玉米秸稈氣化特性研究

第32卷第1期華北水利水電學(xué)院學(xué)報VoL32 No.12011年2月.Journal of North China Institute of W ater Conservancy and Hyrolectrie PowerFeb. 2011文章編號:1002 - 5634(2011)01 -0046 -04玉米秸稈氣化特性研究張小桃，黃明華，王愛(ài)軍，張燕(華北水利水電學(xué)院,河南鄭州450011)摘要:基于 AspenPlus模擬平臺,對含水率分別為10% ,20%和30%玉米秸稈氣化過(guò)程進(jìn)行模擬. 計算了空燃比在1-2范圍內變化時(shí),氣化過(guò)程的主要性能指標:合成氣成分、合成氣低位熱值、碳轉化事和氣化效事.并把氣化劑空氣溫度從25 C提高到250 C對玉米秸稈氣化過(guò)程進(jìn)行優(yōu)化.結果表明:在空燃比小于1.6時(shí)，合成氣低位熱值和氣化效率得到明顯提高,大于1. 6時(shí),優(yōu)化前后差別不大此結論對生物質(zhì)氣化技術(shù)提供了有益的參考.關(guān)鍵詞:玉米秸稈;氣化特性;AepenPlus軟件;過(guò)程優(yōu)化隨著(zhù)我國經(jīng)濟的快速發(fā)展和農民生活水平的提剩余焦炭和灰渣.熱分解過(guò)程中的產(chǎn)物除了CO2、.高,農作物秸稈不再作為農戶(hù)的傳統燃料和肥料,出CO、CH不飽和芳香烴化合物(像C2H,和C,H。),現了大量剩余.為了不誤農時(shí),農民在收種季節常常還有水蒸氣、H, 02和N2其中H2、CO、CH和C.H.將農作物秸稈推進(jìn)河道中或在田野直接焚燒,不僅.是可燃氣體,CO2和N,是不可燃氣體.污染了河水和空氣,而且還嚴重浪費了寶貴的資焦炭氣化過(guò)程發(fā)生在氧氣富足區域,可以用以源".秸稈氣化技術(shù)的研究是秸稈資源合理利用的下化學(xué)方程式描述:基礎.筆者在建立常壓氣化爐模型的基礎上,基于氧化反應AspenPlus模擬平臺,以溫度為25 C的空氣為氣化2C +02= =2CO↑,劑,對含水率分別為10% ,20%和30%時(shí)秸稈氣化C+02=CO2↑,進(jìn)行仿真.分析了合成氣成分、低位熱值、氣化效率2C0+0, = =2C02↑.和碳轉化率隨空燃比(空氣質(zhì)量與生物質(zhì)質(zhì)量比)還原反應的變化關(guān)系.通過(guò)提高氣化劑溫度來(lái)優(yōu)化氣化過(guò)程,C +CO, = =2C0↑.提高氣化效率.甲烷化及氣體重整C+H20=CO↑+H2↑，1生物質(zhì)氣化C +2H2 =CH2↑，生物質(zhì)氣化技術(shù)是最近幾年發(fā)展比較迅速的一-CO+H20=CO2↑+H2↑,種生物質(zhì)熱化學(xué)處理技術(shù),它可將低品位的固體生2C0 +2H,-CH2↑+CO2↑.物質(zhì)原料轉化為高品位的潔凈氣體燃料.氣化反應2氣化模型分為氣化物質(zhì)中揮發(fā)分的析出(熱解階段)和殘余焦碳的氣化(生成的焦碳氣化階段)兩個(gè)階段.選取取材方便、儲量豐富的玉米秸稈作為生物熱解過(guò)程是生物質(zhì)在缺氧條件下的熱分解過(guò)質(zhì)氣化原料.其工業(yè)分析和元素分析見(jiàn)表12].程.在加熱條件下生物質(zhì)中的揮發(fā)分不斷析出,最后收稿日期:2010-11-12荔金項目:鄭州市科技發(fā)展計劃項目(074SCC32108-5).通訊作者:張小桃(1967- -),女,河南溫縣人,副教授,博士,主要從事能源開(kāi)發(fā)與利用方面的研究.第32卷第1期張小桃,等:玉米秸稈 氣化特性研究47表1生物質(zhì)原料的工 業(yè)分析和元素分析工業(yè)分析/%元素分析/%原料水分灰分揮發(fā)分H玉米秸5.9371.9517.7549. 955.9743.120.830.13注:元素分析是在干燥、無(wú)灰分生物質(zhì)成分基礎上.用AepenPlus建模時(shí),用到的主要反應模塊為單調遞增;H,和CH,含量單調遞減;C0含量先增RYield和RCibbe'3-41 ,氣化模型如圖1所示.大后減小;H,0含量先減小后增大;CO2含量的減小梯度則不斷趨于平緩.t Q-DECOMP為了研究水分對玉米秸稈氣化合成氣成分的影DECOMPGASIFY響,特比較含水率分別為10%和30%的玉米秸稈氣RYIELDINBURNERRGIBBS化合成氣中主要氣體成分CO、H2、CO2和H20隨空燃比的變化,結果如圖3所示從圖3可以看出,水BIOMASSAIR}[ PRODUCT ]分含量低的玉米秸稈氣化后合成氣中主要可燃成分圈1生物質(zhì)氣化模型CO和H2的總含量總高于含水分高的玉米秸稈氣化后合成氣中CO和H2的含量,而CO,和H20的生物質(zhì)原料和空氣分別進(jìn)入RYield和RGibbs總含量總小于含水分高的玉米秸稈氣化后合成氣中模塊,其中生物質(zhì)原料為非常規組分( NC). DE-CO2和H20的含量.