3096连续热解反应器仿真模型的建立.doc

1、连续热解反应器仿真模型的建立目 录1 绪论 .11.1 课题来源及研究的目的和意义 .11.2 本课题所涉及的问题在国内研究现状及分析.11.3 对本课题目标所涉及的任务及实现预期目标的可行性分析 .22 粉料螺旋输送器结构设计 .22.1 螺旋输送器原理及结构 .22.2 粉料螺旋输送器结构设计 .32.2.1 螺旋输送器的设计计算的原始数据 .32.2.2 螺旋轴外径（D）的设计计算 .32.2.3 螺旋轴内径(d) 的设计计算 .32.2.4 叶片选型 .32.2.5 螺旋叶片表面的计算 .32.2.6 螺旋体 .32.2.7 料槽 .32.2.8 螺距的计算 .42.2.9 提升角的验

2、算 .43 螺旋轴转速的计算 .44 螺旋输送器功率的计算 .44.1 物料与机壳间的摩擦作用所消耗的功率 .54.2 物料与叶片间的摩擦作用所消耗的功率 .54.3 空载时轴承处的摩擦力所消耗的功率 .64.4 负载后载荷作用在轴承处产生的摩擦力所消耗的功率 .64.5 密封件处所需功率 .64.6 输送机所需轴功率 .64.7 电动机功率 .64.8 动力源电动机的选择 .64.9 联轴器的选择与校核 .64.9.1 类型选择 .64.9.2 载荷计算 .64.9.3 型号选择 .74.10 轴承的选择与材料的选择 .74.10.1 轴承的选择 .74.10.2 轴承的选用材料 .75 入

3、料口的结构设计 .75.1 如料口的受力分析 .75.2 入料口的尺寸计算 .76 自动控制系统设计 .86.1 两台电动机的顺序启动分开停止的工作电路 .87 进行螺旋输送器及粉料动力学分析 .97.1 螺旋输送器轴的强度校核 .97.1.1 载荷的来源计算 .97.1.2 做出轴的力学模型 .107.1.3 做出弯矩图 .117.1.4 做出扭矩图 .157.1.5 校核轴的强度 .157.2 按疲劳强度条件进行精确校核 .167.3 轴的刚度校核 .167.3.1 轴的弯曲刚度校核计算 .167.4 轴的弯曲变形挠度和转角的校核计算 .188 密封设计 .188.1 密封件的选择 .18

4、8.2 螺旋输送机的密封 .188.3 密封过程中的一些基本要求 .189 螺旋输送器的安装使用 .199.1 螺旋输送器安装技术条件 .1910 结论 .19致 谢 .20参考文献 .211 绪论1.1 课题来源及研究的目的和意义能源是人类生存和发展的基础,几千年来人类主要的能源来源是化石燃料,而如今这个曾经被认为是取之不尽用之不竭的能源宝库也将面临着枯竭,已经探明了石油只可开采40余年,天然气和煤炭则分别可以供应67年和164年。能源危机已经严重威胁着人类的生存,寻找和开发新的替代能源已经迫在眉睫。生物质能是仅次于煤炭、石油、天然气的第四大能源, 在整个能源系统中占有重要地位, 一直是人类

5、赖以生存的重要能源之一, 但目前生物质能在世界能源消耗中仅占14%。联合国环境发展会议指出, 到2050 年,生物质能有潜力可以供给当时世界能源消耗中的50%。据有关专家预测, 生物质能在未来能源结构中具有举足轻重的地位, 采用新技术生产的各种生物质替代燃料, 主要用于生活、供热和发电等方面。人类面临着经济增长和环境保护的双重压力, 因而改变能源的生产方式和消费方式, 用现代技术开发利用包括生物质能在内的可再生能源资源, 对于建立持续发展的能源系统, 促进社会经济的发展和生态环境的改善具有重大意义。生物能作为一种洁净、高效、巨大的新型能源是化石燃料的最好的替代品之一,它对缓解世界能源危机和环境

