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生物质在流化床中热解过程的动力学数值模拟

王益群  
【摘要】: 生物质热化学转化提供了一种经济有效的方法将生物质转化为常规气体、液体和固体燃料以替代化石燃料,缓解能源危机和温室气体污染问题。本文旨在建立生物质热解气化和热解液化过程的三维动力学模型,模拟并分析生物质热解转化过程不同操作条件对产物产率和分布的影响,为优化反应器设计和操作提供指导。近年来数值计算方法的进步和计算机计算性能的提高使计算流体动力学(CFD)数值模拟仿真应用到生物质热化学转化过程成为现实。通过CFD模拟生物质热化学转化在不同操作条件下的动力学过程,可以使发生在反应器内的动态过程实现可视化,有助于更好的理解和研究热化学转化过程的物理和化学现象。本文分别建立了不同生物质在流化床中空气气化制氢、水蒸汽气化制氢和快速热解制生物质油的过程的CFD模型,模型全面考虑了转化过程湍流、辐射传热、传质和化学反应的影响,研究分析了不同操作条件产物产率和分布,检验了模型的灵敏性和有效性。 本文通过建立废水污泥在流化床中热解气化过程的三维动力学模型,模拟并详细分析了污泥气化的动力学过程,根据温度场和产物浓度场分布信息分析,将反应器分为热解区、氧化区、气化区和干舷区,并通过分析不同操作温度和空气当量比ER对产物产率和分布以及温度场分布的影响,得出污泥气化为了得到更多的CO和H_2时适宜温度操作范围是1073~1273K,适宜ER取值范围是0.15~0.4,与文献总结的实验结果是一致的,证明了模型的灵敏度很高,有效性也很好。同时,通过考察合成气(H_2+CO)含量和H_2/CO摩尔比,分析了根据应用目的来提高合成气质量的可行条件。 通过构建生物质在流化床中气化动力学过程三维模型,模拟了松树屑在流化床中水蒸汽气化制氢气和稻壳在流化床中空气气化制氢气的过程,分析了气化剂的量和操作温度对氢气含量和分布的影响,并分析了实验操作设计的改进方法。 通过构建生物质在流化床中热解液化的三维动力学模型,再现了稻壳热解生物质油的过程。由于生物质热解生物质油机理复杂,缺乏足够精确的化学反应动力学实验数据,降低了模型的普适性,精确的动力学数据,对于模型完善和预测结果的准确性有决定性意义。 研究结果表明,计算流体动力学模型对于分析生物质热化学转化过程是一个有效的工具,包括分析实验操作条件选择、动力学过程可视化以及预测产物产率和分布方面,计算流体力学模型都显示出强大的功能。


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