柱形生物质和石英砂传热实验与模拟研究

从实验和模拟两方面,利用虚拟球元法改进传统的计算流体力学耦合离散单元法(DEM-CFD),对流化床内的柱形生物质和石英砂的流动传热过程进行了研究。建立了混合流动与传热的实验系统,并进行了模拟和分析,结果表明:双组分颗粒混合指数(MI)经过迅速增加、缓慢增加以及稳定期3个阶段。随着表观气速的增加,颗粒混合指数升高,一定范围内的高气速有利于柱形生物质和石英砂的混合。加热后的柱形生物质和石英砂的初始温度为120℃,流化空气为常温25℃。流化过程中,柱形生物质颗粒温度普遍大于石英砂的温度。当表观气速比较小时,双组分颗粒的混合受到限制,流化床内不同高度的颗粒平均温度差较大;表观气速较大时,流化床颗粒平均温度差不明显。虚拟球元解决了传统DEM-CFD计算模型不适用于大尺寸柱形颗粒系统的问题。对比红外热图像和模拟结果,实验值和模拟结果比较接近,改进的DEM-CFD方法可以较好地模拟柱形生物质和石英砂的流动传热。     

可视化循环流化床混合流动测量试验台设计与试验

当循环流化床作为生物质热裂解反应器时,为便于研究流化床内多孔陶瓷球与生物质粉的混合流动规律,设计了一套可视化循环流化床异质颗粒混合流动测量平台和相应的给料装置。流化床由石英玻璃制成,可满足对生物质热裂解过程的冷态与热态测量的要求。提升管为100 mm×100 mm×1 200 mm的竖直方管,生物质粉给料装置为刮板和螺旋两级喂料。在冷态试验条件下,利用粒子图像测速技术(PIV)对提升管内多孔陶瓷球与生物质粉的混合流动进行了测量。试验结果表明,设计的混合流动试验台能够满足不同流化气速下异质颗粒混合流动的测量要求。     

移动式生物质快速热裂解装置设计与性能研究

设计了一套移动式套管流化床生物质快速热裂解反应装置。阐述了套管流化床反应器、流化床气力输送进料装置、喷射喷淋组合式冷凝器等主要组成部件的结构,并对各部件的性能进行试验测试。试验结果表明,流化床气力输送进料装置受喷动气速的影响较大,在流化气速为0. 02 m/s时,随着喷动气速的增加,进料率快速增加,当喷动气速超过8 m/s时,这一趋势趋缓并且进料率波动范围变大;利用燃烧液化石油气和不可冷凝气方式加热套管流化床,流化床反应器内部温度场稳定,满足生物质热裂解的需要;喷射喷淋组合式冷凝器适用于热裂解气体产物的冷却,为提高热解油净产量,在给定的温度下,需要较大的喷淋流量和喷射流量。在反应温度为500℃时,落叶松木屑的热解油产率最高可达68. 6%。     

脉动气流辅助流化下双组分颗粒的混合特性研究

脉动流化对气固接触和热质传递有一定的优势。分别以相同密度不同粒径以及不同密度相同粒径两类颗粒体系为研究对象,以Ashton混合指数和沉积组分分布为评定依据,实验研究了不同脉宽比下脉动气流辅助流化对颗粒混合程度的影响,并与普通流化床进行了比较。结果表明:在平均气速较低的情况下,添加辅助脉动气流有助于促进颗粒混合,同时得出颗粒密度差别对双组分颗粒混合的影响大于颗粒直径差别对其的影响。     

流化床热裂解影响因素的研究

为了研究温度、喂料速率及压差等对热解产物的影响,以玉米秸秆粉为原料,氩气为流化气体,石英砂为流化介质,在自行设计的流化床上进行了热裂解试验.试验探索了生物油收集率、炭收集率以及气体产率与温度、压差和喂料速率的关系.研究表明,自行设计的流化床在工况为温度480℃、喂料速率在10g/min、压差为30mm水柱时生物油收集率最高为31.8%.     

陶瓷球固体热载体与粉状生物质的热平衡分析

为研究陶瓷球固体热载体与粉状生物质之间的换热规律,以90℃陶瓷球,在1.0、1.2和1.4 kg/min质量流量下与室温生物质粉在垂直下降管散体颗粒换热实验台上进行了热交换实验,通过热平衡分析确定了不同陶瓷球流量下生物质粉总吸热速率中对流换热、导热各自所占的比例.研究表明热传导在生物质粉吸热升温过程中占61%～87%;当陶瓷球流量从1.0 kg/min增大到1.4 kg/min时,热传导所占的比例减小,而对流换热所占比例增大19%以上.     

