毕业论文（设计）下吸式固定床气化炉气化特性研究

下吸式固定床气化炉气化特性研究摘要：生物质型CCHP系统中气化炉作为产气源，其气化特性将直接影响整个系统的能量输出和运行特性。本文以一台下吸式固定床气化炉为研究对象，运用了热化学平衡原理构建了理论模型，分别讨论了空气/生物质摩尔比率m、含湿量w、污泥占比对气化反应的影响。研究结果表明m的降低和w的增加，都会提高合成气的高位热值和降低反应温度。而污泥-红木联合气化反应中，污泥的加入会导致气化反应恶化。关键字：下吸式气化炉；热化学平衡；气化特性Investigationofgasificationcharacteristicsofadowndraftfixed-bedgasifierLAIKai,WUJing-Yi,LIChun-Yu(InstituteofRefrigerationandCryogenics,ShanghaiJiaoTongUniversity,Shanghai200240)Abstract:GasifierasproducinggassourceofBio-CCHPsystem,itsgasificationcharacteristicsdirectlyaffecttheenergyoutputandoperatingcharacteristicsofwholesystem.Inthispaper,adowndraftfixedbedgasifierisstudied.Agasifiermodelisconstructedbasedonthermalchemicalequilibriumtheory,andinfluenceofair/biomassmoleratio,moisturecontent,andsludgecontentongasificationisevaluated.Resultsshowthatwithdecreaseofbiomass/airmoleratioandincreaseofmoisturecontent,theHHVofsyngasimprovesandthereactiontemperaturereduces.Whiletheadditionofsludgeleadstodeteriorationofgasificationreactioninthesludge-redwoodco-gasification.Keywords:downdraftfixedbedgasifier;thermo-chemicalequilibrium;gasificationcharacteristics0.引言随着全球能源需求的不断增加和化石能源的日趋枯竭，绿色能源成为未来可持续发展的重要力量。传统的CCHP系统通过燃烧化石燃料或者天然气提供冷、热、电三种能量，只是提高了能量利用率并没有实现真正意义上的绿色能源。而生物质型CCHP系统，通过将可再生的生物质如秸秆、木屑、马粪等气化，生成可燃气进入内燃机发电、余热利用装置来实现三种能量的输出，可以说是真正意义上的绿色能源。生物质气化是以生物质为原料，以空气、水蒸气、氧气为气化剂，在高温条件下通过化学反应生成可燃性气体的过程。固定床气化炉可以分为下吸式和上吸式，下吸式的主要优点是生成的可燃气中焦油含量低，主要用于小型发电系统[1]。在对下吸式固定床气化炉的模拟上，黄海蓉等[2]利用ASPENPLUS建模对生物质型CCHP联合循环的能量输出特性进行研究、Murgia等[3]利用CFD三维模型对燃煤型下吸式固定床气化特性进行仿真计算。由于生物质型CCHP系统复杂，而他们的计算模型较为复杂、计算量太大，本文使用计算更为简单的热化学平衡模型对课题组CCHP系统中下吸式固定床气化炉进行仿真模拟，研究其在不同条件下的气化特性。另一方面除了纯生物质气化反应外，多种生物质联合气化反应也在工业领域大量运用，最典型的即是生物质掺混污泥的气化反应。污泥是城市、工业废水处理后的残留物，含有大量的有毒性挥发分和重金属，处理过程相对复杂。传统的处理方式包括填埋、掺入煤中焚烧。国外一些学者提出的污泥-生物质联合气化,能有效减少污泥对环境的影响，同时提高了对污泥的利用。本文也将对污泥-红木联合气化反应进行仿真，研究污泥的加入对整个气化反应的影响。1.模型建立1.1系统描述如图1所示，下吸式固定床气化炉可以分为四个区域，分别为干燥区、热解区、燃烧区、还原区。生物质原料进入气化炉后，由于含水量较高首先会进行干燥，干燥的能量来源于燃烧区的放热；之后进入热解区，生物质物料在热解区开始挥发出大量挥发分；燃烧区给整个系统提供能量，挥发分和喷嘴喷出的空气充分混合剧烈燃烧，生成水、二氧化碳等，并释放热量；还原区内，水和二氧化碳与固定碳发生还原反应，转化为一氧化碳和氢气，作为合成气的主要可燃成分。此外，合成气中还含有二氧化碳、甲烷、水、氮气和少量的氧气。生成的合成气先经过旋风分离器分离出小颗粒灰和渣，然后进入过滤器，除去合成气中的焦油，并进一步降低合成气的温度，最后进入内燃机。得到的合成气主要成分包括一氧化碳、氢气、甲烷。图1.下吸式固定床气化炉原理图1.2热力学模型建立本文将采用热力学平衡模型模拟气化过程，基本假设如下：时间足够长达到化学平衡整个气化炉绝热合成气只考虑由H2,CO,CO2,H2O,所有的生物质物料都转化为气相模型建立过程如下：一般性方程：CHx碳平衡方程：nCO+nCO氢平衡方程：2nH2+2nH2氧平衡方程：nCO+2n平衡等式：CO+H2O=CK1=nCO2其中K1K1=e4276TC+2H2=CHK2=nCH4其中K2可以用式（9）进行lnK2能量平衡方程：Hf,woodchips0+m其中nj代表nCO,nCO2,nH2OQair=m298TairCp,固体燃料生成热可以表达为：Hf,woodchips0=HHVwoodchips+Σn其中nk表示nCO生物质燃料的HHV可以通过式（14）进行计算HHV=0.3491C+1.1783H+0.1005S-0.1034O-0.0151N（14）上式中均指的是摩尔分数。