热管翅生物质气化炉间接气化特性的研究

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由于化石能源的日益耗尽和带来的环境问题,各国政府和科学家对资源丰富、可再生性强、有利于改善环境的生物质资源的开发利用给予了极大的关注。生物质气化技术是生物质能源利用方式中的主要技术之一,对其研究有着重要的意义。本文针对热管翅生物质间接供热气化炉进行了冷态试验和数值模拟研究,主要研究工作和结论如下:  (1)设计并搭建了热管翅生物质间接供热气化炉的冷态试验台,对稻草颗粒进行了冷态流化试验,研究了不同开孔率分布板、不同床层高度和不同颗粒粒径条件下稻草颗粒的流化性能,得到临界流化速度和流化性能曲线。试验结果表明:不同床层高度条件下,流化床中生物质物料的床层压降会随着床层高度的升高而增加,但生物质颗粒的临界流化速度基本不变;在不同稻草颗粒粒径条件下,随着颗粒粒径的增大,不同颗粒粒径对应的临界流化速度也逐渐变大,同一床层高度,随着颗粒粒径的增大,床层的压力将逐渐变小;对于不同开孔率的分布板,在同一床层高度条件下,不同稻草颗粒粒径分布范围的临界流化速度基本不变。  (2)在生物质气化炉冷态试验的基础上,通过合理的假设,在FLUENT软件中建立了热管翅生物质气化的动力学模型,并进行了数值模拟计算,计算得出了气化炉内的温度和气体组分分布图。通过对不同工况下的计算结果的分析,得出了床层温度、水蒸汽质量/生物质质量(S/B)、热管翅排列方式和热管翅倾角等参数对气化过程的影响。  模拟结果表明:  ①气化炉轴向方向上,随着床层高度的增加,温度、H2、 CO物质的量分数逐渐增大,CO2、 CH4物质的量分数逐渐减小;径向方向上,由中心到内壁,温度、H2、 CO物质的量分数逐渐增大,CO2、 CH4物质的量分数逐渐减小。②气化温度对气化结果有一定的影响,在650℃~900℃范围内,H2的体积分数在50%~55%之间,随着气化温度的升高而增加;CO2的体积分数在10%~20%之间,随着气化温度的升高而减小;CH4的体积分数基本上不随温度的改变而发生变化;气化效率、碳转化率、气体热值和气体产率随着气化温度的升高而增大。综合考虑,气化温度在800℃时,气化效果较好。  ③S/B在1~5范围内,H2的体积分数在55%~60%之间,随着S/B的增加而缓慢增大,CO的体积分数在28%~33%之间,随着S/B的增加而减小,CO2的体积分数、气化效率、碳转化率和气体产率逐渐随着S/B的增加而增大,气体热值逐渐随着S/B的增加而减小。综合考虑,S/B在2~3时,气化效果较好。  ④热管翅排列方式和热管翅倾角主要是通过对床层温度的影响,而对气化结果产生影响。  (3)在相同床层温度条件下,热管翅生物质气化的气体热值明显高于文献中的轴向供热的气体热值,反应更充分,在工业应用中更有优势。  本文的试验和模拟分析的结果为热管翅生物质气化炉的工业化应用奠定了基础,对生物质能源的合理利用有着较为重要的意义。
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