生物质热解油雾化燃烧及气化的实验研究与数值模拟

1、中国科学技术大学博士学位论又生物质热解油雾化燃烧及气化的实验研究与数值模拟作者姓名：张栋学科专业：热能工程导师姓名：朱锡锋教授完成时间：二。一二年五月一日，一、一：，一：一一一一：科；中国科学技术大学学位论文原刽性声明本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究工作所取得的成果。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任何他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了明确的说明。作者签名：圣蛆曼签字日期：丝皇：笪：委中国科学技术大学学位论文授权使用声明作为申请学位的条件之一，学位论文著作权拥有者授权中国科学技术大学拥有学位论文的部分使用权，即：

2、学校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文编入中国学位论文全文数据库等有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。本人提交的电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。保密的学位论文在解密后也遵守此规定。日公开口保密（年）作者签名：墨甚叠垄导师签名：签字日期：垄！：色签字日期：丞旦！垒：鱼：墨摘要摘要能源危机及环境问题随着人类社会的快速发展目益严重，迫切需要开发可再生能源并实现产业化应用。生物质能作为唯一可再生碳源，具有可储存运输的特点，通过快速热解可以转化为生物油、可燃气以及炭粉。生物油的品质较差，与传统化石燃

3、料具有较大差异且不能互溶，最为经济和方便的应用方法是直接燃烧，最具有前景的高品位应用方法是生物油分散制造、集中气化合成车用燃料。基于此背景，本学位论文通过实验和数值模拟技术较为系统地研究了生物油的雾化燃烧及气化特性，设计建立了生物油燃烧和气化应用装置。在空气气氛下采用热失重技术研究生物油及其与小分子醇的混合燃料的燃烧性能，并与柴油和重油的燃烧性能进行对比。结果表明：生物油及其与小分子醇的混合燃料的燃烧都可分为三个阶段，即轻组分挥发、重组分裂解和焦炭燃烧：混合燃料中小分子醇质量分数不宜超过，否则其燃烧段的活化能增大，且热解焦炭所含有机官能团强度变弱，燃烧性能反而变差；生物油挥发性能及其焦炭燃烧性

4、能均优于重油。采用相位多普勒粒子分析仪，研究生物质热解油喷雾特性。生物油的索特平均直径沿着轴向距离的增加呈先减小后增大的趋势，而沿着径向呈单向增大的趋势；随着气液质量流量比的增加，液滴的平均直径不断减小，但减小趋势变缓；柴油雾化性能最好，生物油最差，添加甲醇或乙醇能增强生物油的雾化性能；利用试验数据拟合得到了生物油索特平均直径的经验公式。利用流体力学软件分别对重油和生物油在旋流燃烧室内的燃烧进行了数值模拟，对比研究了两种燃料的燃烧和污染物排放特性，考察了旋流强度对生物油燃烧特性的影响。模拟结果表明：旋流燃烧室内存在中心回流区，生物油燃烧时回流区面积和回流量均小于重油；重油燃烧的气体组分分布的模

5、拟结果与文献测量值较吻合，炉膛最高温度比生物油燃烧高，和的排放量均比生物油高；随着空气旋流强度的增加，生物油燃烧时炉膛内回流区和回流量增大，的排放得到有效抑制，而排放量先升高后降低；生物油可以替代重油燃烧应用于很多工业场合。对实验室自砌小型窑炉装置内生物油的燃烧进行三维数值模拟，获得了炉膛流场、温度场、组分分布、火焰形状及污染物排放的详细信息，揭示了炉膛内部流动、燃烧及传热传质过程的特点。模拟结果与试验数据吻合良好，验证了模型的可靠性。根据实验和模拟结果对窑炉燃烧系统进行优化，缩小了炉膛体积，简化了炉膛结构，更换了雾化喷嘴。进一步的燃烧实验和模拟结果表明：摘要改造后的窑炉燃烧系统达到同样雾化效

