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生物质热解动力学建模及锥式闪速热解装置设计理论研究

王述洋  
【摘要】: 中国一方面石油资源比较贫乏,目前每年缺少石油近亿吨;另一方面,每年都有4~5亿吨的各种农业秸杆、谷物壳皮和1.3~1.5亿吨的林业树皮、锯末、枝丫等剩余生物质有待利用。本论文的目的旨在试图建立一套适用于中国农林生物质特点的生物质能量预测、生物质热解动力学理论及转锥式生物质中温闪速热解液化装置设计理论,以期为我国高效益地利用被巨量浪费的农林废弃生物质,并将其经济、快速方便地转换成石油替代品——生物燃油产品,提供新技术、新理论和新方法。 本文较全面、系统地综述了国内外生物质热解液化制取生物燃油技术研究发展现状及存在的问题,主要研究内容有:(1)实验、测定了20种常见生物质的能量(发热量)和C、H、N元素含量,根据实验结果分别建立了以H和C为自变量的生物质能量预测经验公式,并通过R_(0.05)检验;为闪速热解液化装置能量转化率计算和生物质能量利用率计算提供了依据和方便;(2)选择了8种生物质试样作了等加热速率(10℃/min、20℃/min、40℃/min、60℃/min)和恒温加热的TG和DTG实验,根据实验数据和阿伦尼乌斯公式建立了生物质热解反应动力学微分方程,并采用Goast-Redfem积分法和P函数对其动力学参数进行了求解,解析出各种生物质的频率因子和活化能参数,进而建立了各种生物质的热解动力学模型,为科学确定反应器的闪速热解工作温度范围及热解反应动力学描述,提供了理论和依据;(3)为研究和确定不同尺度的生物质颗粒中心达到全热解的时间,在体视显微镜下对不同粒度的生物质颗粒的长径比进行了实验观察和测定,得出生物质的长径比(L/D)一般在5.0~6.0之间,平均为5.3的结果;(4)采用复杂温度场传热学理论对生物质传热过程及充分热解时间理论进行了研究,解析推导出了不同尺寸生物质颗粒中心温度达到充分热解温度的时间(T),得出了理论推导的充分热解时间与最大产油率的热解时间相一致的结果,为闪速热解反应器固相滞留时间设计和预测提供了理论依据;(5)根据上述实验结果,综合运用工程力学、工程材料、机械设计学原理,推导、建立了转锥式闪速热解反应器物料滞留时间(τ)与转速(或频率)合理匹配理论;(6)提出了转锥式闪速热解反应器的最小锥角设计、锥壁强度设计、生产能力设计理论和功率计算方法及临界转速理论等。 该论文研究结果为生物质闪速热解液化转化生物燃油关键设备——锥式生物质闪速热解反应器设计和研制提供了应用基础理论和依据;为经济、高效、环保地利用每年被巨量浪费的农业秸杆、谷物壳皮和林业剩余物等废弃生物质,提供了科学的依据和可行的技术方法和模式。


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