热管式生物质气化炉间接气化模拟研究

第43卷第4期热力发电Vol 43 No 42014年4月THERMAL POWER GENERATIONApr.2014执管式生物质气化炉间接气化模拟砑究冯亮,张红,王中贤,沈妍,于萍(南京工业大学能源学院,江苏南京211816)[摘要]建立了热管式生物质气化炉间接气化的动力学模型,研究气化温度和水蒸气与生物质添加量之比(简称为S/B)对气体组分、热值和气体总产率的影响。结果表明:H2和CO的体积分数随着气化温度的升高而增加,CO2的体积分数随着温度的升高而减少;增加S/B有利于H2和CO2的产生,不利于CO的生成;生物质气化气体产物中H2的体积分数在50%~60%之间时,气体热值可高达10MJ/m3。[关键词]热管;生物质;气化炉;动力学模型;体积分数;热值[中图分类号]TK6[文献标识码]A[文章编号]10023364(2014)04-0059-04[DOI编号]10.3969/j.issn.10023364.2014.04.059Simulation of indirect gasification in heat pipe biomass gasifierFENG Liang, ZHANG Hong, WANG Zhongxian, SHEN Yan, YU PingCollege of Energy, Nanjing University of Technology, Nanjing 211816, ChinaAbstract: 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生物质气化是通过热化学反应将可再生生物质能转换为清洁气体燃料的过程,是可再生能源开发1几何模型利用的重要方向。目前,生物质气化一般采用空试验装置如图1所示。生物质从侧面进入气化气或者空气水蒸气作为气化剂,由于空气中的氮气炉,过热水蒸气作为气化介质通过分布板进入气化降低了气化产物的热值2,而以水蒸气作为气化剂炉,高温热管在燃烧室内的一端为吸热段,在气化炉的间接供热气化技术(是获得高热值气的有效途内的一端为放热段,将燃烧室的热量传入气化炉,为径。间接供热气化炉包括载体供热式潜热沙囊式、生物质和水蒸气的间接气化提供反应热,气化产物压力热管式等4。热管作为一种高效的传热方式,通过燃气出口排出。气化炉模型直径100mm,以其优良的传热性能在工业生产的不同领域中得到高1000mm,径向共布置5排,每排4根直径了广泛应用。本文建立了热管式生物质气化炉25mm,长37mm,倾角45°的高温热管。间接气化的动力学模型,分析了气化温度和S/B对采用Tet/ Hybrid划分网格(图2),总网格数量出口气体组分、热值和气体总产率的影响。约为1.2×105。生物质选稻草,物料特性见表1。收稿日期:2013-0401作者简介:冯亮(1988-)男,江苏徐州人,硕士研究生,研读方向为热管技术的研究与利中国煤化工Er-mail:hotfengliang@126.comCNMHG热力发电2014年燃烧室高温热管图2模型网格划分Fig 2 Mesh generation生物质图1热管式生物质气化炉结构示意表1稻草的工业和元素分析Table 1 Proximate and ultimate analysis of the straw工业分析/元素分析/%低位热值水分灰分挥发分固定碳C8.7516.426113.1832.3174.62336.9910.8892数学模型CO2、CH4和H2O。假设模拟过程是一个单相化学模型假设生物质在高温环境下迅速热解,仅考反应,将固定碳的反应转化成气体均相反应模型进虑气体和焦炭的产生;把焦炭作为气相考虑;气化过行研究。程主要考虑CO、H2、CO2、CH4、C和H2O6种气相由于气化炉内湍流运动十分强烈,本文不考虑成分;无滑移等温壁面条件反应时气体间的传热和混合问题,认为气相间的反应完全由反应动力学因素控制,所有反应作为二级1控制方程反应处理。气体均相反应模型采用组分输运模化学反应的存在增加了连续性方程动量方程、型;湍流采用标准湍流模型;化学反应为容积反应组分输运方程的源项和能量方程的反应热项,因此速率采用有限速率/涡耗散模型;采用P1模型描述质量、动量、组分及能量方程应为7辐射传热过程。主要化学反应为.u=(1)C+H2O→CO+H2(5)atC+CO2→→2COo2+v(auu)=-Vp+V(uVu)t Sm(2)C+2H2→CH4(7)aV(Y)+SY,=+(pD,V(Y))(3)CO+H2O→CO2+H2(8)9(H)CH4+H2O→CO+3H2at t V(auh)= v(vT)+s, (4)各化学反应的动力学参数见表2910式中,Y1、D、a1分别为组分的质量分数、扩散系数、生成速率,Sb、Sn、Sn分别为质量源项、动量源项、能表2化学反应动力学参数量源项。Table 2 Kinetic parameters of the chemical reaction化学反应频率因子K/s-1活化能E/(kJ·mol-1)2.2化学反应模型式(5)1.214×105生物质气化化学反应包括挥发分析出、气体均式(6)5.55×1033.061×10相反应、气固异相反应3个过程。由于流化床传热式(7)0.2082.33×105速率高,生物质挥发分析出的时间比气化反应短很式(8)2.978×10123.695×105多,故假设生物质进入流化床后立刻挥发,热解剩余H式(9)中国煤化工1.68×102物仅含有固定碳,热解气体产物主要考虑CO、H2、CNMHGhttp:/www.rlfd.comcnhttp://rlfd.periodicalsnet.cn4期冯亮等热管式生物质气化炉间接气化模拟研究3计算结果及分析是因为床层温度沿气化炉轴向逐渐升高,反应式(5)、式(6)式(9)向消耗CO2、CH4生成H2、CO的3.1床温和气体分布方向进行,使得H2的质量分数不断增加,而CO2和选取生物质流量为0.4kg/h,蒸汽量为CH4的质量分数不断减小。扩散对沿气化炉径向0.8kg/h,不同气化温度下的1组工况进行计算,研究床层温度对生物质气化的影响。工况参数见表气体组分含量的影响较小。3,工况4的床层温度和主要气体在床内的分布情况表3温度变化工况如图3所示。由图3可见,床层温度沿轴向快速升Table 3 The temperature conditions高到1070K左右,基本满足所需要的气化温度,径项目工况1工况2工况3工况4工况5工况6工况7向温差随着床层高度的增加趋于平均;气化炉内反应温度65070075080085090095、CO含量沿轴向逐渐增大,CO2、CH4含量沿轴向逐渐减小,沿径向气体组分含量的变化很小。