6、污染起着重要作用。世界各国已经把目光聚集在了对生物能的开发和利用上。我国是农业大国我国生物质资源十分丰富。据统计, 我国林业生物质能源, 薪材年资源量达3000 多万t; 农业生物质能源, 秸秆和稻壳, 分别达6 亿t 和0.15 亿t。另外还有城镇有机废弃物能源。全国生物质的可再生能量按热量折合约为2.3 亿吨煤, 相当于中国农村能耗的53%。特别是秸秆作为一种十分重要的可再生能源, 其开发及利用价值极高。然而, 虽然我国每年生产大量的农作物秸秆, 但这些可再生的生物质能源却面临着大量的闲置与浪费, 除了少数用作家畜饲料外, 其中的大部分都丢弃在田埂地脚, 有的则用焚烧的办法进行处理。据有关

7、专家和部门估计, 我国每年的秸秆扣除现有各种利用外, 尚有4.5 5.5 亿t 农业秸秆、谷物壳皮和1.3 1.5 亿t 的林业树皮、锯末、枝丫等剩余生物质由于没有先进、经济、高效的利用技术而被白白废弃, 严重忽视了生物质的能源与生态环境作用, 既污染了环境,又造成了资源的大量浪费。这不仅使国家的能源交通业不堪重负, 而且农村的生态环境问题也日趋严重。因此, 为了充分回收利用这些浪费的巨量能源, 同时保护生态环境, 大力发展生物质能技术生成一种洁净无污染的新型替代能源,对解决世界能源和环境有相当重要的意义。1.2 本课题所涉及的问题在国内研究现状及分析与欧美一些国家相比，亚洲及我国对生物质热解

8、的研究起步较晚。近十几年来，广州能源研究所生物质能研究中心、浙江大学、东北林业大学等单位做了一些这方面的工作。广州能源研究所生物质能研究中心，目前研究方向重点为生物质热化学转化过程的机理及热化学利用技术。其研究内容为：（1）高能环境下的热解机理研究：等离子体热解气化、超临界热解等；（2）气化新工艺研究：高温气化、富氧气化、水蒸汽气化等；（3）气化技术系统集成及应用：新型气化装置、气化发电系统等；（4）生物质气化燃烧与直接燃烧：气化燃烧技术、热解燃烧技术、直接燃烧等。浙江大学着眼于流化床技术在生物质清洁能源规模化利用上显示出的巨大潜在优势，在上世纪末成功开发了以流化床技术为基础的生物质热裂解液化

9、反应器，并在先期成功试验的基础上，针对已有的生物质热裂解液化工艺中能源利用率不高以及液体产物不分级等缺点，采用独特的设计方案研发了生物质整合式热裂解分级制取液体燃料装置，得出了各运行参数对生物质热解产物的得率及组成的影响程度，适合规模化制取代用液体燃料。目前正在开展深层技术和扩展应用的研究。东北林业大学生物质能研究中心研究方向： 转锥式生物质闪速热解液化装置。经过一系列的调试、实验和改进后，现已经探索出了一些基本的设计规则和经验。现阶段设备制造已完成，即将进入实验阶段，为今后设备改进及技术推广打好坚实的基础。另外在快速热裂解研究上，沈阳农业大学在联合国粮农组织（FTO）的协助下，从荷兰的 BT

10、G集团引入一套 50 kg/h 旋转锥闪速热解装置并进行了相关实验研究；上海理工大学、华东理工大学、浙江大学、中国科学院广州能源研究所、清华大学、哈尔滨工业大学和山东理工大学等单位也开展了相关实验研究，目前正在开展深层技术和扩展应用的研究。在现在技术的支持下，用于商业运行的只有输运床和循环流化床系统19，20。河南农业大学农业部可再生能源重点开放实验室也长期进行了生物质热解方面的研究。 “YNO4型生物质燃气脱焦机”的诞生解决了现有生物质热解气化机组净化装置复杂、脱焦效率低且焦油难收集等问题，结构简单，操作方便，避免了二次污染，系统运行可靠，维护费用低，经济效益显著，适用于各类生物质热解气化机

11、组的配套及其商业化应用，已于 2001 年 11 月通过省科技厅技术鉴定，并已在许昌机电厂投入批量生产。同时，该实验室与河南商丘三利新能源有限公司对生物质热解产物进行了综合利用的研究，并形成了配套设备。根据农作物秸秆资源存在着季节性、分散性的特点和运输、储存难的矛盾，采取了分散和集中的模式，即在农作物秸秆易收集的范围内建造小型生物质热解装置，就地使用生物质燃气， 然后将便于运输的生物质炭、焦油、木醋液收集，建设若干集中加工厂，生产多种产品以供各种用途，较适合我国的国情。生物质热解技术最初的研究主要集中在欧洲和北美。20 世纪 90 年开始蓬勃发展，随着试验规模大小的反应装置逐步完善，示范性和商