可見(jiàn)于燥玉米秸稈原料,可使COMP模塊是將生物質(zhì)原料(非常規物質(zhì),NC)分解合成氣中可燃成分增加.為單元素分子和灰分,并將裂解熱導入GASIFY模塊. GASIFY模塊運用最小Cibbs自由能的方法計算+ 10%( CO;+H,);★10%(CO:+H,.O)s0，士 30%( CO+H,); - t 30%( CO, +H ,0)出氣化爐出口合成氣組成和溫度.理想化模型的假設條件為"):①氣化爐處于穩定運行狀態(tài),所有參數不隨時(shí)間發(fā)生變化;②氣化劑與生物質(zhì)顆粒在爐內瞬間完全混合;③生物質(zhì)中的10 1.11.2131.4151.61.71.81.920H,O,N,S全部轉為氣相,而C隨條件的變化不完全空燃比轉化;④氣化爐內的壓力相同,無(wú)壓力降;⑤生物質(zhì)圈3合成氣中主要成分隨空燃比的變化中的灰分為惰性物質(zhì),在氣化過(guò)程中不參與反應;⑥生物質(zhì)的顆粒溫度均勻,無(wú)梯度;⑦所有氣相反應3.2合成氣低位熱值隨空燃比的變化關(guān)系速度都很快,且達到了平衡;⑧氣化過(guò)程中的熱損失氣體低位熱值是指標準狀態(tài)下,單位體積氣體忽略不計.中可燃物熱值的總和.生物質(zhì)氣化所得的氣體燃料3模擬結果與討論的低位熱值由下式計算LHV = 126CO + 108H, + 359CH. + 665C.H。,3.1合成氣成分隨空燃比 的變化關(guān)系式中:LHV為氣體低位熱值, kJ/m';CO, H2, CH, .圖2為含水率為10%的玉米秸稈氣化后合成C.H。分別為CO,H2,CH.及碳氫化合物的體積百氣的成分隨空燃比的變化.從圖中可以看出N,含量分含量,%.合成氣低位熱值隨空燃比的變化關(guān)系如圖4所+ N;+C0;士H;一CH;+ CO,;十H,O示,在空燃比范圍內,合成氣熱值是隨空燃比的增大30先增大后減小的,在同一空燃比下玉米秸稈含水量生20多的氣化合成氣熱值低.這是因為隨著(zhù)空燃比的增加,C0和H,與O2反應生成CO2和H20,從而使產(chǎn)1.01.11.213141.51.6171.81.920氣中可燃氣成分下降,熱值隨之降低.結合圖3,在同一空燃比下含水多的玉米秸稈氣化,合成氣中可圈2合成氣成分含量隨空燃比的變化燃成分含量少,故而合成氣低位熱值低.48華北水利水電學(xué)院學(xué)報2011年2月+含10%水分母含20%水分士含30%水分3.4碳轉化率 隨空燃比的變化關(guān)系豐王碳轉化率是指生物質(zhì)燃料中的碳轉化為氣體燃料中的碳的份額，即氣體中含碳量與原料中含碳量之比.圖7為碳轉化率隨空燃比的變化關(guān)系如圖7所示含不同水分的玉米秸稈氣化,碳轉化率均隨空1.01.112131.41.51.61.71.81920燃比的增加而增加.結合圖5可以發(fā)現,在達到最高空燃比氣化效率的空燃比下,3種不同含水量的玉米秸稈圈4合成氣低位熱值隨空燃比的變化的碳轉化率均達到98%以上.3.3氣化效率隨空 燃比的變化關(guān)系100 r氣化效率是指生物質(zhì)氣化后生成氣體的總熱量與氣化原料的總熱量之比.它是衡量氣化過(guò)程的主80t 10%水分碳轉化事. 20%水分碳轉化事要指標.士30%水分碳轉化率通常用下式來(lái)定義氣化效率610 1.1 1.2 1.314 1.51.6 1.71.8 19 20氣化效率=冷氣體熱值x干冷氣體率,原料熱值其中干冷氣體率指單位質(zhì)量的原料氣化后所產(chǎn)生氣圈7碳轉化率隨空燃比 的變化體燃料在標準狀態(tài)下的體積.圖5給出了氣化效率隨空燃比的變化.氣化效優(yōu)化模型率隨空燃比的增加先增加后減小，含水率分別為在前面所建立模型的思路和基礎上,對該模型10% ,20%和30%的玉米秸稈,分別在空燃比為進(jìn)行局部調整,實(shí)現氣化合成氣與進(jìn)入氣化爐的空1.6,1.4,和1.3處達到最大值.氣化效率受氣體熱氣的換熱,使空氣溫度由25 C提高到250 C.優(yōu)化值和產(chǎn)氣率的綜合影響.結合圖4-6可以發(fā)現在低后模型如圖8所示.以含水率10%的生物質(zhì)原料氣空燃比下干冷氣體率增加起主要作用，氣化效率增化為例,優(yōu)化前后合成氣熱值和氣化效率變化如圖加;在相對高的空燃比下,合成氣熱值的降低起主要9所示發(fā)現空燃比小于1.6時(shí)，優(yōu)化后合成氣熱值作用,成為影響氣化效率降低的主要因素.和氣化效率均比優(yōu)化前有明顯提高;空燃比大于80r +含10%水分:女含20%水分:士含30%水分1.6時(shí),優(yōu)化前后差別不大. .70[Q-DECOMP4 60[ DECOMPHINBURNER- GASIFY一COOLERRYIELDRGIBBS40BIOMASSPRODUCT1.01.112131.4151.61.71.81920圈8生物質(zhì)氣化過(guò)程優(yōu)化模型圈5氣化效率隨 空燃比的變化+含10%水分:士含20%水分:一含30%水分2.602.0+優(yōu)化前合成氣熱值如3一優(yōu)化后合成氣熱值1.5-優(yōu)化前氣化效率.