热管式生物质气化炉的模拟

第59卷第2期化学报Vol. 59 No. 22008年2月Journal of Chemical Industry and Engineering (China)February 2008总研究论文热管式生物质气化炉的模拟王中贤,张红,陈兴元,庄骏(南京工业大学能源学院,江苏南京210009)摘要:从化学反应和传热两个方面考虑,建立了生物质间接供热气化模型,包括化学反应和传热两个子模型。化学反应子模型可以预测产气主要成分以及气化反应需要的热量,而传热子模型则可以估算热管的总热阻和传热功率。在模型分析基础上,开发设计了热管式生物质气化炉,并对化学反应子模型进行了验证。结果表明生物质间接供热气化模型成功地预测了产气主要成分,在利用热管间接供热的生物质气化产气中氢气含量在50%~60%之间,并且气体热值较高,可达10MJ·m关键词:间接供热;生物质气化;热管;模型;热值中图分类号:TK6文献标识码:A文章编号:0438-1157(2008)02-0316-06Simulation of heat pipe biomass gasifierWANG Zhongxian, ZHANG Hong, CHEN Xingyuan, ZHUANG JunCollege of Energy, Nanjing University of Technology, Nanjing 210009, Jiangsu, China)Abstract: A mathematical model of indirectly heated biomass gasification was developed consisting ofchemical reaction and heat transfer submodels was developed. The chemical reaction submodel could predictthe main components of the product gas as well as the external heat required for biomass gasification. Theheat transfer submodel could estimate the total thermal resistance and heat transfer rate of heat pipe. Basedon the analysis of two submodels, a heat pipe biomass gasifier was designed. Experiments were carried outin the heat pipe biomass gasifier to validate the chemical reaction submodel. The results showed that thechemical reaction submodel was accurate for the prediction of the main components of the product gas. Thepercentage of hydrogen in the product gas was about 50%-60% and the heating value of the product gascould reach 10 MJ. m in the heat pipe biomass gasifierKey words: indirectly heated; biomass gasification; heat pipe; model; heating value引言到的燃气中氮气含量高,可燃成分少,热值一般为4~7M·m-32。而间接供热气化是将燃烧和气生物质气化经济性高,是生物质清洁利用的一化过程分开进行,产气中不含氮气,热值较高,种主要形式,也是可再生能源技术发展的重要方般为中热值气体。本文基于间接供热气化的优向。由于开发可再生能源和环保的需要,生物质势以及热管技术的特色,研究一种新型的热气化技术在国际上受到高度的重视,目前的生物质管式生物质气化炉,它是将高温热管技术应用到吸气化一般都采用空气燃烧的直接供热气化方式,得热反应的生物质气化中,实现生物质间接供热气2007—06-19收到初稿,2007-11-02收到修改稿联系人:张红,第一作者:王中贤(1977-),女,博士研究生dH中国煤化工CNMH GG基金项目:江苏省科技成果转化专项资金(BA2006012)。第2期上中贤等:热管式生物质气化炉的模拟317·化。本文从化学反应和传热两个方面考虑,建立了Xe,p'o生物质间接供热气化模型,包括化学反应和传热两个子模型,在模型分析基础上,开发设计了热管式式中p为标准压力,规定p-100P2,合并生物质气化炉,并对化学反应子模型进行了验证。式(7)~式(9)K? Xco, XH1化学反应子模型Xux热管式生物质气化炉中的生物质气化过程,是个复杂的反应系统,要研究这类反应系统的机理式(10)和式(1)中的标准平衡常数与温度有是很困难的。