玉米秸秆气化特性研究

第32卷第1期华北水利水电学院学报VoL 32 No. 12011年2月Journal of North China Institute of Water Conservancy and Hydroelectric PowerFeb.2011文章编号:1002-5634(2011)01-0046-04玉米秸秆气化特性研究张小桃,黄明华,王爱军,张燕(华北水利水电学院,河南郑州450011)要:基于 Aspen Plus模拟平台,对含水率分别为10%,20%和30%玉米秸秆气化过程进行模拟.计算了空燃比在1-2范围内变化时,气化过程的主要性能指标:合成气成分、合成气低位热值、碳转化率和气化效率并把气化剂空气温度从25℃提高到250℃对玉米秸秆气化过程进行优化结果表明:在空燃比小于1.6时,合成气低位热值和气化效率得到明显提高,大于1.6时,优化前后差别不大此结论对生物质气化技术提供了有益的参考关键词:五米秸秆;气化特性; Aspen Plus软件;过程优化随着我国经济的快速发展和农民生活水平的提剩余焦炭和灰渣.热分解过程中的产物除了CO2高,农作物秸秆不再作为农户的传统燃料和肥料,出CO、CH4、不饱和芳香烃化合物(像C2H4和CH6),现了大量剩余.为了不误农时,农民在收种季节常常还有水蒸气、H2、O2和N2,其中H2、CO、CH4和CH将农作物秸秆推进河道中或在田野直接焚烧,不仅是可燃气体,CO2和N2是不可燃气体污染了河水和空气,而且还严重浪费了宝贵的资焦炭气化过程发生在氧气富足区域,可以用以源().秸秆气化技术的研究是秸秆资源合理利用的下化学方程式描述基础笔者在建立常压气化炉模型的基础上,基于氧化反应Aspen Plus模拟平台,以温度为25℃的空气为气化2C+02=2C0↑,剂,对含水率分别为10%,20%和30%时秸秆气化进行仿真.分析了合成气成分、低位热值、气化效率2c0+O,=2CO,↑和碳转化率随空燃比(空气质量与生物质质量比)还原反应的变化关系.通过提高气化剂温度来优化气化过程C+CO2=2CO↑提高气化效率甲烷化及气体重整1生物质气化C+H2O=CO↑+H2↑C+2H2=CH4↑,生物质气化技术是最近几年发展比较迅速的一cO+H2O=CO2↑+H2↑种生物质热化学处理技术,它可将低品位的固体生2C0+2H2=CH4↑+CO2↑物质原料转化为高品位的洁净气体燃料.气化反应分为气化物质中挥发分的析出(热解阶段)和残2气化模型焦碳的气化(生成的焦碳气化阶段)两个阶段选取取材方便、储量丰富的玉米秸秆作为生物热解过程是生物质在缺氧条件下的热分解过质气化原料.其工业分析和元素分析见表121程在加热条件下生物质中的挥发分不断析出,最后收稿日期:2010-11-12基金项目:郑州市科技发展计划项目(074SCCC321085)通讯作者:张小桃(1967—),女,河南温县人,副教授,博士,主要从事能V凵中国煤化工CNMHG第32卷第1期张小桃,等:玉米秸秆气化特性研究衰1生物质原料的工业分析和元素分析原料工业分析/素分析/水分灰分挥发分固定炭玉米秸71.9549,955.9743.120.830.13注:元素分析是在干燥、无灰分生物质成分基础上用 AspenPlus建模时,用到的主要反应模块为单调递增;H2和CH4含量单调递减;CO含量先增YIeld和 RGibbs3,气化模型如图1所示大后减小;H2O含量先减小后增大;CO2含量的减小梯度则不断趋于平缓.--HQ-DECOMP F---=-为了研究水分对玉米秸秆气化合成气成分的影DECOMPINBURNERGASIFY响,特比较含水率分别为10%和30%的玉米秸秆气RYIELDRGIBBS化合成气中主要气体成分CO、H2、CO2和H2O随空燃比的变化,结果如图3所示从图3可以看出,水BIOMASSPRODUCT分含量低的玉米秸秆气化后合成气中主要可燃成分图1生物质气化模型CO和H2的总含量总高于含水分高的玉米秸秆气化后合成气中CO和H2的含量,而CO2和H2O的生物质原料和空气分别进人RYid和 RGibbs总含量总小于含水分高的玉米秸秆气化后合成气中模块其中生物质原料为非常规组分(NC).DECO2和H12O的含量.