生物质燃气制备过程参数控制与目标反演虚拟仿真实验

生物质燃气制备过程参数控制与目标反演虚拟仿真实验

实验要求

(1)专业与年级要求

本虚拟仿真实验主要面向建筑环境与能源应用工程、新能源科学与工程等专业的本科三、四年级学生。目标是从生物质气化角度让学生了解农村新能源开发利用等方面的基本理论与基础知识,培养学生具有独立获得知识、信息处理和创新的基本能力,有利于学生将所学理论和技能进行综合运用与发挥,提高系统地分析和解决实际问题的综合能力。

(2)基本知识和能力要求

先修课程:建筑环境能源工程,燃气工程,生物质能转化原理与技术,生物质化学与利用,固体废弃物处理与资源化利用等。

能力要求:掌握生物质热解气化的基本原理,熟悉气化炉、锅炉、蒸汽轮机等开停机操作,对生物质开发利用等技术有一定的了解,具有一定的计算机软件操作基础,具有一定的数据逻辑分析能力。

教学成果

实验背景

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”绿色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。

目前,各高校建筑环境与能源应用工程专业培养计划中开设有《建筑环境能源工程》、《燃气工程》等课程,且大都为专业核心课程。生物质气化制备可燃气作为生物质能转化利用中的重要技术,是课程实验教学过程中的重点内容。

我校建筑环境与能源应用工程专业设置在能源与动力工程学院,依托学院在能源领域的学科优势,深入开展可再生能源在建筑环境中的应用。生物质是重要的可再生能源,生物质气化燃气技术可实现清洁燃气的制备与建筑应用,开展该领域的教学与人才培养十分迫切。

然而,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,主要存在以下问题:

(1)燃气组分富含氢气、一氧化碳和甲烷等有毒易爆气体,实验存在危险性;

(2)工业化生产气化装置系统价格昂贵且占地面积大,高校难以建造;

(3)实验耗时长且成本高,群体受益的教学目标难以达成。

为了解决以上生物质气化燃气制备本科实验教学中存在难以克服的核心问题,本虚拟仿真项目以生物质燃气制备工业生产过程为对象,按照课程和实验大纲要求,依托团队承担的国家科技支撑计划等课题的科研成果(大规模生物质气化燃气制备示范装置、气化过程实验数据和模拟计算结果),采用可视化技术和信息化技术,聚焦学为中心,突出能力培养,构建了高仿真度的生物质气化燃气制备工业生产系统,开发生物质燃气制备过程参数控制与目标反演虚拟仿真实验。

本项目通过“虚”“实”结合,将生物质气化内部热力过程与外部参数控制相关联,丰富和拓展了实验内容;将最新科研成果融入实验过程,达到最新技术的同步性;通过设计基于生物质气化目标的反演参数方案实验模块,实现学生探究性学习,激发学生专业兴趣。

为了解决以上生物质气化本科实验教学中存在难以克服的核心问题,本虚拟仿真项目以生物质气化工业生产过程为对象,按照课程和实验大纲要求,依托团队承担的国家科技支撑计划等课题的科研成果(大规模气化示范装置、实验数据和模拟计算结果),采用可视化技术和信息化技术,构建了高仿真度的生物质气化工业生产系统,开发生物质气化过程参数控制与目标优化虚拟仿真实验

本项目通过“虚”“实”结合,将生物质气化内部热力过程与外部参数控制相关联,丰富和拓展了实验内容;将最新科研成果融入实验过程,达到最新技术的同步性;通过设计生物质气化目标优化实验模块,实现学生探究性学习,激发学生专业兴趣。

设计原则

本虚拟仿真实验平台主要综合采用可视化法、控制变量法、目标设定寻优的多种实验方法进行设计,具体实验包含三个主模块:系统功能与过程可视、气化过程参数控制、燃气目标反演参数。

(1)可视化方法

对生物质气化流程、各组件的功能及气化炉内部过程实现可视化,使学生掌握生物质气化炉的操作流程与运行控制流程,明确各个组件的结构和功能,同时运用实验和模拟计算结果,再现气化内部过程,使学生理解生物质气化过程的工作原理和单颗粒生物质原料气化过程的形态变化。

(2)控制变量法

控制调控重要气化参数:不同入口空气量、水蒸气量和气化温度,实现气化过程分区温度、层高度的变化,得到对应生物质气化产气量、LHV的变化规律,使学生全面掌握过程参数与生物质气化产物之间的影响规律。

(3)目标设定反演法

设计重要指标参数:产物富氢量,CH4含量以及经济性等指标,结合调控参数,寻求满足气化目标要求参数设置与运行条件,从而使学生自主探究后得到“产物富氢”、“气化组分期望”、“燃气经济性”的运行参数。

实验目标

学生通过完成本虚拟仿真实验项目,能够达到以下实验目的:

(1)加深对《建筑环境能源工程》、《燃气工程》等相关专业核心课程中生物质气化与可燃气制备相关理论知识的理解与掌握;

(2)掌握大型生物质气化燃气制备工厂的典型操作流程与各种核心关键设备的原理、结构与功能;

(3)掌握生物质气化过程中气化炉内部的气化反应原理与反应特性,掌握变参数实验条件下气化炉内温度和各分区层高的动态自平衡变化特性;

(4)熟练掌握气化系统工况调整与运行参数操控方法,探究不同入炉空气量、水蒸气量和气化温度等条件下,生物质燃气组分的变化规律;

(5)掌握生物质燃气制备过程评价方法,掌握围绕燃气指标进行实验方案设计,探究通过气化参数调整获得既定目标的气化工艺优化参数。

(6)培养自主学习能力、动手操作实践能力以及探究思维能力。

成绩评定

1、认知考核:学生通过学习“实验简介”,了解实验目的、实验原理和实验步骤,通过学习“气化系统功能与可视化”,了解生物质气化过程各组件及其功能,以及生物质气化原理。该环节完成后,教师对学生进行相关知识考核,然后再进入实验操作环节。该部分占总成绩比例的20%。

2、操作考核:学生的实验操作步骤应正确正确、规范,实验态度认真。如某些环节操作有误,进行相应扣分。该部分占总成绩比例的30%。

3、数据处理考核:数据处理准确,分析合理。该部分占总成绩比例的20%。

4、实验报告考核:完成实验后需要在系统中提交实验报告。报告中应包含完整的实验目的、原理、步骤,以及对实验结果的分析、讨论,思考题解答。报告中缺少相应内容或则有不完善的、思考题解答有误的均扣除相应分数。该部分占总成绩比例的30%。