生物质裂解制油热载体高速高效加热装置设计及理论研究

【摘要】我国石油资源短缺已是不争事实,能源安全问题突出,形势极其严峻。预计到2020年全国石油年需求量将达到5.6亿吨,对外依存度将上升至65%以上。与此同时,作为农业大国,我国农业废弃生物质资源丰富,但由于缺乏先进、高效、低成本、可商业化发展的利用技术,导致每年大概有4亿吨秸秆、3亿吨林木废弃物、3亿吨沙生灌木等生物质资源被白白浪费。此外,我国目前面临的环保问题日益突出与严峻。尤其近年全国各地出现的比较严重的雾霾天气,引起人们对环保问题更加关注。因此,加快研究和探索可将我国大量浪费的农林剩余物经济、快速、高效地转化成可在一定层面上替代石油的生物燃油技术,是当前我国能源、环保和可持续发展方面亟待解决的重大现实问题,具有重大经济意义、能源安全意义、环境保护意义和可持续发展意义。本文基于上述情况依托国家863课题“斜板槽式低能耗精控加热型生物质快速裂解制生物燃油及混合乳化新技术”,对生物质快速热裂解制生物燃油装备中的关键装置——串联复合型热载体高速高效加热装置进行了较为系统的研究,提高生物质裂解制生物燃油热载体加热速率、加热效率和加热装置热能利用率。基于传热学的相关理论,研究分析串联复合型热载体高速高效加热装置的传热过程,分别对加热装置的传热金属管、烟气流动和炉体建立导热微分方程和传热模型,并对该装置进行理论计算和结构设计,制造一款适用于生物质热裂解制生物燃油生产装备的串联复合型热载体高速高效加热装置,解决既可对热载体高速高效加热,同时又可提升该装置热能利用率的技术难题。对该装置进行热能利用率试验,试验结果表明该加热装置的热能利用率最高可达75.72%,平均热能利用率可达75.22%,下炉体热载体出口平均温度为554.44℃,能够满足生物质裂解对热载体的工艺温度要求。基于FLUENT流体分析软件对串联复合型热载体高速高效加热装置上、下炉体内温度场、压力场、速度场等进行模拟,结合该装置对热载体加热时的多个物理影响因素,进行网格划分,然后进行了求解模式、物理模型、湍流模型、边界条件、计算初始条件和迭代参数的设置。通过气固耦合分析,分别计算出上、下炉体内温度场、压力场、速度场主要分布云图、上炉体内三个温度检测点温度变化曲线、下炉体内热载体运动轨迹和温度变化曲线。仿真试验结果表明,串联复合型热载体高速高效加热装置可将热载体最高加热到873K。基于遗传算法的基本原理,对串联复合型热载体高速高效加热装置上炉体受热面进行优化改进,优化值可以作为设备改进的参考依据。本文设计制造以秸秆气、不凝气、生物燃油作为燃料的三种不同类型的燃烧器,满足串联复合型热载体高速高效加热装置对热源的需求；利用五孔探针对秸秆气燃烧器出口速度场进行试验,对试验结果进行分析,研究不同旋流叶片倾斜角对速度场的影响。试验结果表明,燃烧器采用内直流外旋流形式,对燃烧器的燃烧效果有显著提高。
【作者】曹有为；
【导师】王述洋；
【作者基本信息】东北林业大学，机械设计及理论，2014，博士
【关键词】热载体；高速高效加热；耦合分析；热能利用率；

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