千吨级生物质热解内循环串行流化床系统的设计与计算

论文总字数：42425字

摘 要

生物质快速热裂解制备生物质燃料的技术作为利用生物质能的有效手段，对于缓解能源供应紧张的局面，减少温室气体的排放，改善生态环境具有重要意义。其中，内循环串行流化床具有热量与质量传递性能好，热量利用充分，结构简单和成本低廉等优点。与此同时，农业生产过程中大量的废弃物可以作为生物质热解的原料，但是将这些原料通过运输再集中处理的方法成本较大、操作困难。因此，本文开发出一种移动式的、结构简单的、单床式的、燃烧不凝结气而收集焦炭的生物质制油装置与方法，并对所涉及到的流动参数、能量平衡、反应器尺寸进行设计和计算。

针对现有技术的特点和不足，设计出千吨级生物质热解内循环串行流化床，该装置与方法主要由主体反应器、旋风分离器、换热器、冷凝塔、风机和流量计等组成，其中主体反应器主要由壳体、燃烧系统、热解与焦炭分离系统、配风与卷吸系统组成。

流动参数分析和计算。该千吨级生物质热解内循环串行流化床所涉及到的流动参数主要有最小流化速度、流化数、最小操作气速、颗粒终端速度、初始鼓泡速度等。经计算得到，热解区:流化数为6，流化气速度为0.222 m/s，流量为200 m³/h；导向管：喷动气速度是颗粒终端速度的4倍，喷动气速度为10 m/s，流量为120 m³/h。

能量平衡分析和计算。根据能量平衡和质量平衡原理，对热量传递过程进行分析，建立热量平衡方程，得到了实现热平衡和反应持续进行的条件。单位小时内，进入系统的热量中，焦炭燃烧放出的热量为150.063 MJ，不凝结气体燃烧放出的热量为176.147 MJ，回收烟气的热量为89.423 MJ；系统所消耗的热量中，预热载气所需的热量为118.756 MJ，热解生物质所需热量为231.610 MJ，散热损失的热量为65.242 MJ。经计算得到，不凝结气全部燃烧和烧炭率为24.01 %时，进入系统的热量等于系统所消耗的热量，系统达到能量平衡状态，实现自热式运行。

反应器尺寸设计和计算。提出计算千吨级生物质热解内循环串行流化床的模型和方法，并且对各设备进行设计和计算，得到各部分的尺寸参数。经计算得到，热解区直径为1.0m，高度为1.7 m；导向管直径为0.15 m，高度为2.0 m；燃烧区直径为1.0 m，高度为0.8 m；料腿直径为0.23 m，高度为1.2 m；焦炭分离器高度为1.2 m，直径为1.2 m，开孔数目3，开孔直径为0.01 m；布风板开孔率0.011，风帽数目675，风帽开4个直径0.002 m小孔；以及旋风分离器和螺旋进料器的详细参数。为后续的加工、制造和冷态热态实验提供了理论依据。

关键词：内循环串行流化床；流动参数；热平衡分析；尺寸；设计和计算

Abstract

As an effective mean of biomass utilization, the technology of biomass fast pyrolysis has important meanings to easing tension of energy supply, reducing emissions of greenhouse gas,and improving the ecological environment. The interconnected fluidized beds have many advantages, such as the great heat and mass transfer, high efficiency, simple structure and low cost. A great deal of agricultural waste could serve as the raw material of biomass fast pyrolysis. However, transporting and gathering a large number of agricultural waste is difficult and costly. Therefore, this paper aims to develop a apparatus and method,with the advantages of mobile, structure simple, single bed, combustion gas and collection char. Then calculate the fluidized parameters, analysis the energy balance, and design the size parameters.

Depending on requirements, design and calculate of internal interconnected fluidized bed for biomass fast pyrolysis. The apparatus is composed of reactor, cyclone, heat exchanger, cooling towers, fans and flow meters etc. The main reactor consists of shell, combustion system, pyrolysis and char separation system, wind and entrainment system.

Calculate and analysis the fluidized parameters. The fluidized parameters of internal interconnected fluidized bed for biomass fast pyrolysis consists of minimum fluidization velocity, fluidization number, minimum gas velocity, particle terminal velocity, initial bubbling velocity etc. By calculation, Pyrolysis zone: fluidization number is 6, the velocity of fluidized gas is 0.222 m/s, the flow rate is 200 m³/h;Guide tube: the velocity of spouting gas is 4 times of the particle terminal velocity, and , the velocity of spouting gas is 10 m/s, the flow rate is 120 m³/h.

Calculate and analysis the energy balance. According to the energy balance and mass balance principle, analyze the process of heat transfer, establish energy balance equation, then gain the condition of pyrolysis reaction for biomass. By calculation, in one hour, the energy into the reactor: the heat of char burning is 150.063 MJ, the heat of gas burning is 176.147 MJ, the heat recovered from end gas is 89.423 MJ; the energy consumed in the reactor: the heat of preheat the gas is 118.756 MJ, the heat pyrolysis for biomass is 231.610 MJ, heat loss is 65.242 MJ. When burning all the gas and 24.01 % char, the heat into the system is equal to that consumed by the system.As a result, achieve energy balance and self-heating.

