基于减小纤维素热解二次反应的金属网反应器结构的优化设计

发布时间：2020-05-10 12:00

【摘要】：生物质能是一种储量丰富的可再生能源,纤维素是生物质的重要组分,其热解机理的研究有利于提高生物油的质量。在纤维素热解的研究中,常需要对初生态产物进行分析,然而传统的热解设备在热解过程中难以避免二次反应,难以得到初生态产物。金属网反应器是目前二次反应最小的反应器,经过多年的发展和改进后,在减小二次反应的性能上有了多次的提升。本文使用ANSYS CFX建立了金属网反应器中焦油收集管内的流动模型,对三种常用的升温速率(1K/s、10K/s、100K/s)的升温过程进行了瞬态模拟。模拟计算结果表明,常用的两种焦油收集管内均有不同程度的回流,回流的强度随着实验温度的升高而升高。入口处的回流会引起气态产物与样品颗粒之间的二次反应;焦油收集管内部的回流会增大气态产物之间的二次反应。回流是由温度差引起的,气体的密度对温度比较敏感,温度高时密度小,温度低时密度大,上方的气体密度大,下方的气体密度小,在重力的作用下就会发生自燃对流,温差越大,回流越严重。针对产生回流的原因,对焦油收集管的结构进行了改进。在冷却腔和收集口之间增加了一个绝热空腔,以此减小焦油收集管内的温度梯度。与常用的两种焦油收集管一样,模拟了三种常用的升温速率下新的焦油收集管内的流场。对比新旧两种焦油收集管的模拟计算结果,发现改进后的焦油收集管,内部的温度分布相对均匀,回流的比例小,载气进入冷凝区域的时间短。因此,改进后的焦油收集管能更好的减小金属网反应器中纤维素热解的二次反应。
【图文】：

纤维素分子通过分子间氢键结合在一起，形成半晶态的纤维束[6]。这些纤半纤维素与木质素连接在一起，最终形成的复合物成为了植物细胞壁的主]。有研究表明，固体生物质在热解生成挥发性产物之前，会有中间态的液成[8-10]。中间态液体的存在，意味着热解机理必须考虑固体原料与气态产及中间态液体内的化学过程。固相过程包括晶态和非晶态聚合物的相变以的断裂和形成，木质纤维素热解最初会断裂生成低聚物(如纤维素热解过程葡聚糖)，而低聚物是几种单体，大小不一，且可以熔融[11]。1979 年，为广泛学者所接受的纤维素反应动力学的 B-S 模型被提出[12,13]， 所示。B-S 模型认为纤维素在热解过程中，首先会转化为聚合度较低的纤之为“活性纤维素”），然后通过竞争反应生成焦油以及焦和气态产物，且于焦油的生成，低温时利于焦和气态产物的生成，与纤维素热解的实验现

图 1-2 Diebold 模型2009 年，Dauenhauer 等人[15]使用高速摄像机拍摄了微晶纤维素颗粒的热解过程，如图 1-3 所示，可以观察到纤维素颗粒熔融与挥发的过程，，直接证明了纤维素热解过程中有熔融态中间产物（B-S 模型中的“活性纤维素”）的存在。与生物质热解过程中会出现中间态液态产物的现象相符。
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TK6

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本文编号：2657265