熱管式生物質(zhì)氣化爐間接氣化模擬研究

第43卷第4期熱力發(fā)電Vol,43 No. 42014年4月THERMAL POWER GENERATIONApr. 2014熱管式生物質(zhì)氣化爐間接氣化模擬研究馮亮,張紅,王中賢,沈妍,于萍(南京工業(yè)大學(xué)能源學(xué)院,江蘇南京211816)[摘要]建立了熱管式生物質(zhì)氣化爐間接氣化的動(dòng)力學(xué)模型,研究氣化溫度和水蒸氣與生物質(zhì)添加量之比(簡(jiǎn)稱(chēng)為S/B)對氣體組分、熱值和氣體總產(chǎn)率的影響。結果表明: H2和CO的體積分數隨著(zhù)氣化溫度的升高而增加,CO2的體積分數隨著(zhù)溫度的升高而減少;增加S/B有利于H2和CO2的產(chǎn)生,不利于CO的生成;生物質(zhì)氣化氣體產(chǎn)物中H2的體積分數在50%~60%之間時(shí),氣體熱值可高達10 M]/m'。[關(guān)鍵詞]熱管;生物質(zhì);氣化爐;動(dòng)力學(xué)模型;體積分數;熱值[中圖分類(lèi)號] TK6 [文獻標識碼]A [文 章編號] 1002-3364(2014)04-0059-04[DOI編號] 10. 3969/j. issn. 1002 3364.2014. 04. 059Simulation of indirect gasification in heat pipe biomass gasifierFENG Liang,ZHANG Hong, w ANG Zhongxian,SHEN Yan, YU Ping .(College of Energy ,Nanjing University of Technology , Nanjing 211816 ,China)Abstract : Dynamical model of indirect gasification in heat pipe biomass gasifier was set up to studythe effect of temperature and steam/ biomass mass ratio on gas composition, heat value and gasyield. The results show that, with an increase in gasification temperature, the volume fraction ofH2 and CO monoxide increased greatly , while that of CO2 decreased. An increase in steam/ biomassmass ratio was beneficial to production of H2 and CO2 , but not to CO. The heat value of the prod-uct gas could reach 10 MJ/ m' when the percentage of H2 in it ranged from 50% to 60%.Key words: heat pipe ; biomass; gasifier ;dynamical model; volume percentage; heat value生物質(zhì)氣化是通過(guò)熱化學(xué)反應將可再生生物質(zhì)1幾何模型能轉換為清潔氣體燃料的過(guò)程,是可再生能源開(kāi)發(fā)利用的重要方向”。目前,生物質(zhì)氣化一般采用空試驗裝置如圖1所示。生物質(zhì)從側面進(jìn)入氣化氣或者空氣-水蒸氣作為氣化劑,由于空氣中的氮氣爐,過(guò)熱水蒸氣作為氣化介質(zhì)通過(guò)分布板進(jìn)人氣化降低了氣化產(chǎn)物的熱值[2] ,而以水蒸氣作為氣化劑爐,高溫熱管在燃燒室內的--端為吸熱段,在氣化爐的間接供熱氣化技術(shù)[1]是獲得高熱值氣的有效途內的一端為放熱段,將燃燒室的熱量傳人氣化爐,為徑。間接供熱氣化爐包括載體供熱式、潛熱沙囊式、生物質(zhì)和水蒸氣的間接氣化提供反應熱，氣化產(chǎn)物壓力熱管式等41。熱管作為- -種高效的傳熱方式，通過(guò)燃氣出口排出回。氣化爐模型直徑100 mm,以其優(yōu)良的傳熱性能在工業(yè)生產(chǎn)的不同領(lǐng)域中得到高1 000 mm,徑向共布置5排，每排4根直徑了廣泛應用0]。本文建立了熱管式生物質(zhì)氣化爐[0]25 mm,長(cháng)37 mm,傾角45°的高溫熱管。間接氣化的動(dòng)力學(xué)模型,分析了氣化溫度和S/B對采用Tet/Hybrid劃分網(wǎng)格(圖2),總網(wǎng)格數量出口氣體組分、熱值和氣體總產(chǎn)率的影響。約為1.2X10*.生物質(zhì)選稻草,物料特性見(jiàn)表1.收稿日期: 2013-04-01作者簡(jiǎn)介:馮亮(1988-),男,江蘇徐州人,碩士研究生,研讀方向為熱管技術(shù)的研究與利用。