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生物质燃气制备过程参数控制与目标反演虚拟仿真实验
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生物质燃气制备过程参数控制与目标反演虚拟仿真实验

建筑环境与能源应用工程专业的人才培养,越来越重视可再生能源在建筑环境领域的应用,生物质燃气是未来“零碳”建筑的重要能源供给。面向绿色建筑的发展以及可再生能源利用技术,急需培养一批具有工程实践能力的本专业专门人才。

建筑环境与能源应用工程专业人才培养方案中,《建筑环境能源工程》、《燃气工程》等是重要专业课程,生物质燃气制备是重要的实验内容。

面向工业化生产的生物质燃气制备过程实验教学在高校难以开展,主要原因如下:(1)生物质气化组分富含氢、CO等易爆气体,实验具有危险性。(2)气化装置价格昂贵,且占地面积大。(3)系统实验周期长、成本高。故急需开发生物质气化虚拟仿真实验。

江苏大学能源与动力工程学院建筑环境与能源应用工程专业,依托国家级、省级重点学科实验室,以及国家级实验教学示范中心的资源优势,具有一流的实验软硬件条件和师资队伍。项目将生物质气化内部反应过程与外部气化结果有机关联,突破传统实验局限,基于气化目标反演参数方案,创新了实验教学设计;项目强调知识结构的系统性、最新技术的同步性、实验模式的探究性,促进了理论与实践更紧密的结合, 实现了多元化能力培养的创新学习需求。

本实验项目自2018年9月起已面向我校学生使用,并在内蒙古工业大学等多所高校应用,学生更深入理解生物质燃气制备的实验现象与本质,更全面掌握气化参数调控方法,还能够设计新型气化系统部件,取得了很好的实验教学效果。本项目同时面向高校和社会免费开放并提供教学服务,欢迎提出宝贵意见和建议。


实验简介
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首先通过国家虚拟仿真平台注册登录,进入项目界面,学习“实验目的”、“实验原理”、“实验步骤”和“安全注意事项”。

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系统功能与过程可视化
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进入实验第一模块,“系统功能与过程可视化”,包括“设备系统构造”、“气化过程可视化”和“气化系统考核”三个子模块。

根据子模块“设备系统构造”,进行生物质气化的工作流程,以及各个组件的结构和功能显示学习操作。

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进入子模块“气化过程可视化”,通过不同参数条件操作,开启和调节相应阀门,观察生物质气化过程炉内分区及化学反应变化规律,单颗粒具体气化演变过程,以及生物质气化分区温度和层高度的变化特点。

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启动整个气化系统装置,包括“气化系统启动”、“空气量调控”、“水蒸气量调控”和“气化温度调控”。点击“气化系统启动”。通过“总电源开关”打开系统总电源。打开刀阀阀门,开启“斗式提升机”,开启“输送绞龙”,开启“给料绞龙”,依次开启“喷淋塔”、“电捕焦油”、“水冷塔”、“空冷塔”,开启“风机”,启动气化炉点火,打开阀门,开启“水冷除灰装置”。

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选择任意一种生物质,调节“空气量调控”阀门,设置入炉空气量的数值,进行五组空气量实验后,点击“生成数据图”,获得气化产物随空气量的变化曲线。

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调节“水蒸气量调控”阀门至设定值,进行至少六组水蒸气量实验,获得相应的气化产物,绘制气化产物随水蒸气量的变化曲线。

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调节“气化温度调控”指示仪。设定气化温度,至少进行五组温度实验,根据实验结果,绘制气化产物随气化温度的变化曲线。

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进入“燃气目标反演”模块,点击“产物富氢量优化”,学生根据设计方案,调节入炉空气量调节阀门,输入设计的入炉空气量的“初值”、“终值”和“步长”,以及入炉水蒸气量的“初值”、“终值”和“步长”,实验获得气化产物的具体成分组成。

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选取相应的期望值,进行实验数据处理分析,得到氢气期望含量的运行参数,再根据最大低位热值,寻取最优运行参数。

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点击“燃气组分期望”,调节入炉空气量调节阀门,输入入炉空气量、入炉水蒸气量的设定值,获取生物质产物成分实验结果。

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选取相应的期望值,进行试验设计,获得一氧化碳期望含量的运行参数。以任意组分为目标值,进行参数分析,获取任意组分含量最大时的运行参数。

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点击“燃气经济性”,调节入炉空气量调节阀门。设定气化温度,输入入炉空气量、水蒸气量的值,实验获取气化组分成分结果。

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以气化效率为目标进行数据分析,获取相应的期望值,对产气比进行数据分析,获得产气比最大时的最优运行参数。

