生物質(zhì)熱解油霧化燃燒及氣化的實驗研究與數(shù)值模擬.pdf

1、能源危機及環(huán)境問題隨著人類社會的快速發(fā)展日益嚴重，迫切需要開發(fā)可再生能源并實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。生物質(zhì)能作為唯一可再生碳源，具有可儲存運輸?shù)奶攸c，通過快速熱解可以轉(zhuǎn)化為生物油、可燃氣以及炭粉。生物油的品質(zhì)較差，與傳統(tǒng)化石燃料具有較大差異且不能互溶，最為經(jīng)濟和方便的應(yīng)用方法是直接燃燒，最具有前景的高品位應(yīng)用方法是生物油分散制造、集中氣化合成車用燃料?；诖吮尘?，本學(xué)位論文通過實驗和數(shù)值模擬技術(shù)較為系統(tǒng)地研究了生物油的霧化燃燒及氣化特性，設(shè)計建立

2、了生物油燃燒和氣化應(yīng)用裝置。
　　 在空氣氣氛下采用熱失重技術(shù)研究生物油及其與小分子醇的混合燃料的燃燒性能，并與柴油和重油的燃燒性能進行對比。結(jié)果表明：生物油及其與小分子醇的混合燃料的燃燒都可分為三個階段，即輕組分揮發(fā)、重組分裂解和焦炭燃燒：混合燃料中小分子醇質(zhì)量分數(shù)不宜超過26％，否則其燃燒段的活化能增大，且熱解焦炭所含有機官能團強度變?nèi)?，燃燒性能反而變差；生物油揮發(fā)性能及其焦炭燃燒性能均優(yōu)于重油。
　　 采用相位多普

3、勒粒子分析儀，研究生物質(zhì)熱解油噴霧特性。生物油的索特平均直徑沿著軸向距離的增加呈先減小后增大的趨勢，而沿著徑向呈單向增大的趨勢；隨著氣液質(zhì)量流量比的增加，液滴的平均直徑不斷減小，但減小趨勢變緩；柴油霧化性能最好，生物油最差，添加甲醇或乙醇能增強生物油的霧化性能；利用試驗數(shù)據(jù)擬合得到了生物油索特平均直徑的經(jīng)驗公式。
　　 利用流體力學(xué)軟件FLUENT分別對重油和生物油在旋流燃燒室內(nèi)的燃燒進行了數(shù)值模擬，對比研究了兩種燃料的燃燒和污

4、染物排放特性，考察了旋流強度對生物油燃燒特性的影響。模擬結(jié)果表明：旋流燃燒室內(nèi)存在中心回流區(qū)，生物油燃燒時回流區(qū)面積和回流量均小于重油；重油燃燒的氣體組分分布的模擬結(jié)果與文獻測量值較吻合，爐膛最高溫度比生物油燃燒高300K，CO和NO的排放量均比生物油高；隨著空氣旋流強度的增加，生物油燃燒時爐膛內(nèi)回流區(qū)和回流量增大，CO的排放得到有效抑制，而NO排放量先升高后降低；生物油可以替代重油燃燒應(yīng)用于很多工業(yè)場合。
　　 對實驗室自砌小

5、型窯爐裝置內(nèi)生物油的燃燒進行三維數(shù)值模擬，獲得了爐膛流場、溫度場、組分分布、火焰形狀及污染物排放的詳細信息，揭示了爐膛內(nèi)部流動、燃燒及傳熱傳質(zhì)過程的特點。模擬結(jié)果與試驗數(shù)據(jù)吻合良好，驗證了模型的可靠性。根據(jù)實驗和模擬結(jié)果對窯爐燃燒系統(tǒng)進行優(yōu)化，縮小了爐膛體積，簡化了爐膛結(jié)構(gòu)，更換了霧化噴嘴。進一步的燃燒實驗和模擬結(jié)果表明：改造后的窯爐燃燒系統(tǒng)達到同樣霧化效果所需的霧化空氣量顯著降低；雖然生物油流量減小，但燃燒室的最高溫度(1450K)高

6、于改造前的窯爐；霧化空氣流量的增加可以減小霧化平均粒徑、增強油氣混合，從而縮短液相停留時間，增加燃盡程度；但霧化空氣流量過大時，會攜帶燃料快速移動，導(dǎo)致部分未燃盡組分直接逃逸出爐膛；空氣霧化流量2.0kg/h時，煙氣中的一氧化碳濃度最小。隨著過量空氣系數(shù)的增加，區(qū)域內(nèi)氧氣濃度、混合氣體的速度增加，湍流和燃燒質(zhì)量提高，CO濃度不斷降低，NO濃度升高；在最佳過量空氣系數(shù)1.22時，CO和NO濃度都在一個較低的水平。溫度和污染物的排放濃度的模

7、擬值和測量值吻合較好。
　　 根據(jù)生物油燃燒特性的研究結(jié)果設(shè)計建立了一套模擬燃油鍋爐的生物油燃燒裝置，并進行了燃燒實驗，獲得了最佳運行參數(shù)。生物油燃燒前需要將爐膛預(yù)烈到250℃，在有明火的條件下噴入生物油，即可點燃，但此時的燃燒不穩(wěn)定，火焰位置較靠下游。隨著燃燒時間的增加，火焰向前移動，監(jiān)測點的溫度增加，當燃燒約25分鐘后，距噴口1.5m處的溫度基本保持不變，此時燃燒穩(wěn)定，污染物排放低于排放標準。
　　 生物油在氮氣下的

8、熱失重曲線表明氣化分為揮發(fā)和熱解兩個階段，升溫速率的增加能減少固定碳的生成，增加氣化效率。建立了生物油小型氣化裝置，通過實驗和FLUENT模擬研究生物油的氣化特性。氣化爐內(nèi)溫度分布的模擬結(jié)果與實驗值吻合較好；相同生物油流量下，載氣可以阻止生物油組分間的反應(yīng)炭化，但載氣較大時會減小氣化氣體反應(yīng)時間，使得氣化不完全；通過計算，氣體停留時間約1s以上時氣化質(zhì)量較高。部分供氧氣化試驗結(jié)果表明，CO2的產(chǎn)率隨著當量比增加而線性增加，可燃氣體產(chǎn)率隨

9、著當量比的增加先減小后增加，碳轉(zhuǎn)化率提高，這是因為氧化反應(yīng)使得局部區(qū)域反應(yīng)溫度上升。實驗和模擬結(jié)果表明，部分生物油完全燃燒為其他生物油的氣化提供熱源是實現(xiàn)自熱式高效氣化的關(guān)鍵。
　　 對生物質(zhì)熱解液化技術(shù)進行了經(jīng)濟性分析，證明了該技術(shù)實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化后具有良好的經(jīng)濟性：生物油替代化石燃油燃燒應(yīng)用具有較好的經(jīng)濟效益；在費托合成工廠規(guī)模較大時，生物油氣化替代生物質(zhì)氣化制備合成氣的成本較低。此外，生物油的生產(chǎn)和利用還將帶來顯著的社會效益和環(huán)