12、业化运行的热解装置也被不断地开发和建造。欧洲一些著名的实验室和研究所开发出了许多重要的热解技术，20 世纪 90 年代欧共体 JOULE 计划中生物质生产能源项目内很多课题的启动就显示了欧盟对于生物质热解技术的重视程度。但较有影响力的成果多在北美涌现，如加拿大的 Castle Capital 有限公司将 BBC 公司开发的10Kg/h25Kg/h 的橡胶热烧蚀反应器放大后，建造了 1500Kg/h2000 kg/h 规模的固体废物热烧蚀裂解反应器，之后，英国 Aston 大学、美国可再生能源实验室、法国的 Nancy 大学及荷兰的Twente 大学也相继开发了这种装置。荷兰 Twente 大学

13、反应器工程组及生物质技术（BTG）集团研制开发了旋转锥热裂解反应器，由于工艺先进、设备体积小、结构紧凑，得到了广泛的研究和应用；Hamberg 木材化学研究所对混合式反应器鼓泡床技术进行了改进和发展，成功地采用静电扑捉和冷凝器联用的方式，非常有效地分离了气体中的可凝性烟雾。ENSYN 基于循环流化床的原理在意大利开发和建造了闪速热解装置（RTP） ，还有一些小型的实验装置也相继在各研究所安装调试。 传统的热解技术不适合湿生物质的热转化。针对这个问题，欧洲很多国家己开始研究新的热解技术，这就是Hydro Thermal Upgrading（HTU） 。将湿木片或生物质溶于水中，在一个高压容器中，

14、经过15min（200，300bar）软化，成为糊状，然后进入另一反应器（330，200bar）液化515min。经脱羧作用，移去氧，产生 30%CO2、50%生物油，仅含 10%15%的氧。荷兰 Shell 公司证明：通过催化，可获得高质量的汽油和粗汽油。这项技术可产生优质油（氧含量比裂解油低） ，且生物质不需干燥，直接使用。1.3 对本课题目标所涉及的任务及实现预期目标的可行性分析课题所涉及的任务及解决方法，第 1、进行粉料螺旋输送器结构设计；第 2、进行入料口结构涉计；第 3、进行自动控制系统设计；第一、进行螺旋输送器及粉料动力学分析；第二、建立装置仿真模型。方案螺旋给料机的结构设计螺旋

15、轴转速的计算螺旋给料机功率的计算电动机和联轴器的选择如料口设计及粉料动力学分析仿真模型的建立画出装配图其次，为了要保证是否可行还需要进行理论的受力分析，对热解装置进行实验与设计时的理论计算,最后对计算结果进行分析，进行连续热解反应器的图形软件建模及仿真。2 粉料螺旋输送器结构设计2.1 螺旋输送器原理及结构螺旋输送器利用带有螺旋叶片的螺旋轴的旋转，使物料产生沿螺旋面的相对运动，物料受到料槽或输送管壁的摩擦力作用不与螺旋一起旋转，从而将物料轴向推进，实现物料的输送。在水平螺旋输送器中，料槽的摩擦力是由物料自身重力引起的；而在垂直螺旋输送器中，输送管壁的摩擦力主要是由物料旋转离心力所引起的。螺旋输

16、送器主要由驱动装置、旋转螺旋轴、壳体、轴承和密封装置等组成。如图图1-1 螺旋输送机总体图2.2 粉料螺旋输送器结构设计2.2.1 螺旋输送器的设计计算的原始数据物料容重： = 110270 kg/ m 3 ；填充系数： = 0.1200.135；输送能力： Q = 20 kg/ h；输送长度: L = 900 mm；螺旋输送器水平布置:输送机倾角 = 0。2.2.2 螺旋轴外径（D）的设计计算根据已知条件，螺旋轴的外径采用公式(1) 进行计算：(1)2/EcQKD上式中: c 倾角系数(水平轴c = 1) ; K 物料综合特性系数( K锯木屑 = 0.049) 。计算过程: 当 = 110