E-mail:hotfengliang@ 126. com60熱力發(fā)電2014年燃氣40翅片燃燒室雖高溫熱管一氣化爐圖2 模型網(wǎng)格劃分Fig.2 Mesh generation分布板~↑io水蒸氣圖1 熱管式生物質(zhì)氣化爐結構示意Fig.1 Structure schematic diagram ofthe heat pipe biomass gasifier表1稻草的工業(yè)和元素分析Table 1 Proximate and ultimate analysis of the straw工業(yè)分析/%元素分析/%低位熱值水分灰分揮發(fā)分固定碳CH0. N /MJ.kg~8.75 16.42 61.65 13.18 32.317 4. 62336. 9910. 88911. 462數學(xué)模型CO2、CH和H2O。假設模擬過(guò)程是一個(gè)單相化學(xué)模型假設生物質(zhì)在高溫環(huán)境下迅速熱解,僅考反應,將固定碳的反應轉化成氣體均相反應模型進(jìn).慮氣體和焦炭的產(chǎn)生;把焦炭作為氣相考慮;氣化過(guò)行研究”]。程主要考慮CO、H2.CO2、CH,、C和H2O6種氣相由于氣化爐內湍流運動(dòng)十分強烈,本文不考慮反應時(shí)氣體間的傳熱和混合問(wèn)題,認為氣相間的反成分;無(wú)滑移等溫壁面條件。應完全由反應動(dòng)力學(xué)因素控制,所有反應作為二級2.1控制方程反應處理[8]。氣體均相反應模型采用組分輸運?；瘜W(xué)反應的存在增加了連續性方程、動(dòng)量方程、型;湍流采用標準湍流模型;化學(xué)反應為容積反應，組分輸運方程的源項和能量方程的反應熱項,因此速率采用有限速率/渦耗散模型;采用P1模型描述質(zhì)量、動(dòng)量、組分及能量方程應為7]:輻射傳熱過(guò)程。主要化學(xué)反應為:≌+p(V●u)=S。(1)C+ H2O-→CO+ H2(5)C+CO2-→2CO(6)a(u)+ ((pu)=- Vp+ V(xVu)+S.(2)C+2H2-→CH,(7)DtpuV(Y,)+SfY; = w;+ V(pD,V(Y,)) (3)CO+H2O-→CO2+ H2(8)CH, +H2O-→CO + 3H2(9)a(pH)+ V(auH)= V(VT)+s。(4)ar各化學(xué)反應的動(dòng)力學(xué)參數見(jiàn)表2[9-10。式中,Y、D、w分別為組分的質(zhì)量分數、擴散系數、生成速率,S。、Sm、S。分別為質(zhì)量源項、動(dòng)量源項、能表2化學(xué)反應動(dòng)力學(xué)參數量源項。Table 2 Kinetic parameters of the chemical reaction化學(xué)反應頻率因子Kg1/s-1活化能 Egi/(kJ●mol-1)2.2化學(xué)反 應模型式(5)0. 08331. 214X 105生物質(zhì)氣化化學(xué)反應包括揮發(fā)分析出、氣體均式(6)5. 55X1033. 061X10*相反應、氣固異相反應3個(gè)過(guò)程。由于流化床傳熱式(7)0. 2082. 33X10*速率高,生物質(zhì)揮發(fā)分析出的時(shí)間比氣化反應短很，式(8)2. 978X 10123. 695X105多,故假設生物質(zhì)進(jìn)人流化床后立刻揮發(fā),熱解剩余式(9)4.4X10111. 68X102物僅含有固定碳，熱解氣體產(chǎn)物主要考慮CO、H、http: // www. rld. com. cn http: // rlfid. periodicals. net. cn第4期馮亮等熱管式生物質(zhì)氣化爐間接氣化模擬研究513計算結果及分析是因為床層溫度沿氣化爐軸向逐漸升高,反應式(5)、式(6)、式(9)向消耗CO2、CH,生成H2、CO的3.1床溫和氣體分布選取生物質(zhì)流量為0. 4 kg/h, 蒸汽量為方向進(jìn)行,使得H2的質(zhì)量分數不斷增加,而CO2和0.8 kg/h,不同氣化溫度下的1組工況進(jìn)行計算,研CH,的質(zhì)量分數不斷減小。擴散對沿氣化爐徑向究床層溫度對生物質(zhì)氣化的影響。工況參數見(jiàn)表氣體組分含量的影響較小。3,工況4的床層溫度和主要氣體在床內的分布情況表3溫度變化工況如圖3所示。由圖3可見(jiàn),床層溫度沿軸向快速升Table 3 The temperature conditions高到1070 K左右,基本滿(mǎn)足所需要的氣化溫度,徑項目工況1 工況2工況3工況4工況5工況6工況7向溫差隨著(zhù)床層高度的增加趨于平均;氣化爐內反應溫度650700 750 88500050H2.CO含量沿軸向逐漸增大,CO2、CH含量沿軸向逐漸減小,沿徑向氣體組分含量的變化很小。這1.09e+033.05e-02I .08e+039.18e-021 95e-.028 79e-021, 07e+038 39e-023. 04e-021. 85e-028. 39e-021 05e+038 00e-023.03e-021.75e-028.00e-02↓.04e+037.61e-021.65e-021 02e+037 22e-022028 .0215e-022222021.01e+03 .6.432-023.01e-02i. 36e-026.43e-029.98e+026.04e-021 26e-026.04c-029.86e+025. 