生物質(zhì)熱解氣冷凝及生物油燃燒的實(shí)驗(yàn)研究與數(shù)值模擬.pdf

1、生物質(zhì)作為綠色潔凈的可再生能源，具有良好的開發(fā)應(yīng)用前景。在無(wú)氧和中溫（500℃左右）條件下，通過(guò)快速熱解可以將生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為熱解氣和炭粉，熱解氣再經(jīng)過(guò)快速冷凝獲得生物油和不凝性的可燃?xì)?。熱解氣的冷凝效果不僅影響生物油的產(chǎn)率和組成，而且對(duì)生物油的品質(zhì)也有重要影響。現(xiàn)階段生物油最為經(jīng)濟(jì)的應(yīng)用方法是直接燃燒?；诖吮尘?，本學(xué)位論文通過(guò)分析生物油的理化特性、蒸發(fā)和燃燒特性、霧化特性以及生物質(zhì)熱解氣的性質(zhì)，建立了生物油和熱解氣的模型化合物體系，并通

2、過(guò)實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬技術(shù)研究了熱解氣冷凝和生物油燃燒特性。
　　分析了生物油的元素組成、化學(xué)成分、以及水分、熱值、粘度、表面張力、比熱容和密度等物性參數(shù)，并對(duì)測(cè)量方法進(jìn)行了介紹和總結(jié);詳細(xì)地闡述了水分與熱值之間的關(guān)系以及生物油-低碳醇體系的粘度和表面張力隨溫度的變化情況;分析了不可冷凝氣的組成成分，并對(duì)其物性參數(shù)進(jìn)行了計(jì)算。研究結(jié)果表明:生物油的碳含量較低、氧含量較高、氮和硫含量幾乎為零;水分含量約30％;稻殼生物油的干基熱值約為23

3、.4MJ/kg。生物油-低碳醇體系的粘度隨著溫度增加逐漸降低并趨于恒定;生物油的表面張力與溫度呈線性遞減的關(guān)系;生物油-低碳醇體系的粘度和表面張力隨著醇類物質(zhì)添加量的增加而降低。不可冷凝氣主要由CO、CO2、N2、H2、CH4等氣體組成，通過(guò)計(jì)算得到了不可冷凝氣的平均密度、分子量、熱值和比熱容等物性性質(zhì)。
　　采用熱分析技術(shù)研究生物油的蒸發(fā)和燃燒特性，并進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)分析。結(jié)果顯示:生物油的蒸發(fā)過(guò)程分為低沸點(diǎn)物質(zhì)揮發(fā)和大分子裂解兩個(gè)

4、階段，生物油的燃燒過(guò)程分為低沸點(diǎn)物質(zhì)揮發(fā)、大分子裂解和焦炭燃燒三個(gè)階段。一級(jí)反應(yīng)模型和三維球形收縮模型在中低溫區(qū)對(duì)生物油的蒸發(fā)和燃燒動(dòng)力學(xué)擬合度較高，而三維球形擴(kuò)散模型在高溫區(qū)對(duì)生物油的蒸發(fā)和燃燒動(dòng)力學(xué)擬合度較高。在中低溫區(qū)生物油的蒸發(fā)活化能在50～65kJ/mol的區(qū)間內(nèi)，燃燒活化能在40～50kJ/mol的區(qū)間內(nèi)，說(shuō)明燃燒比蒸發(fā)更加容易發(fā)生;焦炭燃燒過(guò)程（第三階段）的失重活化能為87.55kJ/mol，燃燒放熱活化能為106.62k

5、J/mol。
　　采用高速攝影儀和MATLAB軟件對(duì)生物油霧化特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。當(dāng)生物油溫度為35℃時(shí)，隨著蠕動(dòng)泵轉(zhuǎn)速的增加，生物油的霧化角呈先增大后減少的變化趨勢(shì)，其最大值為47.10°。隨著噴射距離的增加，生物油液滴的索特平均直徑(SMD)呈現(xiàn)先增大后減小再緩慢增加的變化趨勢(shì)，而液滴數(shù)目呈現(xiàn)先減小后增加的變化趨勢(shì)。在生物油溫度為35℃、蠕動(dòng)泵轉(zhuǎn)速為300r/min的條件下，霧化液滴的冷凝和燃燒效果最好。
　　通過(guò)對(duì)生物