Design and calculate the size parameters. Propose the model and method of calculating the fluidized bed, and calculate the sizes of each part. By calculation, the diameter of pyrolysis zone is 1.0 m, the height is 1.7 m; the diameter of tube is 0.15 m, the height is 2.0 m; the diameter of combustion zone is 1.0 m, the height is 0.8 m; the diameter of dip legs is 0.23 m, the height is 1.2 m; and the detailed parameters of char separator, cyclone, and screw feeder. As a result, lay the theoretical foundation for the subsequent processing, manufacturing and experiments.

Key words: IIFB；Flow parameters；Analysis of thermal balance；Size；Design and Calculation

目录

摘要 I

Abstract II

目录 III

主要符号表 VI

第一章 绪论 1

1.1研究背景 1

1.2国内外研究现状 1

1.2.1生物质快速热解技术 1

1.2.2生物质快速热解反应器发展现状 1

1.2.3内循环流化床(Internally Circulating Fluidized Bed, ICFB) 3

1.2.4现实需求和现有技术的不足 4

1.3本课题的研究目的和研究内容 4

1.3.1研究目的 4

1.3.2研究内容 4

第二章 千吨级生物质热解内循环串行流化床流动参数的设计和计算 5

2.1引言 5

2.2整体设计 5

2.2.1主体反应器 5

2.2.2工艺流程 5

2.3流动参数的设计和计算 8

2.3.1初始参数 8

2.3.2最小流化速度的计算 8

2.3.3流化数和最小操作气速的确定与计算 9

2.3.4颗粒终端速度的计算 9

2.3.5初始鼓泡速度的计算 10

2.4本章小结 10

第三章 千吨级生物质热解内循环串行流化床热量平衡分析 12

3.1引言 12

3.2初始参数 12

3.3系统热量传递过程 13

3.3.1焦炭燃烧放出的热量Q₁ 14

3.3.2不凝结气体燃烧放出的热量Q₂ 14

3.3.3回收烟气的热量Q₃ 15

3.3.4预热载气所需热量Q₄ 17

3.3.5热解生物质所需热量Q₅ 18

3.3.6散热损失热量Q₆ 18

3.4热量平衡的条件 19

3.5本章小结 19

第四章 千吨级生物质热解内循环串行流化床的主体反应器的设计和计算 20

4.1引言 20

4.2初始参数 21

4.3热解区尺寸的设计和计算 21

4.3.1热解区直径的计算 21

4.3.2空隙率的计算 22

4.3.3热解区高度的计算 23

4.3.3.1床料堆积高度 23

4.3.3.2密相区高度 23

4.3.3.3分离区高度 23

4.3.3.4气相停留时间校验 23

4.4导向管尺寸的设计和计算 24

4.5燃烧区尺寸的确定 26

4.6料腿尺寸的设计和计算 26

4.7焦炭分离器的设计和计算 27

4.7.1焦炭分离器高度 27

4.7.2焦炭分离器开孔数目和直径 27

4.7.3焦炭分离器直径 28

4.8布风板的设计和计算 29

4.8.1布风板的选择 29

4.8.2布风板开孔率 29

4.8.2.1布气临界开孔率 29

4.8.2.3稳定性临界开孔率 29

4.8.3布风板开孔数目 30

4.8.4风帽尺寸结构 30

4.9旋风分离器的设计和计算 31

4.9.1分离器的选择 31

4.9.2分离器尺寸的计算 31

4.9.2.1旋风分离器入口风速 31

4.9.2.2旋风分离器旋风筒直径 32

4.9.2.3Lapple型旋风分离器阻力 32

4.9.2.4旋风分离器尺寸换算 32

4.9.3分离器尺寸汇总 33

4.10进料装置的设计和计算 34

4.10.1进料装置的选择 34

4.10.2螺旋轴尺寸的计算 35

4.10.2.1螺旋轴外径 35

4.10.2.2螺旋轴内径 35

4.10.3螺旋轴叶片的选型和螺距的计算 35

4.10.3.1螺旋轴叶片 35

4.10.3.2螺距 35

4.10.3.3螺旋轴叶片表面计算 35

4.10.3.4提升角校验 36

4.10.4螺旋轴转速的计算 36

4.10.5进料管直径的计算 37

4.10.6螺旋进料器功率的计算 37

4.10.7料斗的计算 37

4.10.8进料装置尺寸汇总 37

4.11本章小结 39

第五章 总结与展望 40

5.1结论 40

5.2展望 41

参考文献 42

本科期间相关成果 44

致谢 45

主要符号表

第一章 绪论

1.1研究背景

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