可见干燥玉米秸秆原料可使cOMP模块是将生物质原料(非常规物质,NC)分解合成气中可燃成分增加为单元素分子和灰分,并将裂解热导入 GASIFY模块. GASIFY模块运用最小Gibb自由能的方法计算30%c01H);30%co,+H0出气化炉出口合成气组成和温度理想化模型的假设条件为:①气化炉处于稳定运行状态,所有参数不随时间发生变化;②气化剂邵20与生物质颗粒在炉内瞬间完全混合;③生物质中的H,O,N,S全部转为气相,而C随条件的变化不完全101.11213141.5161.7181920空燃比转化;④气化炉内的压力相同,无压力降;⑤生物质图3合成气中主要成分随空燃比的变化中的灰分为惰性物质,在气化过程中不参与反应;⑥生物质的颗粒温度均匀,无梯度;⑦所有气相反应32合成气低位热值随空燃比的变化关系速度都很快,且达到了平衡;⑧气化过程中的热损失气体低位热值是指标准状态下,单位体积气体忽略不计中可燃物热值的总和.生物质气化所得的气体燃料3模拟结果与讨论的低位热值由下式计算LH=126C0+108H2+359H4+665CH,3.1合成气成分随空燃比的变化关系式中LHV为气体低位热值,kJ/m3;CO,H2,CH4图2为含水率为10%的玉米秸秆气化后合成cH分别为Co,H2,CH,及碳氢化合物的体积百气的成分随空燃比的变化从图中可以看出N2含量分含量,%t 50rN2:+Co;+H,:-CH,:+C0, :+H,o合成气低位热值随空燃比的变化关系如图4所示,在空燃比范围内,合成气热值是随空燃比的增大30先增大后减小的,在同一空燃比下玉米秸秆含水量多的气化合成气热值低,这是因为随着空燃比的增10加,q凵中国煤化工和H0从而使产011.21.314151.61.71.81920气空燃比CNMHG低结合图3在同一L下小多时五不相气化,合成气中可图2合成气成分含量随空燃比的变化燃成分含量少,故而合成气低位热值低华北水利水电学院学报011年2月一含10%水分一含20%水分一含30%水分3.4碳转化率随空燃比的变化关系碳转化率是指生物质燃料中的碳转化为气体燃料中的碳的份额,即气体中含碳量与原料中含碳量之比图7为碳转化率随空燃比的变化关系.如图7所示含不同水分的玉米秸秆气化,碳转化率均随空10112131415161.71.81920燃比的增加而增加结合图5可以发现,在达到最高空燃比气化效率的空燃比下,3种不同含水量的玉米秸秆图4合成气低位热值随空燃比的变化的碳转化率均达到98%以上33气化效率随空燃比的变化关系气化效率是指生物质气化后生成气体的总热量与气化原料的总热量之比它是衡量气化过程的主80要指标主映除通常用下式来定义气化效率101.11.21.3l41.5161.71.81920气化效率=冷气体热值x干冷气体率空燃比其中干冷气体率指单位质量的原料气化后所产生气图7碳转化率随空燃比的变化体燃料在标准状态下的体积图5给出了气化效率随空燃比的变化气化4优化模型率随空燃比的增加先增加后减小,含水率分别为在前面所建立模型的思路和基础上,对该模型10%,20%和30%的玉米秸秆,分别在空燃比为进行局部调整,实现气化合成气与进入气化炉的空1.6,14,和1.3处达到最大值气化效率受气体热气的换热,使空气温度由25℃提高到250℃.优化值和产气率的综合影响结合图4-6可以发现在低后模型如图8所示以含水率10%的生物质原料气空燃比下干冷气体率增加起主要作用,气化效率增化为例,优化前后合成气热值和气化效率变化如图加;在相对高的空燃比下合成气热值的降低起主要9所示发现空燃比小于1.6时,优化后合成气热值作用,成为影响气化效率降低的主要因素和气化效率均比优化前有明显提高;空燃比大于一含10%水分;一含20%水分;一含30%水分1.6时,优化前后差别不大DECOMPINBURNERH GASIFYRYIELDRGIBBS FCOOLERBIOMASSPRODUCT10.I1213l,415161.71.81920空燃比图8生物质气化过程优化模型图5气化效率隨空燃比的变化2.5+含10%水分一含20%水分;一含30%水分优化前合成气热值优化前气化效率Y壮后气壮折中国煤化工10112t314ts1617131520l920空燃比CNMHG图6干冷气体率随空燃比的变化9优化前后合成气热值和气化效率随空燃比的变化第32卷第1期张小桃,等:玉米秸秆气化特性研究5结语b.