6、油進(jìn)行GC-MS和TG-DSC分析，建立了4個(gè)可冷凝氣的五組分模型。對(duì)比生物油與可冷凝氣模型的元素組成、水分含量和TG-DSC曲線，結(jié)果發(fā)現(xiàn):誤差最小的模型組成為CH3OH、H2O、CH3COOH、C5H4O2和C6H5OH，質(zhì)量百分?jǐn)?shù)依次為:32.62％、44.62％、13.12％、4.45％和5.19％。通過(guò)對(duì)不可冷凝氣進(jìn)行氣相色譜分析，建立了不可冷凝氣的4組分模型，其組成為CO、CH4、CO2和N2，質(zhì)量百分?jǐn)?shù)依次為:32.16％

7、、4.44％、38.58％和24.81％。通過(guò)分析熱解液化實(shí)驗(yàn)的氣液產(chǎn)率比，將可冷凝氣與不可冷凝氣的模型化合物整合為9組分的熱解氣模型。
　　利用Aspen Plus軟件，對(duì)流量為700kg/h、溫度為450℃的熱解氣冷凝過(guò)程進(jìn)行模擬。模擬結(jié)果表明:噴淋液流量為9107kg/h，冷卻水流量為6523kg/h，生物油出口溫度為40℃;列管式換熱器的換熱面積為20.50m2，總換熱功率為192.4kW，總傳熱系數(shù)為850.0J/(s·

8、m2·K)。
　　建立了熱解氣兩級(jí)冷凝實(shí)驗(yàn)裝置，第一級(jí)以恒溫甘油為冷凝介質(zhì)對(duì)熱解氣進(jìn)行直接接觸式冷凝，第二級(jí)以液氮為冷凝介質(zhì)進(jìn)行間接接觸式冷凝。結(jié)果顯示:在甘油溫度為110℃時(shí)，第二級(jí)冷凝器收集到的生物油品質(zhì)最好，干基熱值最高（28.90MJ/kg），水分產(chǎn)率和乙酸產(chǎn)率均達(dá)到最低值，分別為9.3％和0.368％。該冷凝方式不僅可以提高生物油的品質(zhì)，還能對(duì)水和酸進(jìn)行初步分離。
　　建立了一套生物油霧化燃燒系統(tǒng)，并進(jìn)行了生物油霧

9、化燃燒實(shí)驗(yàn)。生物油著火點(diǎn)溫度較高，生物油霧化液滴需要在環(huán)境溫度約為250℃且有明火的條件下才能點(diǎn)燃，并能夠在10分鐘內(nèi)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定燃燒。生物油完全燃燒時(shí)， CO排放量低于80ppm，NO排放量低于100ppm，符合鍋爐煙氣排放標(biāo)準(zhǔn)。通過(guò)增加生物油流量、供氧量和燃燒室內(nèi)徑以及降低燃燒室外壁面的散熱速率等手段，提高燃燒室溫度，最高可達(dá)1400K以上。
　　采用FLUENT軟件對(duì)上述燃燒系統(tǒng)進(jìn)行了三維數(shù)值模擬，結(jié)果與熱重分析類似。生物油的燃

10、燒過(guò)程可分成三個(gè)階段:第一階段主要為小分子物質(zhì)的蒸發(fā);第二階段主要為生物油燃燒和大分子物質(zhì)的裂解，并伴隨著小分子和焦炭物質(zhì)的生成，同時(shí)，小分子成分從生物油霧化液滴中逸出并燃燒;第三階段主要為焦炭的燃燒。在燃燒室的后半段，當(dāng)空氣流量不變時(shí)，隨著生物油流量的增加，燃燒室溫度呈先增加后減少的變化趨勢(shì)，O2含量逐漸降低，CO2含量逐漸增加并趨于恒定，CO含量迅速增加，NO含量變化不大;當(dāng)生物油流量不變，空氣過(guò)量系數(shù)從0.8增加到1.4時(shí)，燃燒室