0.15MW单循环流化床的稻壳粉气化实验研究

在0.15MW的生物质单循环流化床上,开展稻壳粉的气化实验研究。对以空气为气化剂,0~0.6mm河砂为流化介的稻壳粉气化过程进行分析。结果表明:利用该单循环流化床,稻壳粉在730℃左右能够进行稳定的气化反应。沿气化炉膛高度方向温差较小,最大值仅为42℃,温度分布均匀,流化循环状态良好。测定的气化气成分中,可燃气成分总体含量相对较低,无SO2和NOX等有害气体产生。气化过程的残留物灰分中,底渣含碳量几乎为零,循环灰平均含碳量为3%左右,飞灰平均含碳量为13%左右,气化反应充分,并且适合做土壤渗滤装置填料,净化生活污水的灰分所占比重高达90%以上。     

生物质-燃料电池/燃气轮机发电系统特性研究

对生物质气化-固体氧化物燃料电池/燃气轮机发电系统的特性及不同运行参数对系统性能的影响进行了分析。生物质气化为以水蒸气为气化介质的基于UNIQUE概念的流化床气化、高温净化系统,建模中采用了化学动力学模型,并以萘作为焦油成分。基于所建立的系统模型,分析了生物质含水率和燃料利用率等参数对系统性能的影响。结果表明,与其他生物质应用技术相比该系统具有较高的能量转化效率,在200 kW规模,生物质含水率为20%时,电效率可以达到47%。生物质含水率增加会降低系统的输出功率,系统效率下降明显;SOFC燃料利用率提高时系统输出功率变化不明显,但系统效率会明显提高。     

热载体与生物质粉混合物的特性分析与实验研究

为确定快速热解反应器的设计参数,必须对热载体与生物质粉混合物的堆密度和滑动摩擦系数进行研究.为此,以石英砂和木粉为研究对象,对其不同质量比的混合物进行了实验研究,并对实验结果进行了分析.实验表明:热载体与生物质粉质量比在1:3～25:1之间时,混合物堆密度、滑动摩擦系数与热载体质量份数、热载体理论体积系数存在一定的线性关系.这些数据为热解液化工业示范装置的设计提供了依据.     

生物质燃油/柴油混合燃料燃烧特性

在测定生物质燃油物理特性的基础上,将生物质燃油和柴油配比,筛选出不同体积分数的混合燃料E110(10%1号生物质燃油和90%柴油混合)、E210(10%2号生物质燃油和90%柴油混合)、E120(20%1号生物质燃油和80%柴油混合)、E220(20%2号生物质燃油和80%柴油混合)。用这些混合燃料与柴油进行了台架对比试验。结果表明,在不改变发动机结构的情况下,燃用混合燃料是可行的,发动机性能没有明显的变化,节油效果显著。     

基于CFD的秸秆颗粒流化特性模拟

在秸秆流化床锅炉中,秸秆颗粒的流化特性对燃烧效率、床料聚团及积灰等有重要的影响。采用计算流体力学软件FLUENT对秸秆颗粒在流化床内的流动情况进行数值模拟,并分析颗粒直径对最小流化速度、颗粒速度场和平均体积分数的影响。结果表明,颗粒最小流化速度与颗粒直径呈现近似线性的关系;达到流化状态后,流化床的床层压降不会随颗粒直径的改变而改变;随着颗粒直径的增加,床层高度减小,床内固相的体积分数增加,气泡直径增大,气泡破裂时引起的床层表面波动增大。分析结果能够为秸秆流化床锅炉的优化设计和运行提供指导。      

生物质快速热裂解制取生物油的研究

阐述了生物质热裂解机理,介绍了生物质热裂解液化技术的工艺流程,对生物质热裂解液化技术研发现状进行了总结。以榆木木屑为原料,在自制的小型流化床上,开展了生物质快速热裂解制取生物油的试验研究。试验结果表明,粒径小于0.2mm的生物质粒径对生物油产率影响不大,最高生物油产率为43.93wt%,并指出了生物油的应用方式,为生物质快速热裂解液化技术的研究提供了参考。     