6、果所需的雾化空气量显著降低；虽然生物油流量减小，但燃烧室的最高温度（）高于改造前的窑炉；雾化空气流量的增加可以减小雾化平均粒径、增强油气混合，从而缩短液相停留时间，增加燃尽程度；但雾化空气流量过大时，会携带燃料快速移动，导致部分未燃尽组刽直接逃逸出炉膛；空气雾化流量时，烟气中的一氧化碳浓度最小。随着过量空气系数的增加，区域内氧气浓度、混合气体的速度增加，湍流和燃烧剧量提高，浓度不断降低，浓度升高；在最佳过量空气系数时，和浓度都在一个较低的水平。温度和污染物的排放浓度的模拟值和测量值咧合较好。根据生物油燃烧特性的研究结果设计建立了一套模拟燃油锅炉的生物油燃烧裂置，并进行了燃烧实验，获得了最佳运行

7、参数。生物油燃烧前需要将炉膛预烈到，在有明火的条件下喷入生物油，即可点燃，但此时的燃烧不稳定，火焰位置较靠下游。随着燃烧时间的增加，火焰向前移动，监测点的温度增加，当燃烧约分钟后，距喷口处的温度基本保持不变，此时燃烧稳定，污染物排放低于排放标准。生物油在氮气下的热失重曲线表明气化分为挥发和热解两个阶段，升温速率的增加能减少固定碳的生成，增加气化效率。建立了生物油小型气化装置，通过实验和模拟研究生物油的气化特性。气化炉内温度分布的模拟结果与实验值吻合较好；相同生物油流量下，载气可以阻止生物油组分间的反应炭化，但载气较大时会减小气化气体反应时间，使得气化不完全；通过计算，气体停留时间约以上时气化质

8、量较高。部分供氧气化试验结果表明，的声率随着当量比增加而线性增加，可燃气体产率随着当量比的增加先减小后增加，碳转化率提高，这是因为氧化反应使得局部区域反应温度上升。实验和模拟结果表明，部分生物油完全燃烧为其他生物油的气化提供热源是实现自热式高效气化的关键。对生物质热解液化技术进行了经济性分析，证明了该技术实现产业化后具有良好的经济性：生物油替代化石燃油燃烧应用具有较好的经济效益；在费托合成工厂规模较大时，生物油气化替代生物质气化制备合成气的成本较低。此外，生物油的生产和利用还将带来显著的社会效益和环境效益。关键词：生物质快速热解生物油雾化特性燃烧特性锅炉窑炉数值模拟运行参数优化污染物排放气化合

9、成气当量比，、：，（）（），一垒！翌竺曲一；，戚、，“，力，趾§，函，（），。，。，：，：，目录目录摘要第章绪论引言生物质能利用生物质热解液化制备生物油生物质热解液化生物油的化学组成与基本性质生物质热解产物市场需求分析。生物油的燃烧应用共燃直接燃烧混合燃烧生物油的气化本文研究内容和创新点参考文献第章生物油性质测量及热重特性引言一生物油性质生物油基本理化特性热重实验样品热失重分析技术热失重分析仪及原理动力学分析方法生物油热失重研究综述生物油燃烧特性的热重分析目录生物油和化石燃料燃烧特性对比分析。升温速率对生物油的燃烧特性的影响生物油和醇类混合燃料的燃烧特性混合燃料燃烧特性的热重分析燃烧

10、动力学特性综合燃烧性能焦炭的物化特性分析本章小结参考文献第章生物油雾化特性引言雾化喷嘴和雾化特性参数雾化喷嘴雾化特性参数雾化影响因素生物油喷雾实验实验样品生物油喷雾特性试验装置实验步骤实验结果与讨论。生物油喷雾场粒径分布气液质量流量比对喷雾特性的影响不同燃料雾化特性对比￥雾化公式的拟合雾化粒径随生物油温度的变化雾化粒径随醇添加量的变化本章小结一参考文献第章生物油燃烧特性的实验研究及数值模拟引言数值模拟技术目录控制方程湍流模型燃烧模型模型其他模型生物油与重油燃烧的数值模拟及对比研究数值模型与计算方法燃料性质及运行参数模拟结果及分析小结生物油窑炉燃烧及数值模拟研究数值模型与计算方法模拟结果及分析小