優(yōu)化后氣化效率1.04 -1.01.1 1213 1.4 151.6 1.7 1.8 19 201.0 1.1 12 1.3 1.4 15 1.6 1.7 1.8 19 2.086干冷氣體率隨空燃比的變化圈9優(yōu)化前后合成氣熱值和氣化效率隨空燃比的變化第32卷第1期.張小桃,等:玉米秸稈氣化特性研究49b.提高空氣溫度到250 C對氣化過(guò)程進(jìn)行優(yōu)化5結語(yǔ)后,在空燃比小于1.6時(shí),可以有效提高玉米秸稈氣用AspenPlus軟件模擬玉米秸稈氣化過(guò)程.主化的合成氣低位熱值和氣化效率,空燃比大于1.6要考察了空燃比在1 ~2范圍內變化時(shí),含水率分別時(shí),效果不明顯.為10% ,20%和30%的玉米秸稈氣化的合成氣成參考文獻分、低位熱值,氣化效率和碳轉化率隨空燃比的變化.并通過(guò)提高氣化劑空氣溫度由25心提高到[1] 何張陳,袁林竹,耿凡農作物廢棄物與煤混燃發(fā)電的250 C對氣化過(guò)程進(jìn)行優(yōu)化.得到:技術(shù)經(jīng)濟性一基于 江蘇省混燃案例的調研[J].能源a.生物質(zhì)原料含水率對生物質(zhì)氣化有很明顯的技術(shù),2008 ,29(6) :356 -361.影響.含水率分別為10%,20%和30%的玉米秸稈[2]馬隆龍,吳創(chuàng )之，孫立，等,生物質(zhì)氣化技術(shù)及其應用.[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版杜,2003.氣化后，分別在空燃比為1.6,1.4和1.3時(shí)得到氣[3] Aspen Technology. Aepen Plus Uer Guide[ M]. USA:Aap-化效率最大值，分別為74. 4% ,68.3%和62. 4%.en Technology ,2006.在最大效率下的合成氣熱值分別為5 245. 57,[4] Aspen Technology. Ceting Started Modeling Processes with4 849.53,4 285. 53 kJ/m' ,對應的碳轉化率分別為Solids[ M]. USA:Aepen Technology ,2006.100%,98.86%,100%.同時(shí)發(fā)現，減少玉米秸稈的[5] 張巍巍,陳雪莉,王輔臣,等.基于A(yíng)SPEN PLUS模擬生含水率,可使合成氣中可燃成分Co和H2的總含量物質(zhì)氣流床氣化工藝過(guò)程[1].太陽(yáng)能學(xué)報,2007,28增加，(12):1360 - 1364.Research on the Characteristics of Cornstalk GasificationZHANG Xiao-tao， HUANG Ming-hua, WANG Ai-jun, ZHANG Yan( North China Intitute of Water Conservency and Hydroelectric Power, Zhengzhou 450011, China)Abstract: The gaification processes of eonstalks respectively contained moisture at 10% , 20% and 30% , were simulated on the be-sis of AspenPlus software. When the air-biomass ratio varies from 1 to 2, the main performance indexes of the gaification proceos werecalculated, which include syngas molar fraction, eyngas LHV, carbon conversion eficiency and gsification eficiency. Through in-creasing gnifying agent temperature from 25 C to 250 C. the gasification process oplimization was made. The results ahowed thatwhen the air-biomass ratio was less than 1. 6, Byngas LHV and gaification eficiency were enhanced obviouely, but had no obviouschanges at the ratio more than 1. 6. The conclusions would be beneficial referencee to biomass gasifcation technology.Key words: cormsialk; gaification charcteristicg; AepenPlus sofware; proces optimization(責任編輯:藜洪濤)