生物质热解气冷凝及生物油燃烧的实验研究与数值模拟

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1、中国科学技术大学博士学位论生物质热解气冷凝及生物油燃烧的实验研究与数值模拟作者姓名：学科专业：导师姓名：完成时间：龙潭热能工程朱锡锋教授二。一四年五月十日文UniversityofScienceandTechnologyofChinaAdissertationfordoctor，SdegreeExperimentalResearchandNumericalSimu。lationofCondensationofPyrolysisGasandCombustionOfBiOIOiIAuthor’SName：Speciality

2、：一●3UDerVlSOr：FinishedTime：TanLongThermalEngineeringProf．XifengZhuMay10m，2014中国科学技术大学学位论文原创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：蕉立耋签字日期：丝z丝区三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

3、科学技术大学拥有学位论文的部分使用权，即：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。团公开口保密(——年)作者签名：垄兰翌导师签名：签字日期：21丝』：至签字日期：丝继：!：，主摘要摘要生物质作为绿色洁净的可再生能源，具有良好的开发应用前景。在无氧和中温(500℃左右)条件下，通过快速热解可以将生物质转化

4、为热解气和炭粉，热解气再经过快速冷凝获得生物油和不凝性的可燃气。热解气的冷凝效果不仅影响生物油的产率和组成，而且对生物油的品质也有重要影响。现阶段生物油最为经济的应用方法是直接燃烧。基于此背景，本学位论文通过分析生物油的理化特性、蒸发和燃烧特性、雾化特性以及生物质热解气的性质，建立了生物油和热解气的模型化合物体系，并通过实验和数值模拟技术研究了热解气冷凝和生物油燃烧特性。分析了生物油的元素组成、化学成分、以及水分、热值、粘度、表面张力、比热容和密度等物性参数，并对测量方法进行了介绍和总结；详细地阐述了水分与热值之间的关系

5、以及生物油．低碳醇体系的粘度和表面张力随温度的变化情况；分析了不可冷凝气的组成成分，并对其物性参数进行了计算。研究结果表明：生物油的碳含量较低、氧含量较高、氮和硫含量几乎为零；水分含量约30％；稻壳生物油的干基热值约为23．4MJ／kg。生物油．低碳醇体系的粘度随着温度增加逐渐降低并趋于恒定；生物油的表面张力与温度呈线性递减的关系；生物油．低碳醇体系的粘度和表面张力随着醇类物质添加量的增加而降低。不可冷凝气主要由CO、C02、1',12、I-12、CI-14等气体组成，通过计算得到了不可冷凝气的平均密度、分子量、热值和比

6、热容等物性性质。采用热分析技术研究生物油的蒸发和燃烧特性，并进行了动力学分析。结果显示：生物油的蒸发过程分为低沸点物质挥发和大分子裂解两个阶段，生物油的燃烧过程分为低沸点物质挥发、大分子裂解和焦炭燃烧三个阶段。一级反应模型和三维球形收缩模型在中低温区对生物油的蒸发和燃烧动力学拟合度较高，而三维球形扩散模型在高温区对生物油的蒸发和燃烧动力学拟合度较高。在中低温区生物油的蒸发活化能在50,-．65kJ／tool的区间内，燃烧活化能在40～50kJ／mol的区间内，说明燃烧比蒸发更加容易发生；焦炭燃烧过程(第三阶段)的失重活化

7、能为87．55kJ／mol，燃烧放热活化能为106．62kJ／mol。采用高速摄影仪和MATLAB软件对生物油雾化特性进行了实验研究。当生物油温度为35℃时，随着蠕动泵转速的增加，生物油的雾化角呈先增大后减少的变化趋势，其最大值为47．10。。随着喷射距离的增加，生物油液滴的索特平均直径(SⅧ)呈现先增大后减小再缓慢增加的交化趋势，而液滴数目呈现先减小后增加的变化趋势。在生物油温度为35℃、蠕动泵转速为300r／min的条件下，雾化液滴的冷凝和燃烧效果最好。摘要通过对生物油进行GC．MS和TG．DSC分析，建立了4个可冷

8、凝气的五组分模型。对比生物油与可冷凝气模型的元素组成、水分含量和TG．DSC曲线，结果发现：误差最小的模型组成为CH30H、I-120、CH3COOH、C5I-1402和C6H50H，质量百分数依次为：32．62％、44．62％、13．12％、4．45％和5．19％。通过对不可冷凝气进行气相色谱分析，建立了不可冷凝气