11、结生物油窑炉改造后燃烧特性研究实验部分数值模拟改造后窑炉燃烧与数值模拟小结生物油燃烧装置设计燃烧装置燃烧实验本章小结参考文献第章生物油气化特性的实验研究及数值模拟引言生物油气化特性的热重分析热重分析生物油气化反应生物油固定床气化实验实验装置设计一目录数值模型与计算方法实验与模拟结果流场与温度场。温度分布气体组成随时间的变化载气和油的流量对气化的影响部分供氧气化实验及模拟空气当量比的影响生物油气化数值模拟本章小结参考文献引言生物质原料成本生物质原料生物质收集生物质成本分析生物质收集价格生物质热解液化经济性分析评价指标热解液化工艺热解液化工厂经济性分析经济效益的影响因素生物油燃烧经济性气化制取合成

12、气的成本分析本章小结参考文献第章全文总结与展望全文总结工作展望一第章生物油制备和应用的经济性分析旦二鍪二一一致谢在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果目录第章绪论第章绪论引言随着社会、经济的不断发展和人口数量的不断增长，世界各国对能源的消费和需求不断增加。而据统计【，到年底，已探明储量的石油、天然气和煤炭分别可供开采年、年和年，同时化石能源的过度使用引起了全球气候变化等一系列环境问题。因此，可再生能源的研究和发展受到越来越多的关注。我国是世界上最大的发展中国家，也是目前经济发展最迅速的国家之一，能源发展战略始终在我国的经济发展中占有重要地位。我国的化石能源匮乏【，特别是石油资源，而随着经济

13、水平的发展，能源需求量将不断增加，以过度消耗能源为代价的传统发展模式难以为继。同时化石能源过量使用引起的气候变化、自然环境破坏及物种灭绝的问题日益严重。在联合国召开的哥本哈根会议上，我国郑重承诺将采取重大措施应对气候变化，减少碳排放并已经付诸行动，“十一五”期间我国能耗强度降低了，相当于减小了亿吨碳排放】。但由于我国高速增长和民用汽车保有量不断增加，能源消费和二氧化碳排放总量还在快速上升。能源的相对短缺、能源结构和能源资源储存区域的不合理以及在能源开发和利用过程中的低效率所造成的能源浪费和环境污染，都是影响可持续发展的关键问题。因此，我国必须在全社会倡导实施节能减排，坚持走能源节约的发展道路，

14、大力开发和利用可再生能源，提高其在一次能源消费中所占比重。植物通过自身的光合作用将和转化为有机物，同时储存太阳能，因此生物质能是太阳能的一种。生物质可以说是化石燃料之母，它们的主要组成元素都是、等，其转化及应用和化石燃料有许多相似之处，理论上可以通过各类转化技术替代所有化石基产品。与化石燃料相比，生物质能利用可以实现近零排放，具有明显的碳减排效益。生物质能是自然界唯一一种可以转变为固、液、气的物质形态储存和运输的可再生能源。我国拥有丰富的生物质能资源，目前每年可供开发的资源总量可达亿吨标准煤，除去作为饲料、燃料及造纸原料的生物质资源，实际可用于开发的生物质资源量约合亿吨标准煤。未来通过农林业技

15、术进步，提高植物生长速度，利用边际土地种植的速生林等能源作物，可将用于能源开发的生物质资源产量增加到相当于亿吨标准煤【】。近年来，随着农村劳动力转移、农业机第苹绪论械化程度的提高以及农村电力、液化石油气等能源的普及，加上秸秆的利用门槛高、经济性差、设备复杂等，在粮食收割后，常常出现秸秆过剩。在粮食生产区，秸秆违禁焚烧现象严重，造成了污染环境和浪费资源。大力开发生物质利用技术，使得农业废弃物达到资源化能源化，变“废”为“宝”，对于缓解我国能源短缺压力、发展新型循环经济、履行碳减排义务、保护环境与改善生态、解决“三农”问题、建设节约型社会等均具有重要的意义。本章首先分析了我国的能源状况，阐述了开发

