畢業(yè)論文（設(shè)計）下吸式固定床氣化爐氣化特性研究

下吸式固定床氣化爐氣化特性研究摘要：生物質(zhì)型CCHP系統(tǒng)中氣化爐作為產(chǎn)氣源，其氣化特性將直接影響整個系統(tǒng)的能量輸出和運行特性。本文以一臺下吸式固定床氣化爐為研究對象，運用了熱化學平衡原理構(gòu)建了理論模型，分別討論了空氣/生物質(zhì)摩爾比率m、含濕量w、污泥占比對氣化反應(yīng)的影響。研究結(jié)果表明m的降低和w的增加，都會提高合成氣的高位熱值和降低反應(yīng)溫度。而污泥-紅木聯(lián)合氣化反應(yīng)中，污泥的加入會導(dǎo)致氣化反應(yīng)惡化。關(guān)鍵字：下吸式氣化爐；熱化學平衡；氣化特性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.引言隨著全球能源需求的不斷增加和化石能源的日趨枯竭，綠色能源成為未來可持續(xù)發(fā)展的重要力量。傳統(tǒng)的CCHP系統(tǒng)通過燃燒化石燃料或者天然氣提供冷、熱、電三種能量，只是提高了能量利用率并沒有實現(xiàn)真正意義上的綠色能源。而生物質(zhì)型CCHP系統(tǒng)，通過將可再生的生物質(zhì)如秸稈、木屑、馬糞等氣化，生成可燃氣進入內(nèi)燃機發(fā)電、余熱利用裝置來實現(xiàn)三種能量的輸出，可以說是真正意義上的綠色能源。生物質(zhì)氣化是以生物質(zhì)為原料，以空氣、水蒸氣、氧氣為氣化劑，在高溫條件下通過化學反應(yīng)生成可燃性氣體的過程。固定床氣化爐可以分為下吸式和上吸式，下吸式的主要優(yōu)點是生成的可燃氣中焦油含量低，主要用于小型發(fā)電系統(tǒng)[1]。在對下吸式固定床氣化爐的模擬上，黃海蓉等[2]利用ASPENPLUS建模對生物質(zhì)型CCHP聯(lián)合循環(huán)的能量輸出特性進行研究、Murgia等[3]利用CFD三維模型對燃煤型下吸式固定床氣化特性進行仿真計算。由于生物質(zhì)型CCHP系統(tǒng)復(fù)雜，而他們的計算模型較為復(fù)雜、計算量太大，本文使用計算更為簡單的熱化學平衡模型對課題組CCHP系統(tǒng)中下吸式固定床氣化爐進行仿真模擬，研究其在不同條件下的氣化特性。另一方面除了純生物質(zhì)氣化反應(yīng)外，多種生物質(zhì)聯(lián)合氣化反應(yīng)也在工業(yè)領(lǐng)域大量運用，最典型的即是生物質(zhì)摻混污泥的氣化反應(yīng)。污泥是城市、工業(yè)廢水處理后的殘留物，含有大量的有毒性揮發(fā)分和重金屬，處理過程相對復(fù)雜。傳統(tǒng)的處理方式包括填埋、摻入煤中焚燒。國外一些學者提出的污泥-生物質(zhì)聯(lián)合氣化,能有效減少污泥對環(huán)境的影響，同時提高了對污泥的利用。本文也將對污泥-紅木聯(lián)合氣化反應(yīng)進行仿真，研究污泥的加入對整個氣化反應(yīng)的影響。1.模型建立1.1系統(tǒng)描述如圖1所示，下吸式固定床氣化爐可以分為四個區(qū)域，分別為干燥區(qū)、熱解區(qū)、燃燒區(qū)、還原區(qū)。生物質(zhì)原料進入氣化爐后，由于含水量較高首先會進行干燥，干燥的能量來源于燃燒區(qū)的放熱；之后進入熱解區(qū)，生物質(zhì)物料在熱解區(qū)開始揮發(fā)出大量揮發(fā)分；燃燒區(qū)給整個系統(tǒng)提供能量，揮發(fā)分和噴嘴噴出的空氣充分混合劇烈燃燒，生成水、二氧化碳等，并釋放熱量；還原區(qū)內(nèi)，水和二氧化碳與固定碳發(fā)生還原反應(yīng)，轉(zhuǎn)化為一氧化碳和氫氣，作為合成氣的主要可燃成分。