热管式生物质气化炉反应过程的理论分析

第28卷第6期南京工业大学学报Vol.28No.62006年11月JOURNAL OF NANJING UNIVERSITY OF TECHNOLOGYNov.2006热管式生物质气化炉反应过程的理论分析于红梅,张红，王中贤庄骏(南京工业大学机械与动力工程学院江苏南京210009 )摘要:将高温热管技术应用于生物质 气化过程发明了- -种新型气化装置一热管 式生物质固定床气化炉HPBGF( Heat Pipe Bionass Gasification Furnace )以实现无空气生物质高温热解气化工艺。用化学计量关系研究以水蒸气为气化剂的生物质秸秆)气化反应机理根据气化产物推导出气化过程中理论上的总反应方程式。通过C-H-O物系平衡分析确定温度在气化过程的重要性得出高温热管的引入对气化产物组成的影响为进-步研究奠定基础。关键词:高温热管化学计量关系生物质气化*中图分类号:TK6文献标识码:A .文章编号:1671 - 7643( 2006 )06 - 0082 -04生物质气化是指将固体生物质转化为气体燃料容是实现生物质燃料的清洁燃烧和高效利用发展的热化学过程。在这个过程中气化装置内游离生物质的各种能源转换利用技术。而温度是生物质气或结合氧与燃料中的碳进行热化学反应生成可燃能源转化的关键控制因素,气化产物的成分、热值、气体。固态生物质的气化是利用空气中的O2或含氧焦油和CO的质量分数都与温度有密切关系。可见物质作为气化剂将固态燃料中的碳氧化成可燃气的有效控制床层温度是生物质能源利用技术的重要突过程采用不同原料和吹入气体(空气02或水蒸破口。热管式固定床气化炉便是利用高温热管有效气)所产生的可燃气成分也各异。现行的固定床生控制反应器内床层温度的一种新型气化装置。物质气化系统基本以空气和水蒸气同时作为气化剂。热管是依靠自身内部工作介质相变实现热量传但由于空气中N2的存在使气化产物热值不高2-61，递的高效传热元件 具有很高的导热性、优良的等温水蒸气气化是获得高热值气的有效途径。性、热流密度可变性等优点8]。高温热管是以液体将热管技术独特的传热和结构特点应用到化学金属(K、Na、Li、Hg等)为介质不锈钢或其他耐热反应器中国内外学者都作了--些研究提出了一系钢为管壳能在500~1200C高温环境中工作的列的热管化学反应器结构,但将热管技术应用于生热管。物质反应器中国内尚无报道。国外J. Karl等人报本研究的思路是发明一种利用高温热管供给生道了高温热管流化床生物质气化反应器7]并将所物质所需热量的气化装置，利用热管将热量传递到得燃气用于发电,设备已经成功运行48 h。固定床内的生物质提供生物质与蒸气发生还原反介绍自行研发的热管式生物质气化炉(HPB-应所需的反应热其结构见图1。设备有两个同心GF ) ,以秸秆为反应物料尝试用化学计量关系方法壳体组成。内壳体为反应区外壳与内壳之间为供探讨生物质气化的反应机理。通过C-H-O物系热区利用工业上的高温烟气加热热管蒸发段通过平衡分析确定温度在气化过程的重要性得出高温布置不同数量的高温热管，以调控气化炉床层温度。热管的引入对气化产物组成的影响及热管式生物质这将直接影响气化床层的温度场分布、产物气的成气化炉的优点。分和热值。1热管式固定床气化炉HPBGF的提出中国煤化工量关系CNMHG对于生物质能源利用技术开发研究的核心内研究王物质气化过程自元必须弄清楚气化反应收稿日期2006 -08 -30作者简介于红梅1982- )女江苏沭阳人硕士生主要研究方向为热管技术的研究与利用;红(联系人)教授,E-mail Jnzhang@ nju. edu. cn第6期于红梅等热管式生物质气化炉反应过程的理论分析83生物质进口的原理而实际上此过程是一个复杂的反应系统有高温热管1厂→产气出口许多反应同时发生于此过程。对该系统的准确分析2-烟气出口很困难然而反应过程中总的变化和产物组成严格受到化学计量关系的限制而且用化学计量关系分s°。析往往可简化反应系统。参与气化过程的反应有两类。即非均相气-固外壳反应和气相的均相反应前者是指气化剂或产物与固定碳的反应,而后者涉及气化剂和气相产物之间烟气进u→已气化床售内亮的反应。以水蒸气为气化剂的生物质进料系统为例，参灰份出口与这个反应系统的反应见表1[9]。图1热管式生物质气化炉结构Fig. 1 Schematic diagram of HPBGF表1气化过程中的反应Table 1 The reactions of gsification反应类型方程式反应热/(k} mol-')序号 .C + 0.502= CO- 123.0(1)燃烧反应C+O2=CO2- 409.0(2)C+H20=H2+C0119. 0(3)气化反应.C + CO2= 2C0162. 0(4)C + 2H2= CH4-87.0(5)H2 + 0.502= H20- 242.0(6)气相燃烧反应.CO + 0.502= CC- 283.2(7)CO+H2O=H2+CO2-42. 