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生物油热物性及生物质热解气喷雾冷凝过程的关键问题研究

谢鲲  
【摘要】: 生物质能源的有效利用对于我国经济社会的可持续发展具有重要的战略意义。生物质热解液化制取生物油是最有可能率先实现商业化应用的技术途径。在这一过程中,热解气的冷凝速度是影响生物油品质和出油率的关键因素之一。 生物油的冷凝过程十分复杂,主要体现在:生物油化学成分复杂,水分占总重量的25%~30%,其余主要为含氧有机物,并呈现强极性。和纯物质在一定压力下具有单一的冷凝温度不同,多组分冷凝是在一个温度范围内进行的,并且,在不同温度下,液相和气相的成分也存在很大差异。研究生物油热解气的冷凝及生物油制备、应用中的其他热工过程,都需要较完善的生物油热物性数据,但是目前这方面的研究工作还没有较系统的开展。本文在对生物油的热物性展开系统的实验和理论研究的基础上,针对生物质高温热解气的快速冷凝中的关键问题开展研究工作。主要工作包括:生物油热物性及添加有机助剂影响的实验测定、生物油热物性及气液相平衡特性的理论预测、生物质热解气喷雾冷凝的传热传质研究。 首先利用基于蒙特卡洛随机近似的热探针方法的热物性测量装置,对生物油在不同温度下以及加入不同添加剂时的热导率与比热容值进行了实验研究。 在实沸点蒸馏曲线的基础上采用虚拟组分法和连续热力学方法建立了生物油多元体系的热物性和气液相平衡理论模型,由于模型中采用虚拟正构烷烃假设处理全馏程馏分,预测结果的精度难以令人满意,但是证明了连续热力学应用于多组分复杂体系具有更好的优越性。在这一基础上建立了基于连续热力学方法的修正模型并估算了不同温度下生物油的热物性和相平衡特性、水的初始质量对于生物油体系的作用以及添加剂的影响,预测值与实验值吻合良好。 喷雾冷凝是实现快速冷凝的有效方法。本文以生物质热解气的关键组分所形成的多组分体系为研究对象,采用多组分体系传热传质经典的膜模型,使用Maxwell-Stefan方程描述其质量传递,结合气液相际传质的特点,进行了喷雾冷凝过程中的传热传质耦合计算。通过计算获得了液滴直径、液滴平均温度以及混合气体平均温度的变化规律,并探讨了初始流速、喷雾液滴直径和气液流量比对热解气冷凝过程的影响。


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