这1.09e+031.05c+03!温h!體!自1.04e+033.03e-021.65e-027.61e01.03e+07.22e-023.02e-021.56e.01.02e+033.02e-021.0le+03.01e-021.36e-026.43e-029.98e+0126e.026.04e.03.00e-021.16e-025.65e-09.75e+01.06e-029.64e+09.6le-09.53c+04.47e-094le+04.08e-027.63e-036.64e039.19e+023.29e-022.96e-0265e-033.29e-028.96e+028.85e+022.12e-022.68e-08.74e+021.73e-022.94e-021.73e.0263e+02133e-022.94e021.33e02(a)床层温度T/K(b)Co/%(c)CO2/%(d)CH4/%(e)H2/%图3工况4床层温度和气体组分分布Fig 3 Distribution of the(a)bed temperature and concentration of(b)co(c)co2(d )CH(e)H, under condition 43.2床温对气化结果的影响在50%~60%之间,成增长趋势,CO2体积分数不图4为工况1-7气体产物体积分数随床层温断减小,CO体积分数不断增大,CH4体积分数较度的变化情况。低,随温度变化不明显。H CH图5为床层温度对气体热值和总产率的影响。12.011.5气体热值一气体总产率尔勺票3=11.00.6650700750800850900950度℃650700750800850900950温度/C图4床层温度对气体组分的影响Fig 4 Effect of bed temperature on gas compositions图5床层温度对气体热值和气体总产率的影响中国煤化工reon由图4可见,随着床温的升高,H2的体积分数CNMHGe gashttp:lwww.rlfd.comcnhttp://rlfd.periodicals.net.cn热力发电2014年由图5可见,气体热值和总产率随床层温度升高逐渐增大,其中床层温度低于800℃时气体总产10.4率上升快,高于800℃时较平缓。可见,床温在800气体总产率℃时,气化效果较好。10.23.3S/B对气化结果的影响反应温度为800℃C,生物质量流量0.4kg/h10.0旦栅礼址改变S/B的1组工况见表4表4不同S/B计算工况Table 4 Calculation conditions withdifferent steam/biomass mass ratios项目工况8工况9工况10工况11工况12图7S/B对气体热值和总产率的影响S/BFig. 7 Effect of steam/ biomass mass ratio on蒸汽流量、0.40.81.2heat value and total yield of the ga/(kg·h-l)1.64结论图6为气体产物体积分数随S/B的变化情况。由图6可见,随S/B的增加,H2体积分数缓慢增大(1)在热管式生物质气化炉的气化工程中H(约55%),CO体积分数快速下降,而CO2体积分CO的体积分数、气体热值和气体总产率随着气化数快速上升。这主要是因为随着S/B的增加参与温度的升高而升高,CO2的体积分数随着气化温度反应的水蒸气量增大,水蒸气分压力增大水蒸气重的升高而下降,CH4基本上不随温度的变化而变整变换反应和CH4蒸汽重反应向正方向移动,所以化。从气体热值气体总产率气化组成综合考虑,CO和CH,的体积分数减少,而CO2和H2的体积气化温度为800C时气化效果较好分数增加。(2)H2、CO2的体积分数、气体总产率随着S/B的增加而增加,CO体积分数、气体热值随着S/B的增加而降低,从气体热值、气体总产率、气体组成综合考虑,S/B在2~3时,气化效果较好[参考文献][1]吴创之,马隆龙.生物质能现代化利用技术[M].北京化学工业出版社,2003WU Chuangzhi, Ma Longlong. Modern applicationtechnology of biomass[M. Beijing Chemical IndustryPress, 2003(in Chinese)图6S/B对气体组分的影响[2]黄海涛,熊祖鸿,吴创之,下吸式气化炉处理有机废弃物[].过程工程学报,2003,3(5):477-480Fig 6 Effect of steam/biomass mass ratio on gas compositionHUANG Haitao, XIONG Zuhong, wU Chuangzhi图7为气体热值和总产率随S/B变化的情况。Treatment of organic wastes in a down-draft gasifier由图7可见,气体热值随S/B的增大逐渐减小;气JI. The Chinese Journal of Process Engineering体总产率在S/B<3时增加较快,在S/B>3时增加2003,3(5):477-480缓慢。增加水蒸气添加量会消耗大量能量,且随着[3] Pletka r, Brown C, Smeenk. Indirectly heated bicmass gasification using a latent heat ballast-1: experiS/B的增加水蒸气气化率快速下降,而未反应的水nental evaluations[J]. Biomass and Bioenergy, 2001,20蒸气还会造成很大的热损失。因此,S/B应在2~3(4):297-305范围内。(下转第68页)YH出中国煤化工NMHGhttp:www.rlfd.comcnhttp:rlfd.periodicals.net.cn力发电2014年(in Chinese)on coal char gasification in COz atmosphere (I): iso-[5]陈鸿伟,吴亮,索新良,等.浑源煤焦CO2气化反应的thermal gravimetric analysis [J]. 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