熱管式生物質氣化爐間接氣化模擬研究
- 期刊名字:熱力發電
- 文件大?。?77kb
- 論文作者:馮亮,張紅,王中賢,沈妍,于萍
- 作者單位:南京工業大學能源學院
- 更新時間:2020-06-15
- 下載次數:次
第43卷第4期熱力發電Vol 43 No 42014年4月THERMAL POWER GENERATIONApr.2014執管式生物質氣化爐間接氣化模擬砑究馮亮,張紅,王中賢,沈妍,于萍(南京工業大學能源學院,江蘇南京211816)[摘要]建立了熱管式生物質氣化爐間接氣化的動力學模型,研究氣化溫度和水蒸氣與生物質添加量之比(簡稱為S/B)對氣體組分、熱值和氣體總產率的影響。結果表明:H2和CO的體積分數隨著氣化溫度的升高而增加,CO2的體積分數隨著溫度的升高而減少;增加S/B有利于H2和CO2的產生,不利于CO的生成;生物質氣化氣體產物中H2的體積分數在50%~60%之間時,氣體熱值可高達10MJ/m3。[關鍵詞]熱管;生物質;氣化爐;動力學模型;體積分數;熱值[中圖分類號]TK6[文獻標識碼]A[文章編號]10023364(2014)04-0059-04[DOI編號]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生物質氣化是通過熱化學反應將可再生生物質能轉換為清潔氣體燃料的過程,是可再生能源開發1幾何模型利用的重要方向。目前,生物質氣化一般采用空試驗裝置如圖1所示。生物質從側面進入氣化氣或者空氣水蒸氣作為氣化劑,由于空氣中的氮氣爐,過熱水蒸氣作為氣化介質通過分布板進入氣化降低了氣化產物的熱值2,而以水蒸氣作為氣化劑爐,高溫熱管在燃燒室內的一端為吸熱段,在氣化爐的間接供熱氣化技術(是獲得高熱值氣的有效途內的一端為放熱段,將燃燒室的熱量傳入氣化爐,為徑。間接供熱氣化爐包括載體供熱式潛熱沙囊式、生物質和水蒸氣的間接氣化提供反應熱,氣化產物壓力熱管式等4。熱管作為一種高效的傳熱方式,通過燃氣出口排出。氣化爐模型直徑100mm,以其優良的傳熱性能在工業生產的不同領域中得到高1000mm,徑向共布置5排,每排4根直徑了廣泛應用。本文建立了熱管式生物質氣化爐25mm,長37mm,傾角45°的高溫熱管。間接氣化的動力學模型,分析了氣化溫度和S/B對采用Tet/ Hybrid劃分網格(圖2),總網格數量出口氣體組分、熱值和氣體總產率的影響。約為1.2×105。生物質選稻草,物料特性見表1。收稿日期:2013-0401作者簡介:馮亮(1988-)男,江蘇徐州人,碩士研究生,研讀方向為熱管技術的研究與利中國煤化工Er-mail:hotfengliang@126.comCNMHG熱力發電2014年燃燒室高溫熱管圖2模型網格劃分Fig 2 Mesh generation生物質圖1熱管式生物質氣化爐結構示意表1稻草的工業和元素分析Table 1 Proximate and ultimate analysis of the straw工業分析/元素分析/%低位熱值水分灰分揮發分固定碳C8.7516.426113.1832.3174.62336.9910.8892數學模型CO2、CH4和H2O。假設模擬過程是一個單相化學模型假設生物質在高溫環境下迅速熱解,僅考反應,將固定碳的反應轉化成氣體均相反應模型進慮氣體和焦炭的產生;把焦炭作為氣相考慮;氣化過行研究。程主要考慮CO、H2、CO2、CH4、C和H2O6種氣相由于氣化爐內湍流運動十分強烈,本文不考慮成分;無滑移等溫壁面條件反應時氣體間的傳熱和混合問題,認為氣相間的反應完全由反應動力學因素控制,所有反應作為二級1控制方程反應處理。氣體均相反應模型采用組分輸運?;瘜W反應的存在增加了連續性方程動量方程、型;湍流采用標準湍流模型;化學反應為容積反應組分輸運方程的源項和能量方程的反應熱項,因此速率采用有限速率/渦耗散模型;采用P1模型描述質量、動量、組分及能量方程應為7輻射傳熱過程。主要化學反應為.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)各化學反應的動力學參數見表2910式中,Y1、D、a1分別為組分的質量分數、擴散系數、生成速率,Sb、Sn、Sn分別為質量源項、動量源項、能表2化學反應動力學參數量源項。Table 2 Kinetic parameters of the chemical reaction化學反應頻率因子K/s-1活化能E/(kJ·mol-1)2.2化學反應模型式(5)1.214×105生物質氣化化學反應包括揮發分析出、氣體均式(6)5.55×1033.061×10相反應、氣固異相反應3個過程。