17、kg/ h 时,将已知条件代入(1) 式得: D 43.1 mm;当 = 270 kg/ h 时,将已知条件代入(1) 式得: D 26.3 mm。综合考虑暂取外径 D = 60 mm。2.2.3 螺旋轴内径(d) 的设计计算通常螺旋的内径为螺旋外径的1/61/3,因此d 的取值范围为1020 mm。根据慢速螺旋输送机“螺旋体与螺旋轴直径的关系” 取d =18 mm。2.2.4 叶片选型实体面螺旋推送力大,生产率高,适用于经过粉碎后干燥的、输送散落性较好的粉状或粒状物料。本设计中的生物质原料具有以上特点,所以应选取实体螺旋面。2.2.5 螺旋叶片表面的计算根据三角定理,叶片外侧螺旋线的长度为;

18、212)(SDL叶片内侧螺旋线长度为 。螺旋线 L 和 l 在平面上是圆心角相同的 2 条同心圆212)(SdL弧,若设此 2 条圆弧线的半径分别为 R 和 r , 圆心角按下式计算: = ( 2R - L ) 360/ 2R = 32,圆环开出切口后,经过冲压或锤锻而成单个螺旋叶片,然后将它们互相焊接成为一个连续的螺旋面,最后将它们焊接固定在螺旋轴上。2.2.6 螺旋体螺旋是螺旋输送机的主要组成构件，由螺旋叶片和轴组成,螺旋叶片多用钢板冲压后焊接而成，其厚度（在 200300mm 之间取 45）取为 4.5mm。为减少螺旋叶片的磨损，可用火焰或在叶片外缘表面用沉头螺栓固定可更换的硬质钢片。2

19、.2.7 料槽料槽是螺旋输送机的承载部件，其厚度根据螺旋的直径大小及被输送物料的特性选取，选取5 mm 钢板制作而成。螺旋由于长度长，螺旋轴挠度大，会发生弯曲现象，为避免在使用过程中叶片与料槽磨损，料槽的内径应稍大于螺旋的直径，两者之间应有一定的间隙，取为 10 mm。为减少物料的磨碎及功率消耗，要求提高螺旋和料槽的尺寸精度，以尽量减少其间隙。2.2.8 螺距的计算实体螺旋一般取 S =0.8D ,特殊情况下取 S = 0.5 2.0D,即 S = 48mm。2.2.9 提升角的验算在选用输送机的螺旋直径D 和螺距S 时,螺旋叶片的提升角不能过大,否则便不能起到推进物料前进的作用6 。经综合验

20、证,螺旋轴的内外径和螺距取值合理。3 螺旋轴转速的计算当输送机的螺旋超过一定转速时，输送物料颗粒便开始产生垂直于输送方向(沿径向)上的跳跃，使输送能力降低，磨损增加，从而对输送过程产生不利影响；而螺旋转速过低使，单位时间的输送能力降低。因此螺旋轴转速在满足输送能力的条件下不宜过高,以免物料受过大的切向力而被抛起,以致无法向前输送。因此转速n 不能超过某一极限转速 ,即 n jj= A/D1/2 (2)jn式中: 螺旋轴极限转速 (r/ min) ; A 物料综合特性系数, A锯木屑 = 50。j表 3-1 常用物料的填充系数表物料的粒度 物料的磨琢性物料的典型例子 推荐的填充系数 推荐的螺旋面

21、型式综合系数A粉状 无磨琢性半磨琢性面粉、石墨、石灰纯碱0.350.40 实体螺旋面35粉状 磨琢性 干炉粉、水泥石膏粉、白粉0.250.30 实体螺旋面35粒状 无磨琢性半磨琢性谷物、锯木屑颗粒状食盐0.250.35 实体螺旋面50粒状 磨琢性 造型土、型砂、砂成粒的炉渣0.250.30 实体螺旋面30计算得 n 204.12 r/ min , 计算得出转速 值，应圆整为下列转速(rmin)：jn20、30、35、45、60、75、90、120、150、190rmin，进行圆整取 n = 190 r/ min。螺旋直径D 及转速n 圆整后的数值,必须对填充数值进行验算:SCQ247/当 =