16、和使用可再生能源特别是生物质能的必要性，然后介绍了生物质能的利用现状和存在的问题，提出了生物质热解液化技术的优势，详细介绍了生物质热解液化技术、生物油燃烧和气化应用的研究进展及存在的问题，最后提出了本论文的研究内容。生物质能利用生物质是自然界唯一的可再生碳源，全球每年新增加的生物质储存了相当于亿吨标准煤的太阳能，约为世界能源总消费量的倍。而由于转化技术没有产业化和应用途径的狭窄，全球每年新增生物质作为能源利用的只有，其他大都自然降解成为，造成资源的巨大浪费。因此对生物质能转化和利用技术的研究开发极为重要，已成为受到世界各国关注的重大课题。通过多种技术路径可以将生物质转化为平台化合物，经进一步加

17、工，转化为更高品位的化学品和燃料利用，对传统的化石能源有显著的替代和补充作用。世界各国都非常重视生物质能的开发利用，将其作为缓解环境压力、应对全球气候变化和石油价格不断上升等问题的重要手段，提出了明确的发展目标，积极制定新的能源发展战略、法规和政策。早在年美国总统克林顿就颁布了总统令，提出要大力发展生物质能源，以减轻对化石能源的依赖。奥巴马总统接任后继续将发展绿色能源和提高能量利用效率、减少石油消耗和温室气体排放作为重要的发展战略，并颁布了年恢复与再投资法，计划拨款亿美元来进行技术开发和应用，目标是在年利用的生物质能源较年增加倍。欧盟委员会于年就开始了对生物质原料生产化学品技术的研究资助。年月

18、的欧盟首脑会议上，多国共同提出要进一步开发利用生物质能源，制备具有经济性的生物质基产品或衍生品，使其年占欧盟一次能源消耗的比例达到，在此政策和资金的支持下，德国、瑞典和奥地利都开发了生物质制备高品位燃料的技术，取得令人瞩目的成绩。巴西的生物质；用具有自己的特色，用钊物质生产乙醇燃料的技术实现了产业化，乙醇燃料也真正占领了汽车燃料市场，达到汽车燃料消费量的，但是此技术使用粮食第章绪论作为原料，不适合在我国推广。此外，亚洲的日本提出了阳光计划，开发太阳能和生物质能的利用技术，印度提出了绿色能源计划，制定了生物质能开发利用方略。我国作为农业大国，在生产必需的粮食和农产品的同时，也生产了大量的农业废弃

19、物，此外我国还拥有非常丰富的林业资源，具备开发利用生物质能的有利条件。近年来，我国投入了大量人力和资金开展了生物质能领域的研究，对沼气、薪炭林、节柴炉灶、生物质压缩成型燃料、燃料乙醇技术、生物质直燃发电、生物质气化及热解液化技术的研究均取得了重要进展。生物质热解液化制备生物油过快的能源需求增长与能源枯竭、环境污染之间的矛盾日趋加剧，使得我国资源尤其是石油极度缺乏。据海关统计，我国年石油对外依存度己达。而随着我国经济和社会的不断进步，石油消费需求在今后相当长时间内仍将保持强劲增长势头，造成了中国能源的对外高度依赖。保守预计，到年和年我国石油对外依存度将达到和。且石油开采的难度将逐渐增加，其价格必

20、将不断攀升，对经济稳定发展必将产生不利影响。因此，我国亟需研究和开发石油补充品和替代品，以增强能源安全。根据所使用的原料和目标产物需求的不同，生物质转化为液体产物的路径包括许多种，各种转化技术已在国内外得到了广泛重视和快速发展。其技术路径主要是通过物理、生物、化学、热化学法或多种方法耦合集成等多种加工转化途径（例如：代谢工程、酶催化水解、生物分离和生物质气化与热解液化等）获得中间化合物，再进一步加工成不同用途的产品，生物质组分的分离与大分子的解构是转化必经途径和关键。考虑到我国国情，生物质原料的选择应遵循“不与人争粮、不与粮争地、不破坏环境”的基本原则，因此木质纤维素类生物质原料如各种农业废弃