0(8)气相反应CO + 3H2= CH4+ H20-206.0(9)热裂解反应CHxOy=( 1-y)C + yCO +x/2 H217. 4( 10)对传统的气化过程反应所需热量为自身放出的反应热初次反应物是C、O2和H2O初次反应是3反应系统的总反应方程式反应(1)~(3)并由此得到二次反应剂CO、CO2和H2。反应(4)~(8)涉及初次与二次反应剂之间的首先定义反应进程9(即各个反应参与的程反应。反应(9 )是两个二次反应剂生成三次产物度)为:CH4的反应。以上9个反应可在七维空间写成矩阵n;-nρ(11 )的形式通过对矩阵求秩的办法,可得出矩阵的秩为4即七维空间中9个向量中只有4个是独立的。当对于热管式生物质气化炉，以气化物料秸秆为然这并不意味着反应的机理和顺序也这样。例,根据秸秆元素分析(1]可计算得化学式为热管式固定床气化炉内的热量由热管从外界引CH.430.6591相对分子质量为24.31。反应过程先入并通过热管的等温性和热流密度可变性控制床进行裂解反应,有如下4个独立的反应方程:层温度系统内的反应过程更加复杂。CH中国煤化工.715H2 +17.4 kJ/ mol下面将从试验所得气化产物的组成及化学计量MYHCNM HG(12)CO +H2O=H, + CO2 -42 kJ/mol(13)关系推算热管式生物质气化反应理论上的系统方C +2H, =CH, -87 kJ/mol.(14).程式。.84南京工业大学学报第28卷C+H2O=H2 +CO + 119 kJ/mol .(15)中,即使时间无限增长，也不可能使反应达到完全。分别对(12)(13)(14)(15)式中各物质C、H20、以上反应式(13)(14)(15)达到平衡时用气体分CO、CO2、H2、CH4和CH.430.68的摩尔比值作系统压表示的平衡常数K{10]为: .矩阵。则系统矩阵为:_Pco2. PH2Kp='(17 )「0.320.6800.7150-11PcoPH200-1100_PCH4R(18).10-210P'H2-.K. Pco: PH2(19)由(11)得:PH2Onc -ncop=0.68ζ12 +ζ1s -513.( 17).( 18)、( 19 )3式中共有5个未知数,所以还nco2 -nco2ρ=ζ13需要另外两个独立的关系式才能解得,假设物系ncH4 -ncH4ρ=ζ14中只有C和H20,则由物料衡算关系和压力关在这个七维空间、4个向量的系统中,只知道系得:CO、CO2、CH,3个关键组分，为此必须再加一个条PIr +2pcu, =Pco + 2Pco2(20)件即生物质发生裂解之后形成的C在以后的燃PH2 +Pau4 +Pco +Pco2 +Pn2o=P(21 )烧气化过程中完全耗光即:在压力和温度一定时由式17 )~( 21 )可解得气化nc-nco=0所以有D. 32612=ζ1s +ζ14产物各组分的平衡含量( K由文献[ 10 ]查得),再有3个关键组分的初始值为0得:C-H- 0平衡关系见图2。(512 =0. 32nco +0. 32nco2 -0. 68ncHa0rζ13 =nco20|514 =ncH4(61s =nco + nco2 + ncH430|综合试验结果,气化产物中3个关键组分的含:tHO; 20量是xu(CO)=35% u( CO2 )=20% u( CH4 )=15%。十-CH,[512 =0.62经归-化后得:ζ13 =0.18514=0.13300 400 500 600 700 800 900t/C(ζ1s =0.07所以总反应方程式为:图2 C-H-O平衡关系CH.43O0.68 + 0.4H20 = 0.5C0 + 0. 695H2 +Fig.2 The equilibrium of C- H - O .0. 29CO2 +0. 21CH4 +0.4 kJ/mol( 16)反应方程式(16)是根据气化产物的量推导出.由图2可知随着温度的变化，各组分质量分数来的不同的产物量系数也不同但方法相同。这个的变化趋势明显不同。C0和H2质量分数随温度反应式是今后进行数值计算的基础。分析气体热值升高而增加,CH4质量分数则相反。在500 C时可知,CO 和H2的质量分数越高,气体热值越高,CO2质量分数最高然后逐渐下降。由热值分析可CO,的质量分数越少热值越高。温度是反应过程知理论上气化过程的最佳反应区温度在800 ~中的重要参数，以下将从C-H-0物系平衡来分析850中国煤化工气体平均组成为:w .温度对产物气的影响。(H, )HCNMHG( CH,)=5%。由此可见在反应物料量、气化剂量、压力等因素不变的4C-H-0气化系统的平衡特征情况下控制温度可控制生物质气化的有效组分的质量分数,从而提高反应热值提高生物质能利用严格而擞搪化反应是可逆反应,在可逆反应率热管技术的引入正是基于此机理。