生物质流化床气化反应过程数值模拟

建立了二维生物质流化床气化炉模型,模型包括气相质量、动量和能量守恒,热解过程动力学采用一步反应模型,气固均相与非均相反应采用物质输送模型,重点考察了颗粒在炉内的运动和热解气化过程,分析了温度和当量比对燃气组分的影响,并对模拟结果与实验结果进行对比验证.结果表明:颗粒在炉内的运行时间约为2.15s,0.8s左右时颗粒进入稳定的流化环境;CO2和CH4摩尔分数沿y轴方向逐渐将低,而CO和H2摩尔分数沿y轴方向不断增加.在不同温度和当量比条件下,模拟所获得的H2、CO、CH4和CO2摩尔分数与实验结果具有良好的一致性.     

松木屑快速热解试验研究

用自行研制的小型流化床试验装置对松木屑进行了快速热解试验,考察了温度、流化气体流量和进料速率对热解产物产率分布的影响.结果表明,反应温度对松木屑的热解产物分布有很大影响,流化气体流量和进料速率对产物产率也有一定影响.在试验的参数范围内,随温度、流化气体流量和进料速率的增加,生物油产率先增加后降低.在温度为475℃、流化气体流量为3.50m3/h、进料速率为1.78kg/h时,生物油产率最高达58 83wt%.     

振动钻削中切屑颗粒的运动规律

对单个切屑颗粒在水平排屑管中的运动规律进行了较为全面的分析,建立了切屑颗粒的水平排屑管中的轴向和径向运动方程,得出了单个切屑颗粒在无轴向振动和有轴向振动条件下的不同运动规律。研究结果表明,利用轴向振动使常规钻削加工中常出现的切屑堵塞现象,可以通过有效地破坏近壁流动死区而得到控制,与常规钻削加工相比,振动钻削提高了系统的排削提高了系统的排屑能力。     

生物质快速热解反应条件对生物油成分的影响

在利用流化床快速热解生物质制取生物油的工艺基础上,对影响生物油成分的主要因素进行了分析：在生物质快速热解过程中,当热解温度、物料种类、催化剂、载气等参数发生变化时,生物油成分也会发生变化;生物质原料对于生物油的化学成分影响较大,而热解条件则对生物油化学成分的相对含量具有显著影响;可有针对性地选择反应条件及原料种类进行热解,以获得所需要品质的生物油.     

生物质鼓泡流化床和循环流化床气化对比试验

在内径为φ0.2 m、高6 m的流化床装置上,利用两种不同粒径的石英砂,分别进行了高速鼓泡流化床(BFB)和循环流化床(CFB)的冷态压力分布试验和热态气化试验.结果表明:冷态试验中,鼓泡流化床压力分布主要集中在底部的密相区,循环流化床压力分布更趋均匀.热态稳定气化阶段,循环流化床轴向温差只有40℃,气化的燃气热值、碳...     

微灌砂过滤器石英砂滤料颗粒粗糙度参数测算与分析

微灌砂过滤器砂滤料颗粒的表面粗糙度直接影响到砂滤层水头损失和对水中杂质的滞纳能力,从而影响到滤层过滤效果。为了对砂滤料颗粒表面粗糙度进行定量分析,以粒径范围为1.0~1.18、1.18~1.4和1.4~1.7 mm的3种滤料的砂滤料颗粒为研究对象,每种滤料选取15粒石英砂作为样本,以砂滤料颗粒表面形貌的均方根偏差、表面高度分布的偏斜度和表面高度分布的峭度表征颗粒表面粗糙度,采用三维表面形貌仪对粗糙度参数进行测量,采用统计分析方法对粗糙度参数进行分析。结果表明,3种滤料砂滤料颗粒表面波峰波谷的波动幅度分别占滤料当量粒径的15.6%、14.6%和13.1%,说明微灌砂过滤器砂滤料颗粒表面粗糙度比较大;石英砂滤料颗粒表面高度分布的峭度比较大,说明砂滤料颗粒表面形貌高度分布比较集中;石英砂滤料颗粒表面高度分布的偏斜度都为负,说明砂滤料颗粒表面凹陷部分所占比例偏大,影响过滤效果。通过研究认为,要使过滤器石英砂滤料获得更好的过滤效果,应选取相对较大颗粒的石英砂滤料,并对砂滤料的生产工艺进行改进,使砂滤料粗糙度适当增大。