浙江大学,生物医学工程,2013,硕士.
[2]罗丹.中国北车知识产权管理体系研究[D].北京交通大学,2013.
[3]蔡挺.基于OFDM技术Ka波段卫星通信系统降雨衰减特性及补偿方法的研究[D].吉林大学,通信与信息系统,2014,硕士.
[4]马炳奇.Stat3、HIF-1α、VEGF在胰腺癌组织中的表达及临床意义[D].青岛大学,外科学,2013,硕士.
[5]祝洁.“汶川地震”恢复期大众媒体的新闻框架分析（2009-2013）[D].华中师范大学,新闻学,2014,硕士.
[6]杨柯.保险业专业人才工作特征与职业生涯发展成效关系研究—胜任力特征视角[D].浙江大学,企业管理,2013,硕士.
[7]张永生.冷战后沙特对美政策演变及原因[D].河北师范大学,世界史,2012,硕士.
[8]陈苗,敖卫,王如意,刘嘉宁,张高文.氮掺杂TiO_2中空复合微球的制备及其可见光光催化性能[J].复合材料学报.
[9]耿建璞.桥梁盆式橡胶支座CAD系统的研究与开发[D].河北科技大学,机械制造及其自动化,2013,硕士.
[10]刘红霞.农民视角下的新型农村合作医疗制度运行状况研究[D].山东大学,社会保障,2013,硕士.
[11]苗新刚,胡品慧.预测控制偏差区间的一种工程化处理方法[J].控制与决策,2005,07:834-836+840.
[12]熊珊珊.丛枝菌根真菌的钙调素基因在共生早期信号转导及抗逆性中的作用[D].华中农业大学,微生物学,2013,硕士.
[13]张义.我国通胀预期的形成机制及管理对策研究[D].南京财经大学,金融学,2013,硕士.
[14]张印.IPTV业务在城域网络中的部署及实现[D].西安电子科技大学,计算机技术,2011,硕士.
[15]易仁娜.葫芦脲与某些染料的超分子包合作用研究及应用[D].山西师范大学,化学,2013,硕士.
[16]贾朔珣.POSS-PDIs的浓溶液自组装及其高效荧光发射聚合物微球的构筑[D].东华大学,材料学,2013,硕士.
[17]马志强.基于Android平台即时通信系统的设计与实现[D].北京交通大学,2009.
[18]赵燕.BH3 mimetics分子优化的量热学研究[D].大连理工大学,生物化学与分子生物学,2013,硕士.
[19]裴正林,王尚旭,狄帮让,宋炜.无组合检波采集方法的三维地震波数值模拟研究[J].石油地球物理勘探,2005,02:138-142+119-252.
[20]陈忠炜.D-型丝氨酸肾脏毒性研究[D].上海交通大学,药理学,2013,硕士.
[21]聂鹏.燃煤火电厂大气汞污染环境影响及其排放标准实施效果数值模拟研究[D].中国环境科学研究院,大气物理学与大气环境,2014,硕士.
[22]曹俊杰.一种基于工作流的办公自动化系统设计与实现[D].西安电子科技大学,计算机系统结构,2012,硕士.
[23]董帅君.行动规划中的任务排序和目标分配研究[D].西安电子科技大学,模式识别与智能系统,2012,硕士.
[24]王丽.论不纯正不作为犯之义务来源的先行行为[D].河北大学,法律,2014,硕士.
[25]鲍燕娇.公布行政违法事实的法律属性分析[D].苏州大学,宪法学与行政法学,2013,硕士.
[26]朱正群,刁楚朋.新机研制中新材料和热加工工艺的应用[J].航空工艺技术.1997(05)
[27]康成.国有企业集团固定资产投资与企业价值关系研究[D].山东大学,会计学,2012,硕士.
[28]张阳.大相国寺仪式音乐研究[D].天津音乐学院,艺术学,2013,硕士.
[29]张菲.hTMEM16A-特异性肽段/GST融合蛋白克隆、表达、纯化、多抗制备及hTMEM16A的克隆和真核表达载体的构建[D].华中师范大学,生物化学与分子生物学,2013,硕士.
[30]莫昕.电能质量在线分析仪的设计与实现[D].清华大学,电气工程,2002,硕士.
[31]李俊波.基于随机决策森林的室内场景语义标注[D].华南理工大学,计算机应用技术,2014,硕士.
[32]郎董君.基于Hedonic模型的基准地价修正体系建立研究[D].中国地质大学（北京）,土地资源管理,2013,硕士.
[33]陈志君.高校奖助学金制度研究[D].山东大学,法律（专业学位）,2013,硕士.
[34]崔玉.赵某某故意伤害案之分析[D].兰州大学,刑法学,2012,硕士.
[35]郭淑萍.城轨列车悬挂系统故障诊断研究及其工程实现[D].北京交通大学,2014.
[36]周慧明,马杰,杨明轩,陈君红.三维石墨烯宏观体的制备及其能源中的应用[J].能源与节能,2014,02:105-106+131.
[37]省静静.我国海洋经济发展与海洋生态环境保护制度的完善[D].宁波大学,经济法学（专业学位）,2013,硕士.
[38]贾仕刚.基于产权视角的广东民族地区农民的财产性收入研究[D].广东技术师范学院,民族学,2014,硕士.
[39]穆荣军,韩鹏鑫,崔乃刚.基于DBNs理论的多传感器信息融合方法[J].控制与决策,2009,09:1340-1344+1350.
[40]胡清波.论美籍学者孙康宜的文学经典研究[D].华中师范大学,文艺学,2014,硕士.
[41]陈甜甜.基于隐性知识的人力资源管理研究[D].天津大学,科学技术哲学,2013,硕士.
[42]惠文华.面向对象的地理空间模型和几何数据类型研究[D].长安大学,2003.
[43]刘洋.棉花铝诱导蛋白基因GhAlin对紫花苜蓿（Medicago sativaL.）的遗传转化[D].西南农业大学,生物化学与分子生物学,2004,硕士.
[44]尚丽辉,汪小帆.一类拥塞问题研究综述[J].控制与决策,2004,11:1201-1207.
[45]马丽娜.若干强极限定理及其在广义Bethe树上奇偶马尔可夫链场上的应用[D].河北工业大学,应用数学,2004,硕士.
[46]卢志红.信用评分模型在我国企业贷款评估中的应用研究[D].天津大学,数量经济学,2004,硕士.
[47]沈艳燕.The Language and Silence of Tillie Olsen[D].浙江大学,英语语言文学,2004,硕士.
[48]赵小伟.三参通脉颗粒剂制备工艺与质量标准的研究[D].北京中医药大学,中药制药学,2012,硕士.
[49]姚超.具有时滞的经济动力学模型的分支分析[D].哈尔滨工业大学,应用数学,2014,硕士.
[50]费倩怡.转Leptin的胎盘间充质干细胞对放创复合伤促愈作用的实验研究[D].吉林大学,口腔临床医学,2014,硕士.