第6期于红梅等热管式生物质气化炉反应过程的理论分析85P, 表示i组分的分压力5结论平衡常数通过以上分析可得如下结论。参考文献:(1)根据实验产物成分，利用化学计量关系研[1]马隆龙,吴创之,孙力.生物质气化技术的应用M]北京:化学工业出版社,2003.究生物质气化的反应机理,可将化学反应方程式[ 2 ]钟浩,谢建,杨忠涛.生物质热解气化技术的发展现状J]( 12)~( 15 )从理论上等价为总反应方程式( 16 ),云南师范大学学报,2001 ,21( 1 ):41 -45.( 16 )式为数值计算的基础;[ 3 ]顾念祖,嵇文娟.秸秆气化炉的探讨[ J]工业炉, 2004 ,9(2)用C-H-0平衡特征研究了温度和产物(3):21 -23.气成分的影响理论上气化过程的最佳反应区温度[4]刘国喜,庄新珠.国外生物质气化技术的应用[J]农村能源,2000 ,7(4):12-14.在800 ~850 °C此温度范围内的产气热值最高;[ 5 ]国家经贸委资源节约与综合利用司.2000年~2015年新能( 3 )热管式生物质气化炉的创新之处在于引入源和可再生能源发展规划J]中国能源2002 A(11)3-7.热管,可通过调节热量的导入来控制床层温度,以达[ 6 ] Morf P , Hasler P. Mechanisms of tar conversion during fix - bed到控制生物质气化有效组分的质量分数、提高产气gasification[ C ]// Proceeding of the 1st World Conference on bi-热值的目的。omass. London : Jarmnes & James Ltd. ,2000.如何使温度场在最佳反应条件下均匀分布是[ 7 ] KarlJ , Brost Q ,Metz Th ,et al. Decentalized generation of heatand power by means of the Biomas Heatpipe Refomer[ J] 12"进一步研究的重点,目前已进入试验研究阶段。International Heat Pipe Conference ,2000 ,161 - 165.[ 8 ]庄骏张红.热管技术及其工程应用[ M]北京化学工业出符号说明版社,2000.反应进程[ 9 ]沙新中,杨南星.煤的气化与应用[ M]上海华东科技大学反应后反应混合物中i组分的量,mol出版社, 1995.. [ 10] 华东工学院编.合成氨[ M]北京:中国工业出版社,1964.反应开始时i组分的量同,mol各反应的化学计量系数Estimation on reaction process of the heat pipebiomass gasification furnaceYU Hong-mei , ZHANG Hong , WANG Zhong-xian ,ZHUANG Jun( College of Mechanical and Power Engineering , Nanjing University of Technology , Nanjing 210009 , China )Abstract A novel gasification equipment - heat pipe biomass gasification furnace ( HPBCF ) was presented to thebiomass gasification process. The chemometric method was used to investigate gasification mechanism of straw usingsteam as a gasifying agent in HPBGF. The total reaction equation was obtained according to the products. By analy-sing the equilibrium of C- H- 0 ,it is cleared that temperature is very important in the gasification progress. Theeffect of using high temperature heat pipe on the compounds of gasification production has been analyzed as well. Itformed the basis for further studies.Key words high temperature heat pipe ; chemistry computation中国煤化工onYHCNMHG.