此外，合成氣中還含有二氧化碳、甲烷、水、氮氣和少量的氧氣。生成的合成氣先經(jīng)過旋風分離器分離出小顆?；液驮?，然后進入過濾器，除去合成氣中的焦油，并進一步降低合成氣的溫度，最后進入內(nèi)燃機。得到的合成氣主要成分包括一氧化碳、氫氣、甲烷。圖1.下吸式固定床氣化爐原理圖1.2熱力學模型建立本文將采用熱力學平衡模型模擬氣化過程，基本假設(shè)如下：時間足夠長達到化學平衡整個氣化爐絕熱合成氣只考慮由H2,CO,CO2,H2O,所有的生物質(zhì)物料都轉(zhuǎn)化為氣相模型建立過程如下：一般性方程：CHx碳平衡方程：nCO+nCO氫平衡方程：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）進行l(wèi)nK2能量平衡方程：Hf,woodchips0+m其中nj代表nCO,nCO2,nH2OQair=m298TairCp,固體燃料生成熱可以表達為：Hf,woodchips0=HHVwoodchips+Σn其中nk表示nCO生物質(zhì)燃料的HHV可以通過式（14）進行計算HHV=0.3491C+1.1783H+0.1005S-0.1034O-0.0151N（14）上式中均指的是摩爾分數(shù)。2.模型驗證Weightpercentage（%）HHV(kJ/kmol)H(kJ/kmol)CHONmoisturevolatilesfixedcarbonAsh452013-140633用于模擬的生物質(zhì)燃料是筆者實驗過程中使用的紅木屑制成的條狀燃料（RDF），經(jīng)過熱重分析之后得到其基本特性如下表。基于該初始條件，進行模型驗證，用模擬計算的結(jié)果和實驗所得結(jié)果進行對比，驗證模型的有效性。除了RDF外，還對ZhehanOng等[4]中提到的woodships氣化實驗結(jié)果，進行仿真研究對比。圖2：模擬值與實驗值的對比從圖2可以看出，模擬結(jié)果和實驗結(jié)果有比較好的一致性。模擬結(jié)果中CO、H2、CH4均要高于實驗值，這是因為在模擬中我們假設(shè)生物質(zhì)物料全部轉(zhuǎn)換為氣相，而在實際實驗中除了氣相外，還有一定量的固態(tài)渣和灰。另外，實驗中生成的生物質(zhì)氣中還有少量的O2說明氣化并不完全，仍有少量的氧氣未參與氧化反應(yīng)。而由于模擬產(chǎn)生的可燃氣成分均高于實驗值，使得N2含量要低于實驗值。綜合來看，模型計算結(jié)果比較吻合實驗結(jié)果，下面的研究中將采用該模型對下吸式固定床生物質(zhì)氣化特性進行仿真研究。模擬結(jié)果以下將利用上面已經(jīng)驗證有效的模型，對RDF的氣化特性進行研究，主要考慮三個變量空氣/生物質(zhì)摩爾比率m、生物質(zhì)含濕量w(m=0.39)、摻混污泥比例。在對w、和污泥聯(lián)合氣化反應(yīng)的模擬中，由于未進行相關(guān)實驗，所以未與實驗結(jié)果進行比較。空氣/生物質(zhì)摩爾比率m(w=0.093)圖3：不同的空氣/生物質(zhì)摩爾比率下合成氣組分占比圖4：不同的空氣/生物質(zhì)摩爾比率下反應(yīng)溫度和合成氣HHV圖3、4顯示不同空氣/生物質(zhì)摩爾比率下，合成氣氣體組分、溫度、HHV的模擬結(jié)果，模擬結(jié)果與實驗結(jié)果保持較好的一致性。可以看到隨著參與反應(yīng)的空氣量增加，大量的氧氣參與氧化反應(yīng)使得溫度大幅提高，溫度的提高有利于還原反應(yīng)的轉(zhuǎn)換效率。