65e-023. 00e-021.16e-025.65e-029.75e+02 .5. 26e-022 99e-021 .06e-025 26e-029.64e+02a06h034 80e-029.41e+02 .4 08-022 98e-027.63e-034.08e-029.30e+023.69e-022.97e-026.64e-033. 69e-029.19e+023 29e-022.96e-025.65e-033.29e-029.08e+024. 66e-03290e-028.96e+022 128 .022.95e-0226803”128.021.73e-025048 071.70e-038.63e+02 .1 33e-022.94-027.06e-041. 332-02(a)床層溫度T/K .(b)CO/%(c)CO2/%(d)CH/%(e)H2/%圖3 工況4床層溫度和氣體組分分布Fig. 3 Distribution of the (a) bed temperature and concentration of(b) co (c) CO2 (d) CH, (e) H2 under condition43.2床溫對氣化結果的影響在50%~60%之間,成增長(cháng)趨勢,CO2體積分數不圖4為工況1-7氣體產(chǎn)物體積分數隨床層溫斷減小,CO體積分數不斷增大,CH，體積分數較度的變化情況。低,隨溫度變化不明顯。圖5為床層溫度對氣體熱值和總產(chǎn)率的影響。70r +CH.12.0p←C.氣體熱值1.5一氣體總產(chǎn)率18最50合1.0三10.5-起10.0個(gè).9箱109.08.5-.6650 700 750 800 850 900 95.oL650 700 750 800 850 900 950溫度/C圖4床層溫度對氣體組分的影響圖5床層溫度對 氣體熱值和氣體總產(chǎn)率的影響Fig. 4 Effect of bed temperature on gas compositionsFig. 5 Effect of bed temperature on由圖4可見(jiàn),隨著(zhù)床溫的升高,H2的體積分數heat value and total yield of the gashttp: // www. rlfd. com. cn http: // rlfd. periodicals. net, cn62熱力發(fā)電2014年由圖5可見(jiàn),氣體熱值和總產(chǎn)率隨床層溫度升11.6.高逐漸增大,其中床層溫度低于800 C時(shí)氣體總產(chǎn)10.4率上升快,高于800 C時(shí)較平緩?？梢?jiàn)，床溫在800C時(shí),氣化效果較好。10.2 |g3.3 S/B 對氣化結果的影響1.2 冊反應溫度為800 C,生物質(zhì)量流量0.4 kg/h,e 10.0-改變S/B的1組工況見(jiàn)表4。9.8-表4不同S/B計算工況J0.8Table 4 Calculation conditions withdifferent steam/biomass mass ratios項目工況8工況9工況10 工況11 工況 12圄7S/B對氣體熱值和總產(chǎn)辜的影響S/B123Fig. 7 Effect of steam/biomass mass ratio on蒸汽流量heat value and total yield of the gas0.81.21.62.0/(kg. h-!4結論圖6為氣體產(chǎn)物體積分數隨S/B的變化情況。由圖6可見(jiàn)，隨S/B的增加,H2體積分數緩慢增大(1)在熱管式生物質(zhì)氣化爐的氣化工程中H2、(約55%),CO體積分數快速下降，而CO2體積分CO的體積分數、氣體熱值和氣體總產(chǎn)率隨著(zhù)氣化數快速上升。這主要是因為隨著(zhù)S/B的增加參與溫度的升高而升高,CO2的體積分數隨著(zhù)氣化溫度反應的水蒸氣量增大,水蒸氣分壓力增大,水蒸氣重的升高而下降,CH,基本上不隨溫度的變化而變整變換反應和CH,蒸汽重反應向正方向移動(dòng),所以化。從氣體熱值、氣體總產(chǎn)率、氣化組成綜合考慮，CO和CH,的體積分數減少,而CO2和H2的體積氣化溫度為800C時(shí)氣化效果較好。(2)H2、CO2的體積分數、氣體總產(chǎn)率隨著(zhù)S/B分數增加。70的增加而增加,CO體積分數、氣體熱值隨著(zhù)S/B的60增加而降低,從氣體熱值、氣體總產(chǎn)率、氣體組成綜合考慮,S/B在2~3時(shí)，氣化效果較好。s 40-[參考文獻][1]吳創(chuàng )之,馬隆 龍.生物質(zhì)能現代化利用技術(shù)[M].北京:; 20-化學(xué)工業(yè)出版社,2003..10WU Chuangzhi, MA Longlong. 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