21、物以及禽畜粪便等，将是生物质能资源化利用的主体。这类生物质组分的分离与大分子的解构一般采用生物、物理或化学方法，但从目前的技术水平来看，存在着工艺复杂、成本高、转化率低、目标产物收率低和经济性差等缺点。而与之相比，热化学转化方法具有工艺简单、反应时间短、转化率高、转化强度大、对环境影响小等诸多优点，易于工业化。采用热解技术处理生物质原料，将其加工转化为相同的中问产物，如可燃气、生物油和炭粉等，然后再将这些中间产物转化为各类不同用途的生物基产品，是现阶段生物质能发展的一条重要技术路线，也是生物质能利用最有潜力的技术路线之一，对于实现生物质资源的规模化和高值化利用具有重要意义。第章绪论生物质热解液

22、化得到的主要产物生物油可以直接替代重油等燃烧利用，也可以通过进一步的精制炼制后部分替代内燃机燃料，此技术的大力发展对我国石油特别是燃料油的短缺具有缓解作用。生物质热解液化生物质能源很早就作为人类主要能源，其热解产物的应用具有很长的历史。热解焦炭被用于作为供热燃料，液体产物被用于作为粘结剂和防腐剂。后来随着工业革命和化石燃料开发利用，生物质能由于其能量密度及利用成本高于化石燃料，对其转化利用技术的研究渐渐被忽略了。由于年代的石油危机的出现，人们意识到石油是不可再生资源，全球储量有限，可供开采使用的时间已经越来越少，同时石油价格不断飙升，引起的环境问题也越来越严重，而生物质热解液化得到的生物油作为

23、具有潜力的石油燃料替代品之一，受到了世界各国的重视。【】热解是一个热化学转化过程，裂解过程见图，可以分为三个阶段：生物质颗粒受热温度达到以上时，生物油中水分的蒸发汽化；温度继续升高，在缺氧条件下，半纤维素、纤维素和木质素大分子解构分解，析出大量小分子挥发物质，随着温度的升高，热量由外向内传递，反应从外层向内部移动，挥发份由生物质颗粒中的空隙扩散到外部空间中；最后，随着温度升高，生物质三种组分不断裂解完全，热解挥发份全部析出，剩余部分为生物质焦炭。挥发份中包括一系列不同分子量的化合物，可冷凝部分叫做一次生物油，不可冷凝部分主要为、等。可凝部分若没有迅速冷凝，则在高温环境下会继续发生裂解反应和聚合

24、反应，生成更多的不可冷凝气体和分子量相对较大的可冷凝部分以及焦炭。因此，为了得到最高产率的生物油，要尽量提高升第章绪论温速率，析出的挥发组份需要被迅速带走并冷凝下来，从而抑制其进一步的分解和聚合。大量研究表明，生物质中纤维素、半纤维素的热解产物中气相和液相的比例较大，而木质素则主要热解生成炭和大分子物质。热解液化装置一般应该包括原料预处理部分、进料进气部分、热解主体部分、气固分离部分及快速冷凝部分等。而热解主体部分决定了热解液化技术的类型，其中的热量控制和热传递好坏是决定热解效率的关键。上世纪年代末石油危机之后，欧美发达国家就开始了生物质热解制备石油替代燃料技术的研究，己开发出了多种不同加热方

25、式的反应器。目前，荷兰和加拿大达茂的研究工作较有特色，已分别建成基于旋转锥和流化床技术的热解液化工业示范装置，生物油产率均在以上。我国开始对生物质热解液化技术的研究较迟。刘荣厚等【】从荷兰大学引进了一套中试规模的旋转锥式热解反应器，随后又研制了流化床反应装置，研究了反应参数对热解液化产物分布的影响，发现获得最大生物油产率的热解条件为，物料粒径、反应温度、气相滞留时间；陈明列、傅旭掣引、刘宇掣】都建成了流化床热解反应器，研究了反应条件对生物油产率和组成的变化。此外，许多学者致力于开发新型生物质热解反应器，李志合等开发了等离子体射流熟解液化技术，进行玉米秸秆快速热解初步试验，时生物油最大产率，油中乙酸含量高达，腐蚀性较强；商辉等【】对生物质进行微波热解，由于生物质被由里向，力热，可以减少二次裂解，提高生物油产率；陆强等【较为系统地进行了选择性热解液化的研究，利用不同催化剂得到了某些成分较为富集