但是，隨著空氣流速增加，動力學逐漸占主導(dǎo)地位，使得CO2、H2O未完全參與還原反應(yīng)就離開還原區(qū)，所以高熱值可燃氣CO、H2、CH4占比均減少，尤其是CO、CH4下降幅度較大，導(dǎo)致整個合成氣的HHV也是大幅降低。所以在實際的利用當中，在一定范圍內(nèi)提高參與反應(yīng)的空氣流量有利于提高整個合成氣的質(zhì)量和產(chǎn)氣率。但是，另一方面空氣流量過大又會影響還原反應(yīng)效率，因此理論上存在一個最佳流量點。此外，在實際情況中流量過大會導(dǎo)致流態(tài)灰渣快速凝固變成固態(tài)，造成灰渣結(jié)塊導(dǎo)致整個氣化爐運行工況惡劣。所以一個合適的空氣/生物質(zhì)摩爾比率是至關(guān)重要的，能給實際實驗過程一個很好的參考。生物質(zhì)含濕量w(m=0.39)圖5：不同生物質(zhì)含濕量下合成氣組分占比圖6：不同生物質(zhì)含濕量下反應(yīng)溫度和合成氣HHV圖5、6顯示不同生物質(zhì)含濕量條件下的氣化特性。隨著含濕量的增加，反應(yīng)溫度開始降低，那是因為在干燥區(qū)生物質(zhì)中液態(tài)的水蒸發(fā)轉(zhuǎn)化為水蒸氣需要消耗大量的熱量使得反應(yīng)溫度降低。溫度降低相應(yīng)的導(dǎo)致還原反應(yīng)CO生成量減少。而另一方面由于參與還原反應(yīng)的水蒸氣增加，生成CH4的量也會增加，而CH4的熱值要高出CO、H2許多，所以整個合成氣的熱值也是隨著含濕量的增加而增加。理論上含濕量的增加對氣化反應(yīng)是促進作用，但是實際試驗中生物質(zhì)含濕量過高會造成點火困難，一般控制在30%以下。3.3.污泥-紅木聯(lián)合氣化反應(yīng)下面將對污泥-紅木聯(lián)合氣化反應(yīng)進行模擬，研究其氣化特性?；旌仙镔|(zhì)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%圖7：不同污泥比例下合成氣含量占比圖8：不同污泥比例下氣化反應(yīng)溫度和合成氣HHV圖7、8顯示摻入不同污泥比例下的生物質(zhì)氣化特性。隨著摻混比例的增加，反應(yīng)溫度大大降低，原因在于污泥中雜質(zhì)較多可燃性揮發(fā)分較少，燃燒生成的熱量減少導(dǎo)致溫度降低。另一方面，由于混入污泥后的物料C、H含量明顯減少，兩方面的原因?qū)е潞铣蓺庵蠧O、H2含量降低，所以合成氣的HHV下降明顯。綜上分析，污泥的加入會使得整個氣化反應(yīng)變得惡劣。4.結(jié)論（1）本文采用的熱力學模型，模擬計算結(jié)果與實驗結(jié)果比較吻合，可以用來研究生物質(zhì)氣化特性研究。（2）空氣/生物質(zhì)摩爾比率的提高，使得反應(yīng)溫度提高，而由于動力學占主導(dǎo)，高熱值可燃氣CO、H2、CH4占比均減少，合成氣HHV也降低。（3）生物質(zhì)物料的含濕量增加，需要更多的干燥能量，使得反應(yīng)溫度降低，CO含量會降低。而參與還原反應(yīng)水蒸氣增加，生成的CH4也增加，由于CH4熱值遠高于CO、H2，所以合成氣的HHV也增大。（4）污泥-紅木聯(lián)合氣化反應(yīng)中，由于污泥的加入，可燃性揮發(fā)分降低，導(dǎo)致反應(yīng)溫度降低，所以CO、H2生成量會降低，合成氣的HHV也會降低。參考文獻：[1]ReedTB，DasA．HandbookofBiomassDowndraftGasifierEngineSystem［M］USA:BiomassEnergyFoundationPress，1988[2]黃海蓉,梁棟,黃模志生物質(zhì)型CCHP系統(tǒng)的聯(lián)合循環(huán)仿真及性能分析[J]化工學報2015;66;76-83.[3]Murgia,S.