热管式生物质气化炉的模拟研究

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1、第十届全国热管会议论文集热管式生物质气化炉的模拟研究于红梅王中贤张红庄骏（南京工业大学机械与动力工程学院南京210009）摘要：本文简单介绍了生物质热解气化技术在国内外发展的现状，分析了以不同气体作为气化剂的特点，分析了生物质气化反应的机理、通过建立模型，用Fluent软件对以高温水蒸汽为气化剂的热管式气化炉床层内的温度场分布进行了模拟研究，结果表明：高温热管技术的应用，可使生物质固定床气化炉内床层温度沿轴向分布趋于均匀，通过控制床层温度和热流密度，可达到控制生物质气体的有效组分、提高生物质能利用率的目的。关键词：热管生物质固定床水蒸汽气化模拟1前言[1～6

2、]近年来，由于生物质的环境友好性,对生物质能的研究、开发和利用已引起了人们广泛的注意。[7]生物质气化是指将固体生物质转化为气体燃料的热化学过程。在这个过程中，在气化装置里，游离气或结合氧与燃料中的碳进行热化学反加，生成可燃气体。固态生物质的气化就是利用空气中的氧气或含氧物质作为气化剂将固态燃料中的碳氧化成可燃气的过程，采用不同原料和吹入气体（空气、氧气或是水蒸气），所产生的可燃气成分也各异。根据其气化介质的不同可分为以下几种：空气气化，高温蒸汽气化，蒸汽-氧气气化，富氧气化以及空气-蒸汽气化等。用空气作为气化介质进行的生物质气化具有投资省,操作可行性强的优

3、点，在工业应用中比较广泛。33[8]但这种气化技术产生的煤气热值较低,只有4MJ/m～6MJ/m，氢体积含量只有8%～14%。氧气气化是一种有效的制取中热值燃气的方法，且具有工艺简单,技术成熟，运行稳定的优点。但氧气气化的主要缺点是需要一套相应的制氧设备，即使采用较简单的变压吸附制氧法，其一次投资仍很大。高33[9,10]温水蒸气气化也是一种有效的制取中热值(10MJ/m～16MJ/m)燃气的方法。本文模拟了以高温水蒸汽为气化剂的热管式气化炉中的温度分布。2热管式固定床气化炉温度是生物质燃料的关键控制变量，气化的成分和热值、焦油和CO的含量都可用温度来控制。

4、热管是一种典型的依靠自身内部工作介质相变实现热量传递的传热元件，具有很高的导热性、优良的等温[11]性、热流密度可变性等优点。高温热管是以液体金属（钾、钠、锂、汞等）为介质，不锈钢或其他耐热钢为管壳，能在500～1200℃高温环境中工作。通过高温热管，可以实现对床层的温度和热流密度的控制，实现生物质热解气化工艺，从根本上提高生物质能利用率179第十届全国热管会议论文集对于生物质能源的利用，主要研究内容就是实现生物质燃料的清产物气洁燃烧和高效利用，针对目前生物质热解气化技术普遍存在的热解气进料口热值偏低，焦油含量高的问题，本文利用高温热管供给生物质所需热高温气

5、化区量的热解装置——高温热管式热解气化炉（已申请专利），其结构如热管生物质图1所示。生物质在炉内进行高温热解，利用高温热管的高导热性提原料供生物质气化所需的热量。在传统气化器中，生物质原料由高温部份气化剂出料口到低温部份，依次经历了干燥、热解、还原和氧化过程。本装置利用供热管将热量传递到固定床内的生物质，提供生物质与蒸汽发生还原反热区应所需的反应热。因为热管有良好的等温性，使床层内温度沿轴向相等，控制热管的温度可控制反应过程的产物。图1热管式固定床气化炉3热管式固定床气化炉的模拟研究3.1反应机理固体生物质气化是气体（氧）和固体（碳）之间的多相反应过程，关于

6、碳和氧之间的反应机理，至[12]今仍是一个有争议的问题，关于气化反应机理，主要有三种学说：（1）还原说，认为碳和氧的反应首先生成CO2，而CO的存在是由CO2被燃料中的碳还原的结果。（2）一氧化碳说，认为CO是碳和氧反应的初生物，CO进一步氧化生成CO2。（3）络合物说，认为碳和氧首先生成CxOy的络合物，由于温度等条件不同，这个络合物分解成不同比例的CO2合CO，所以CO2合CO是同时形成的。气化实验用的生物质一般不是一种纯物质，无法直接给出分子式。在已经得到这种燃料的热值和元素分析，可以定义一种等价的燃料物质和等价的热公式。如本试验拟采用秸秆作为反应物，

7、根据秸秆元[10][13]素分析可计算得化学式为CH1.43O0.68，且分子量为24.31。用化学计量法分析的气化反应机理为：CH1.43O0.68+0.4H2O=0.5CO+0.695H2+0.29CO2+0.21CH4+0.4kJ/mol（1）标准焓可以从已知的热值得到，由于：N0'''ΔH=∑hi(νi,r−νi,r)（2）i=10'''[14]其中h是1mol的标准焓，ν,ν分别为生成物i和反应物i的化学计量系数。ii,ri,r3.2反应动力学模型计算固体生物质气化动力学的表达式为：dx−E/RTn=Ae(1−x)（3）dt式中：x——反应程度；1

8、80第十届全国热管会议论文集n——反应级数；E——活