提高空气温度到250℃对气化过程进行优化后,在空燃比小于1.6时,可以有效提高玉米秸秆气用 AspenPlu8软件模拟玉米秸秆气化过程.主化的合成气低位热值和气化效率,空燃比大于1.6要考察了空燃比在1~2范围内变化时,含水率分别时,效果不明显为10%,20%和30%的玉米秸秆气化的合成气成分、低位热值,气化效率和碳转化率随空燃比的变化并通过提高气化剂空气温度由25℃提高到[1]何张陈袁林竹耿凡.农作物废弃物与煤混燃发电的250℃对气化过程进行优化.得到技术经济性——基于江苏省混燃案例的调研[J]能源a.生物质原料含水率对生物质气化有很明显的技术,2008,29(6):356-361影响含水率分别为10%,20%和30%的玉米秸秆[2】马隆龙,吴创之,孙立,等生物质气化技术及其应用气化后,分别在空燃比为1.6,1,4和1.3时得到气[M].北京:化学工业出版杜,2003化效率最大值,分别为74.4%,68.3%和62.4%,[3] Aspen Technology. Aspen Plus User Guide[ M].USA:A即p在最大效率下的合成气热值分别为5245.57[4]Aspen Technology. Getting Started Modeling Processes with4849.53,4285.53kJ/m,对应的碳转化率分别为Solids[ M]. USA: Aspen Technology, 2006100%,98.86%,100%.同时发现减少玉米秸秆的[5]张巍巍,陈雪莉,王辅臣,等基于 ASPEN PLUS模拟生含水率,可使合成气中可燃成分CO和H2的总含量物质气流床气化工艺过程[].太阳能学报,2007,28增加(12):1360-1364Research on the Characteristics of Cornstalk GasificationZHANG Xiao-tao, HUANG Ming-hua, WANG Ai-jun, ZHANG YanNorth China Institute of Water Conservancy and Hydroelectric Power, Zhengzhou 450011, China)Abstract: The gasification processes of cornstalk respectively contained moisture at 10%, 20% and 30%, were simulated on the ba-sis of Aspen Plus software. When the air-biomass ratio varies from 1 to 2, the main performance indexes of the gasification process werecalculated, which include syngas molar fraction, syngas LHV, carbon conversion efficiency and gasification efficiency. Through in-creasing gasifying agent temperature from 25 t to 250C, the gasification process optimization was made. The results showed thatwhen the air-biomass ratio was less than 1. 6, syngas LHV and gasification efficiency were enhanced obviously, but had no obviouschanges at the ratio more than 1. 6. The conclusions would be beneficial references to biomass gasification technologyKey words: cornstalk; gasification characteristics; Aspen Plus software; process optimization(责任编辑:黎洪海中国煤化工CNMHG