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点击“实验报告”,查看自己操作得分细节,点击保存实验报告

另外,气化系统启动、运行具体操作步骤流程如下:

l 开启给料系统向气化炉内加入生物质

² 刀闸阀阀门A-101高亮显示,阀门上方出现箭头引导,点击“刀闸阀门”,阀门打开;

² 控制面板上斗式提升机X-102开关按钮高亮提示,点击斗式提升机X-102开关按钮打开设备,按钮由红色变成绿色;

² 控制面板上输送绞龙X-101开关按钮高亮提示,点击输送绞龙X-101开关按钮打开设备,按钮由红色变成绿色;

² 播放动画,生物质原料由生物质料仓T-101经过输送绞龙X-101和斗式提升机X-102输送至料仓T-102,刀闸阀阀门A-101关闭。

² 动画播放完毕后,X-101和X-102按钮由绿色变为红色;

² 刀闸阀阀门A-102高亮显示,阀门上方出现箭头引导,点击“刀闸阀门”,阀门打开,展现刀闸阀动画效果;

² 控制面板上给料绞龙X-103开关按钮高亮提示,点击给料绞龙X-103开关按钮打开设备,按钮由红色变成绿色;

² 此时播放动画,生物质原料由生物质料仓T-102经过给料绞龙X-103输送至气化炉R-201,刀闸阀阀门A-102关闭。

² 动画播放完毕后,X-103按钮由绿色变为红色;

l 启动气体净化装置

² 控制面板上喷淋塔T-608开关按钮高亮提示,点击喷淋塔T-608开关按钮打开设备,按钮由红色变成绿色;

² 控制面板上电捕焦油装置T-606开关按钮高亮提示,点击电捕焦油装置T-606开关按钮打开设备,按钮由红色变成绿色;

² 控制面板上水冷塔T-604开关按钮高亮提示,点击水冷塔T-604开关按钮打开设备,按钮由红色变成绿色;

² 控制面板上空冷塔T-603开关按钮高亮提示,点击空冷塔T-603开关按钮打开设备,按钮由红色变成绿色;

² 此时播放动画,此时气体经由氧化区上升运动至出气口经由旋风分离器、空冷塔、水冷塔、电捕焦油装置到达喷淋塔。

² 打开放空阀,关闭进入储气柜的阀门,将初始产气放空

² 球阀阀门A-602高亮显示,阀门上方出现箭头引导,点击“球阀阀门”,阀门打开,展现球阀开启动画效果(顺时针转动);

² 球阀阀门A-701高亮显示,阀门上方出现箭头引导,点击“球阀阀门”,阀门关闭,展现球阀关闭动画效果(逆时针转动);

² 此时播放动画,此时气体经管道进行放空处理,放空管道处由火焰产生。

l 点火启动,并不断加大风量至设定工况

² 控制面板上风机K-301开关按钮高亮提示,点击风机K-301开关按钮打开设备,按钮由红色变成绿色,风机侧“表盘指针”由0转动至400(风机范围0-1200);

² 控制面板上气化炉点火开关按钮高亮提示,点击气化炉点火开关按钮打开设备,按钮由红色变成绿色;

² 控制面板上的风机侧下方滚动条高亮提示,点击拖动该滚动条出现,上方表盘中的指针跟随滚动条进行转动;

² 此时播放动画,此时空气经管道进入至气化炉中。

l 开启除灰系统

² 球阀阀门A-501高亮显示,阀门上方出现箭头引导,点击“球阀阀门”,阀门打开,展现球阀开启动画效果(顺时针转动);

² 球阀阀门A-502高亮显示,阀门上方出现箭头引导,点击“球阀阀门”,阀门打开,展现球阀开启动画效果(顺时针转动);

² 控制面板上水冷除灰绞龙X-501开关按钮高亮提示,点击水冷除灰绞龙X-501开关按钮打开设备,按钮由红色变成绿色;

² 此时播放动画,此时灰渣经由除灰绞龙进入至灰斗中。

² 打开进入储气柜的阀门,关闭放空阀,产气进入气柜储存

² 球阀阀门A-701高亮显示,阀门上方出现箭头引导,点击“球阀阀门”,阀门打开,展现球阀开启动画效果(顺时针转动);

² 球阀阀门A-602高亮显示,阀门上方出现箭头引导,点击“球阀阀门”,阀门关闭,展现球阀关闭动画效果(逆时针转动);

² 此时播放动画,燃气经由氧化区上升运动至出气口经由旋风分离器、空冷塔、水冷塔、电捕焦油装置、喷淋塔进入到湿式储气罐进行存储。

END