本文的化学反应模型是以化学热力学关,可通过推导得到标准平衡常数的计算关为基础,研究气化过程中的所有反应都达到平衡时系式的燃气成分的变化。此模型虽然简单,但可以用来1.4平衡常数预测产气主要成分以及气化反应需要的热量物质的比定压热容与温度的关系式为1.1模型假设Cp,m=a+br+ct+dT3在化学反应子模型中,做如下假设(1)燃料由C、H和O元素组成,而N和Svc,△d-等元素可以忽略;(2)产气组成为CO、CO2、H、CH1则有△cp,m=△a+△hT|△cT2+△dI3和H2O;(3)气化炉密封良好,没有气休泄漏Kirchhof等式为d(△,He)(4)在每一个计算步屮系统都达到热力学(14)平衡积分得1.2质量平衡△H=△T+r+4T+4r+1(15)根据质量平衡,可分别得到C平衡、H平衡和O平衡方程式中I是积分常数。Van' t hoff 4等式为Nu I 2N2xn2+4Amt1+2Xn2°d(lnK°)△.H(16)燃料巾的碳是按转化率=90%进行反应。积分得1.3化学平衡K=k(△dhr+T+合7+7-)+气化反应过程中C与水蒸气的反应(R1)、Boudouard反应(R2)以及甲烷生成反应(R3)式中J是积分常数对燃气最终组成起关键作用,因而选取这3个反应当温度一定时,有下列关系作为化学平衡计算的基础△Gn=-RTnK式(18)表示了标准半衡常数K°与反应的标准摩H2O亠C—CO+H2(4)尔反应吉布斯函数△G的关系R2化学反应的标准摩尔反应焓△,I和标准摩尔C+CO(5)反应吉布斯函数△,C可分别由参加反应各物质的R3标准摩尔生成焓△H"和标准摩尔生成吉布斯函数C+2H,--CH6)298K时有标准平衡常数分别为中国煤化工。m(19)XCNMHG由式(12)~式(20)可求得积分常数I和了,从而可获得标准平衡常数与温度的关系·318·化工学报第59卷表1稻草的元素分析和工业分析Table 1 Ultimate and proximate analysis of strawUltimate analysisProximate analysisHeating valueFixed carbon/MJ·kg-132.3174.62336.98.7616.4261.6513.18l.46表2水蒸气/燃料比对结果的影响Table 2 Effect of steam to biomass ratio on resultsSteam to biomass ratio H,/%co/%CO2/%CH4/%Heating value/MJ·m0.60.628.77×1000.9062.12.23.1014.78158×10-16577.2063.039.3563.6318.0018.373.50×101.5反应需要的热量对生物质气化炉中的气化过程进行能量分析,可得气化反应需要的热量H, a co∑△H12mX+∑-,XTCHa x CO,qe-q,m(21)式中n是系统热效率,T是燃气出口时的温度,qm是随物料进人气化炉的热量,qsm是随水蒸气进入气化炉的热量。60065070075080085009501.6化学反应子模型的求解式(1)~式(3)和式(10)、式(11)5个图1温度对产气主要成分的影响方程中有5个未知数,组成一组非线性方程组,采Fig. 1 Effect of temperature on main components用 Newton-Raphson方法,在 Matlab界面中编of product gas (steam to biomass ratio=0. 8)程实现模型的求解。根据式(21)可计算气化反应需要的热量。模型中用稻草作为物料,其工业分析和元素分析如表1所示1.7化学反应子模型结果化学反应子模型主要研究床层反应温度和水蒸气/燃料比对产气主要成分和热值的影响,反应温度在650~900℃之间,以5mol·h-燃料进行气化,水蒸气/燃料比取0.4、0.6、0.8和1.0。通600650700750800850900950过能量平衡关系式计算得到气化反应需要的热量模拟结果如表2、图1和图2所示图2气体热值随温度的变化表2是床层温度在900℃时,水蒸气/燃料比2 Effect of对结果的影响。可知气体的热值随着水蒸气/燃料of product gas (steam to biomass ratio=0. 8)比的增加呈降低趋势,这是由于燃气中可燃成分择0.8CO含量的减少所引起的。而气化需要的热量随水中国煤化工.8时,产气主要成蒸气/燃料比的增加呈增长趋势,则是因为C与水分CNMHG气化温度的升高,蒸气的还原反应加强,而这一反应是吸热反应。所CH4含量较低,CO、H2含量呈增长的趋势,而以水蒸气/燃料比不宜选择过大,本文中一般选CO2含量减少。这是因为反应R1和R2均是吸热第2期王中贤等:热管式生物质气化炉的模拟319·反应,根据 Arrhenius定律,温度的升高,有利于系数和辐射传热系数之和,A是热管冷凝段表面反应向正方向进行。图2是水蒸气/燃料比为0.8积。这里h采用文献[12]中得到的传热经验关时,气体热值随温度的变化图。由图可知,随温度联式Na=0.655Re6进行近似计算的升高,气体热值增加,这是因为温度的升高,燃热管冷凝段(蒸发段)管壁导热热阻可按常规气中可燃成分增加,而不可燃成分减少。