【摘 要】
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多仓室流化床可降低颗粒返混和抑制热解气的二次裂解而成为生物质热解液化的理想反应器。掌握多仓室流化床中生物质热解状态下的运移机理是优化反应器和提高生物质热解效率的关键。目前仅是在冷态条件下对反应器内气固流化进行研究,但由于生物质热解机理复杂,常伴随动量、质量、能量传递,使得热解颗粒在多仓室流化床内的高效稳定流化研究尚不足;另一方面,实现不同热解年龄阶段的半焦颗粒稳定流化及降低热解各阶段颗粒的返混,同
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多仓室流化床可降低颗粒返混和抑制热解气的二次裂解而成为生物质热解液化的理想反应器。掌握多仓室流化床中生物质热解状态下的运移机理是优化反应器和提高生物质热解效率的关键。目前仅是在冷态条件下对反应器内气固流化进行研究,但由于生物质热解机理复杂,常伴随动量、质量、能量传递,使得热解颗粒在多仓室流化床内的高效稳定流化研究尚不足;另一方面,实现不同热解年龄阶段的半焦颗粒稳定流化及降低热解各阶段颗粒的返混,同时防止热解气的二次裂解,对提高生物质热解效率和生物油质量具有重要作用。基于此,本文采用数值模拟和实验测量的研究方法对多仓室流化床内杨木屑热解颗粒的演化过程进行研究。研究内容和取得成果如下:(1)通过课题组前期所做杨木屑颗粒在管式炉中的热解实验,结合一步反应动力学模型和颗粒收缩核模型,得到普适性较高且适用于热解温度为450℃、550℃和650℃的颗粒收缩数学模型。将不同热解温度下的颗粒收缩数学模型通过开源代码API导入到离散单元软件EDEM。(2)设计并搭建多仓室流化床中气固流化粒子图像测速实验台,采用粒子图像测速系统(PIV)分析颗粒在床内的流场,并通过颗粒速度验证数值模拟模型的可靠性。研究表明,不同热解年龄段杨木屑颗粒依序进入反应器后,待床层稳定时,各仓室流型变化差异较大,且物料逐级输运效果良好;各仓室所得实验数据与模拟数据吻合较好,表明CFD-DEM耦合模型可很好的预测多仓室流化床内热解状态下的杨木屑颗粒运移规律。(3)采用计算流体动力学软件和离散单元软件(CFD-DEM)耦合模拟方法,对多仓室流化床中杨木屑颗粒热解状态下的运移进行研究,分别研究气速(0.3m/s、0.36m/s、0.5m/s)和温度(450℃、550℃、650℃)条件下杨木屑颗粒在各仓室体积累积量、停留时间、固含量及速度轴径向变化,分析热解颗粒在床内的运移特征。结果表明,多仓室流化床可实现物料的逐级输运,当进口气速为最小流化速度的3-5倍时,气速对热解颗粒在床内的停留时间、粒径分布和固含量变化影响较小;当温度为550℃时,热解收缩率为0.01mm/s,各仓室进气气速控制在初始物料最小流化速度的3-5倍时,可实现稳定流化。本文建立的CFD-DEM耦合气固流化模型可较准确的模拟热解颗粒在多仓室流化床中的流态化过程,为优化和设计反应器具有指导意义。
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