22、110 kg/ m3 时, = 0.117 8。由于校验得到值远远低于推荐数值 = 0.20 0.35 , 所以螺旋轴转速应多降几级,以提高其使用寿命。当 = 110 kg/ m3 时,取 n = 110 r/ min , =0.1203 ;当 = 270 kg/ m3 时,取 n = 45 r/ min ,=0.202 。根据计算结果,均在推荐范围值内。因此,螺旋直径D 取60 mm 符合设计要求。如图：图3-1 螺旋轴平面图图3-2 螺旋轴三维图4 螺旋输送器功率的计算螺旋输送机工作时的功率消耗由下列各部分组成:物料与机壳、叶片间的摩擦作用所消耗的功率,轴承处的摩擦所消耗的功率,倾斜输送时

23、提升物料所消耗的功率,物料颗粒间的相对运动所消耗的功率,密封件处摩擦消耗的功率。4.1 物料与机壳间的摩擦作用所消耗的功率(3) 11lfqlVFN料式中: 单位长度上物料与机壳间的摩擦力 ; 螺旋输送机长度 ; 物料轴mN/l )(mV前进速度 ; 物料的线载荷 ; 物料与机壳间的摩擦系数, ;)/(sm料 /1f 40tan1f机壳形状与填充系数对摩擦力的影响系数。将上述参数带入(3) 式, 计算得: W06.14.2 物料与叶片间的摩擦作用所消耗的功率(4)sin/)sin(22VlfqlVFNr料式中: 单位长度上物料与叶片间的摩擦力 ; 物料与叶片间的相对滑动速度mN/rV; 物料与

24、叶片间的摩擦系数; 物料横截面中心所处的螺旋升角。计算结果:)/(sm2fW109.4.3 空载时轴承处的摩擦力所消耗的功率(5)dVGfNe3S/式中: 螺旋输送机机体转动部分的质量; 轴承处摩擦系数 ,取 ; 摩擦力3f 15.0eV作用点的切向速度 ; 径向轴承的平均直径 。计算结果: )/(sm )(mWN42934.4 负载后载荷作用在轴承处产生的摩擦力所消耗的功率(6)2134 VHqNfN料式中: 螺旋输送机机长在垂直方向上的投影(因螺旋输送机水平放置,故取 。计算H 0H结果: WN017.44.5 密封件处所需功率密封件处所需功率可由下式计算:(7)310)(2)(52. 2

25、115 nDDfPC式中: 压力系数; 摩擦系数; , 内外径; 转速。计算得:C WN8.6754.6 输送机所需轴功率输送机所需轴功率即输出功率可由下式计算:(8)543210)(NNK轴式中: 修正系数 , 取 ; 倒塌功率系数,0.K210K计算结果: 。W95.7轴4.7 电动机功率电动机功率计算公式为 (9)/1/1轴NFVN式中: 电动机功率(W) ; 功率备用系数,取 ; 驱动装置总效率, 取 。K2. 85.0计算得: 。N054.14.8 动力源电动机的选择在实验过程中由于叶片的光滑度和摩擦而损失的功率还有很多考虑不周到的地方,所以,采用120 W的电机并且配有涡轮减速器和

26、调频器共同控制,可使给料机在正常的条件下运行,满足实验要求。表4-1 电动机参数方案 电动机型号 额定功率 P kwed电动机转速 r/min 电动机重量 kg 额定转矩YU7114 0.12 1400 9.05 1.54.9 联轴器的选择与校核电动机功率为P=0.12kw,转速n=1400r/min，电动机伸轴的直径d=18mm4.9.1 类型选择为了隔离振动与冲击，选用弹性柱销联轴器。4.9.2 载荷计算公称转矩T=9.55 =9.55 =818.57610np61042.mN由表14-1差得 =1.5，故由（ 14-1）得计算转矩为AK= =1.5818.57 =1.23caTAKmN4.9.3 型号选择从GB4323-84中差得TL2型弹性柱销联轴器的许用转矩为16 ，最大转速为7600r/min，轴径为mN12mm、14mm、16mm、18mm、19mm，故满足要求。4.10 轴承的选择与材料的选择4.10.1 轴承的选择因为螺旋输送器径向方向不会受到较大的径向力，而轴向方向因为要带动粉料向前输送，会受到较大的力，所以选用的轴承为以承受轴向力为主的30000B型的大锥角圆锥滚子轴承。从GB/T297-1994摘录中差得，选用的轴承为30207。4.10.2 轴承的选用材料因为热解装置的工作温度经常会在500 以上时，轴承则要采用超高温合金