2.模型验证Weightpercentage（%）HHV(kJ/kmol)H(kJ/kmol)CHONmoisturevolatilesfixedcarbonAsh452013-140633用于模拟的生物质燃料是笔者实验过程中使用的红木屑制成的条状燃料（RDF），经过热重分析之后得到其基本特性如下表。基于该初始条件，进行模型验证，用模拟计算的结果和实验所得结果进行对比，验证模型的有效性。除了RDF外，还对ZhehanOng等[4]中提到的woodships气化实验结果，进行仿真研究对比。图2：模拟值与实验值的对比从图2可以看出，模拟结果和实验结果有比较好的一致性。模拟结果中CO、H2、CH4均要高于实验值，这是因为在模拟中我们假设生物质物料全部转换为气相，而在实际实验中除了气相外，还有一定量的固态渣和灰。另外，实验中生成的生物质气中还有少量的O2说明气化并不完全，仍有少量的氧气未参与氧化反应。而由于模拟产生的可燃气成分均高于实验值，使得N2含量要低于实验值。综合来看，模型计算结果比较吻合实验结果，下面的研究中将采用该模型对下吸式固定床生物质气化特性进行仿真研究。模拟结果以下将利用上面已经验证有效的模型，对RDF的气化特性进行研究，主要考虑三个变量空气/生物质摩尔比率m、生物质含湿量w(m=0.39)、掺混污泥比例。在对w、和污泥联合气化反应的模拟中，由于未进行相关实验，所以未与实验结果进行比较。空气/生物质摩尔比率m(w=0.093)图3：不同的空气/生物质摩尔比率下合成气组分占比图4：不同的空气/生物质摩尔比率下反应温度和合成气HHV图3、4显示不同空气/生物质摩尔比率下，合成气气体组分、温度、HHV的模拟结果，模拟结果与实验结果保持较好的一致性。可以看到随着参与反应的空气量增加，大量的氧气参与氧化反应使得温度大幅提高，温度的提高有利于还原反应的转换效率。但是，随着空气流速增加，动力学逐渐占主导地位，使得CO2、H2O未完全参与还原反应就离开还原区，所以高热值可燃气CO、H2、CH4占比均减少，尤其是CO、CH4下降幅度较大，导致整个合成气的HHV也是大幅降低。所以在实际的利用当中，在一定范围内提高参与反应的空气流量有利于提高整个合成气的质量和产气率。但是，另一方面空气流量过大又会影响还原反应效率，因此理论上存在一个最佳流量点。此外，在实际情况中流量过大会导致流态灰渣快速凝固变成固态，造成灰渣结块导致整个气化炉运行工况恶劣。所以一个合适的空气/生物质摩尔比率是至关重要的，能给实际实验过程一个很好的参考。生物质含湿量w(m=0.39)图5：不同生物质含湿量下合成气组分占比图6：不同生物质含湿量下反应温度和合成气HHV图5、6显示不同生物质含湿量条件下的气化特性。随着含湿量的增加，反应温度开始降低，那是因为在干燥区生物质中液态的水蒸发转化为水蒸气需要消耗大量的热量使得反应温度降低。温度降低相应的导致还原反应CO生成量减少。而另一方面由于参与还原反应的水蒸气增加，生成CH4的量也会增加，而CH4的热值要高出CO、H2许多，所以整个合成气的热值也是随着含湿量的增加而增加。理论上含湿量的增加对气化反应是促进作用，但是实际试验中生物质含湿量过高会造成点火困难，一般控制在30%以下。3.3.污泥-红木联合气化反应下面将对污泥-红木联合气化反应进行模拟，研究其气化特性。混合生物质基本的初始特性如下：0%sludge10%sludge20%sludge30%sludgeC47.11%45.75%44.39%43.03%H5.71%5.41%5.35%5.30%O45.00%43.17%41.33%39.50%N0.50%0.95%1.41%1.86%S0.60%0.68%0.77%0.85%图7：不同污泥比例下合成气含量占比图8：不同污泥比例下气化反应温度和合成气HHV图7、8显示掺入不同污泥比例下的生物质气化特性。随着掺混比例的增加，反应温度大大降低，原因在于污泥中杂质较多可燃性挥发分较少，燃烧生成的热量减少导致温度降低。另一方面，由于混入污泥后的物料C、H含量明显减少，两方面的原因导致合成气中CO、H2含量降低，所以合成气的HHV下降明显。综上分析，污泥的加入会使得整个气化反应变得恶劣。4.结论（1）本文采用的热力学模型，模拟计算结果与实验结果比较吻合，可以用来研究生物质气化特性研究。（2）空气/生物质摩尔比率的提高，使得反应温度提高，而由于动力学占主导，高热值可燃气CO、H2、CH4占比均减少，合成气HHV也降低。（3）生物质物料的含湿量增加，需要更多的干燥能量，使得反应温度降低，CO含量会降低。而参与还原反应水蒸气增加，生成的CH4也增加，由于CH4热值远高于CO、H2，所以合成气的HHV也增大。（4）污泥-红木联合气化反应中，由于污泥的加入，可燃性挥发分降低，导致反应温度降低，所以CO、H2生成量会降低，合成气的HHV也会降低。参考文献：[1]ReedTB，DasA．HandbookofBiomassDowndraftGasifierEngineSystem［M］USA:BiomassEnergyFoundationPress，1988[2]黄海蓉,梁栋,黄模志生物质型CCHP系统的联合循环仿真及性能分析[J]化工学报2015;66;76-83.[3]Murgia,S.