的圆管壁导热公式计算n(D。-D)2传热子模型(23)传热子模型是运用热管的热阻网络模型0n(D。一D)(24)2rkm Le来估算热管的总热阻和传热功率,根据气化反应需式中kn1是管壁金属热导率。要的热量来计算需要的热管数目热管冷凝段(蒸发段)吸液芯传热热阻r32.1热管描述(r)也可看成是通过圆管壁的导热热阻热管是一种典型的依靠自身内部工作介质相n(D-D。)(25)变实现热量传递的传热元件,具有很高的导热性、2rkvL。优良的等温性、热流密度可变性以及热二极管等优7=n(D-D。)(26)点。碳钢水热管是以碳钢为壳体、水为工作液体式中k是充满液体的吸液芯的热导率,可通过的两相闭式热虹吸管,其结构简单、价格便宜,能式(27)计算得到大规模为工程采用。而高温热管是以液体金属(钾、钠、锂、汞等)为介质,不锈钢或其他耐热ekr(27)钢为管壳,能在500~1200℃高温环境中工作的式中ε是吸液芯的固体分数,并且有热管。B=1+(,/)(k,k)(28)2.2热管的热阻网络模型式中k,13和k:分别是固体吸液芯和液体工作介单根热管的热阻网络模型是将热管分成不同热质的热导率。k可采用文献[14]中的公式k阻组成的网络,把热阻的总热阻看成各个部分的热124.67-0.11381T+5.5226×10-5T2-1.1842阻之和。如图3所示,r1是热管冷凝段和气化床层10-8T进行计算,式中的T是热管内工作介质的之间的传热热阻,r2(r8)是热管冷凝段(蒸发温度。段)管壁导热热阻,r3(r)是热管冷凝段(蒸发气液交界面上的传热热阻r4(r6)和蒸汽流段)吸液芯传热热阻,r(r6)是气液交界面上的动热阻n5一般较小,可忽略不计。则单根热管的传热热阻,r是蒸汽流动热阻。以下对各个热阻进传热功率计算如下行分析式中T是热管蒸发段温度,T是气化炉床层温度,这里近似认为T=T。热管的尺寸如表3所表3热管尺寸heat outputTable 3 Dimensions for heat pipe图3热管的热阻网络模型D,/mFig 3 Thermal resistance model of heat pipe0.030.0270.0180.415热管冷凝段和气化床层之间的传热热阻r可2.3中国煤化工由式(22)计算CNMHG的总热阻和传热功率,计算结果如表4所示。由表可知热管总热阻主式中h是气化床层中热管冷凝段表面的对流传热要由热管冷凝段和气化床层之间的传热热阻决定320化工第59卷表4热管传热子模型的结果Table 4 Results of heat transfer submodelThermal resistant/K.W-lHeat transfer rate8.282×102.733×105.390×15.390×10-32.733×10-09,4单根热管的传热量可以满足气化反应所需。3热管式生物质气化炉将高温热管引人生物质气化炉中,提供气化反应需要的热量,由化学反应子模型和传热子模型计算结果可知,单根热管的传热量可以满足气化反应20所需,因此本文设计了单根热管的生物质气化炉,如图4所示。单根高温热管(尺寸如表3所示)垂00650700750850900950直布置在气化炉中心线上,吸热段附有圆形翅片以强化传热,高温热管将热量由高温热源传递到床图5试验结果与模拟计算的对比层内,以供生物质气化反应所需。饱和水蒸气经过Fig 5 Comparison of model results热后进入床层,和生物质发生气化反应。fuel gas4结论建立了生物质的间接供热气化模型,包括化学反应和传热两个子模型distributor(1)由化学反应子模型和传热子模型计算结果可知,单根热管的传热量可以满足气化反应所需因此本文设计了单根热管的生物质气化炉(2)化学反应子模型的模拟结果和试验结果能较好吻合,利用热管供热的生物质气化产气中H2含量在50%~60%之间,产气热值较高,可达10MJ图4热管式生物质气化炉符号说明Fig. 4 Heat pipe biomass gasifierA—换热面积,m对单根热管的生物质气化炉进行试验研究,试a,b,c,d常数验结果与模拟计算对比见图5。由图可知模拟计算—比热容,kJ·kg·K的H2、CO2和CH4的含量随温度的变化与试验结D—直径,m果有着相同的变化趋势,而CO在温度高于800℃△G一吉布斯函数,kJ·kg后模拟值较试验值稍高。这是由于在800℃以上△H反应焓,kJ·kgh—传热系数,W·K1·m-2时,CO与水蒸气的变换反应较易进行,而模型中,J积分常数并没有考虑这一变换反应,使得模拟值与试验值有定误差。总体来看,模拟计算结果与试验结果能中国煤化工较好的吻合。利用热管间接供热的生物质气化产气CNMHG中H2含量可达60%,产气热值较高,可达10N—反应物i的物质的量,molselt数第2期王中热管式生物质气化炉的模拟p——系统压力,Pausing a latent heq—传热量,WExperimental evaluations, Biomass andR气体常数,8,314J·mol'·K20(4):2s7-305Re-Reynolds数[5] Karl ]. 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