由于流化床傳熱式(7)0.2082.33×105速率高,生物質揮發分析出的時間比氣化反應短很式(8)2.978×10123.695×105多,故假設生物質進入流化床后立刻揮發,熱解剩余H式(9)中國煤化工1.68×102物僅含有固定碳,熱解氣體產物主要考慮CO、H2、CNMHGhttp:/www.rlfd.comcnhttp://rlfd.periodicalsnet.cn4期馮亮等熱管式生物質氣化爐間接氣化模擬研究3計算結果及分析是因為床層溫度沿氣化爐軸向逐漸升高,反應式(5)、式(6)式(9)向消耗CO2、CH4生成H2、CO的3.1床溫和氣體分布方向進行,使得H2的質量分數不斷增加,而CO2和選取生物質流量為0.4kg/h,蒸汽量為CH4的質量分數不斷減小。擴散對沿氣化爐徑向0.8kg/h,不同氣化溫度下的1組工況進行計算,研究床層溫度對生物質氣化的影響。工況參數見表氣體組分含量的影響較小。3,工況4的床層溫度和主要氣體在床內的分布情況表3溫度變化工況如圖3所示。由圖3可見,床層溫度沿軸向快速升Table 3 The temperature conditions高到1070K左右,基本滿足所需要的氣化溫度,徑項目工況1工況2工況3工況4工況5工況6工況7向溫差隨著床層高度的增加趨于平均;氣化爐內反應溫度65070075080085090095、CO含量沿軸向逐漸增大,CO2、CH4含量沿軸向逐漸減小,沿徑向氣體組分含量的變化很小。這1.09e+031.05c+03!溫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)床層溫度T/K(b)Co/%(c)CO2/%(d)CH4/%(e)H2/%圖3工況4床層溫度和氣體組分分布Fig 3 Distribution of the(a)bed temperature and concentration of(b)co(c)co2(d )CH(e)H, under condition 43.2床溫對氣化結果的影響在50%~60%之間,成增長趨勢,CO2體積分數不圖4為工況1-7氣體產物體積分數隨床層溫斷減小,CO體積分數不斷增大,CH4體積分數較度的變化情況。低,隨溫度變化不明顯。H CH圖5為床層溫度對氣體熱值和總產率的影響。12.011.5氣體熱值一氣體總產率爾勺票3=11.00.6650700750800850900950度℃650700750800850900950溫度/C圖4床層溫度對氣體組分的影響Fig 4 Effect of bed temperature on gas compositions圖5床層溫度對氣體熱值和氣體總產率的影響中國煤化工reon由圖4可見,隨著床溫的升高,H2的體積分數CNMHGe gashttp:lwww.rlfd.comcnhttp://rlfd.periodicals.net.cn熱力發電2014年由圖5可見,氣體熱值和總產率隨床層溫度升高逐漸增大,其中床層溫度低于800℃時氣體總產10.4率上升快,高于800℃時較平緩??梢?床溫在800氣體總產率℃時,氣化效果較好。10.23.3S/B對氣化結果的影響反應溫度為800℃C,生物質量流量0.4kg/h10.0旦柵禮址改變S/B的1組工況見表4表4不同S/B計算工況Table 4 Calculation conditions withdifferent steam/biomass mass ratios項目工況8工況9工況10工況11工況12圖7S/B對氣體熱值和總產率的影響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結論圖6為氣體產物體積分數隨S/B的變化情況。由圖6可見,隨S/B的增加,H2體積分數緩慢增大(1)在熱管式生物質氣化爐的氣化工程中H(約55%),CO體積分數快速下降,而CO2體積分CO的體積分數、氣體熱值和氣體總產率隨著氣化數快速上升。這主要是因為隨著S/B的增加參與溫度的升高而升高,CO2的體積分數隨著氣化溫度反應的水蒸氣量增大,水蒸氣分壓力增大水蒸氣重的升高而下降,CH4基本上不隨溫度的變化而變整變換反應和CH4蒸汽重反應向正方向移動,所以化。從氣體熱值氣體總產率氣化組成綜合考慮,CO和CH,的體積分數減少,而CO2和H2的體積氣化溫度為800C時氣化效果較好分數增加。(2)H2、CO2的體積分數、氣體總產率隨著S/B的增加而增加,CO體積分數、氣體熱值隨著S/B的增加而降低,從氣體熱值、氣體總產率、氣體組成綜合考慮,S/B在2~3時,氣化效果較好[參考文獻][1]吳創之,馬隆龍.生物質能現代化利用技術[M].北京化學工業出版社,2003WU Chuangzhi, Ma Longlong. 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