基于Gibbs自由能最小化原理模拟固体燃料-氧气气化反应.pdf

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1、第30卷第4期化学反应工程与工艺VlOl30．NO42014年8月ChemicalReactionEngineeringandTechnologyAug．2014文章编号：1001—7631(2014)04___0303—07基于Gibbs自由能最小化原理模拟固体燃料一氧气气化反应诸林，范峻铭(西南石油大学化学化工学院，四川成都610500)摘要：采用Gibbs自由能最小化原理考察了气流床中不同固体燃料一氧气的气化特性以探索固体燃料一氧气气化规律。考察了气流床中不同固体燃料(H和C物质的量比(H／C比)为0～1．6，O和C物质的量比(O／C比)为0．

2、1～0馏)在氧气气氛下完全气化时所能达到的平衡温度、合成气组成、气化炉有效能效率及所需当量氧气比。结果表明：固体燃料H／C比一定时，低O／C比下，H2和CO含量保持恒定，H20和CO2含量较少；高O／C比下完全气化所需当量氧气比迅速降低，平衡温度降至700℃(O／C比大于0．6)，气化炉有效能效率也呈现下降趋势，H2和CO含量减少，CO和H2O含量增加。固体燃料O／C比一定时，随着H／C比增加，平衡温度迅速降低(O／C比小于O．6)，气化炉有效能效率也随之减少，CO含量减少，H，CO和HO含量增加。关键词：Gibbs自由能气流床气化炉固体燃料模拟中图

3、分类号：TQ018；TQ013．1文献标识码：A固体燃料主要指呈固态的化石和生物质等燃料。传统固体燃料利用方式主要为直接燃烧，这不仅能源利用率低，而且极大地污染了环境。固体燃料气化技术是指在气化剂作用下通过热化学反应将燃料转变为便于利用和加工的合成气。目前常用的固体燃料气化剂有O2，H20以及两者的混合物⋯。o2气化合成气常用于发热和发电，H20气化合成气常用作化工合成原料L2J。适合于固体燃料气化过程的气化炉主要包括气流床和流化床工艺。流化床气化炉中的气化过程主要受到动力学和流体力学等因素的限制，通常情况下远离平衡态，而气流床气化炉的操作温度通常为

4、11o0～1400℃(如Shell和GE气化工艺)，更易达到化学平衡，因此采用简单实用的热力学平衡方法考察气流床中固体燃料一氧气气化特性可为气流床气化炉的初期设计提供基础数据【21。目前，研究者多采用Gibbs自由能最小化原理研究固体燃料气化过程，可摆脱复杂的化学反应机理，并具有高度的热力学一致性L3J。基于Gibbs自由能最小化原理的O2-固体燃料气化体系已有大量报道。周金豪等l8]基于Gibbs自由能最小化原理考察了煤和生物质在O2气化剂作用下的共气化反应特性，发现当生物质质量分数为20％，O和C物质的量比(O／C比)在1．1～1．3时气化效果最

5、佳。彭伟锋等J基于Gibbs自由能最小化原理建立了水煤浆气化模型，模型结果与实际生产数据较为吻合。Prins等0j基于热力学平衡原理考察了不同O／C比的固体燃料对气化效率的影响，得出了当气化温度在927℃、固体燃料O／C比小于0-3时，气化过程有效能损失最小，其低位热值高于23kJ／g。许多研究者利用热力学平衡方法研究特定固体燃料(煤、生物质或生活垃圾等)的气化特性，却鲜有研究者考察不同H和C物质的量比(H／C比)和O／C比组成的固体燃料在02气化剂作用下的气化特性。本收稿日期：2014—03．05：修订日期：2014．05—15。作者简介：诸林(1

6、965一)，男，博士生导师。E·mail：zhulinswpi65@gmail．corn。304化学反应工程与工艺2014年8月工作依据Gibbs自由能最小化原理，考察不同H／C和O／C比固体燃料在O2气化剂作用下的平衡温度和合成气组成，并从理论上分析了研究结果。同时从热力学第-,D第二定律出发，考察不同气化体系下的气化炉有效能效率，并通过归纳、总结气流床工艺中不同固体燃料～氧气的气化特性，以期得到固体燃料气化规律，为气流床气化炉的初期设计提供基本数据。l基本原理图1显示了在VanKreveten坐标系中不同固体燃料随H／C和O／C比变化关系[1。由

7、图1可知，H／C和O／C比随燃料变质程度增加均在减少。生物质与煤相比，拥有更多的H和O含量，煤则拥有更多的C含量，无烟煤的主要组成元素为C。由于C，H和O元素含量(有机和无机元素之和，000．10203040506070809下同)占固体燃料的85％以上，且其余元素(N，C1O／Cratiooffuel和S等)含量较少，对合成气组成和热值贡献较小[m1，图1VanKrevelen坐标系下固体燃料组成Fig．1Representationofdiferentsolidfuels因此，本工作假设固体燃料只由C，H和0元素构成，onVanKrevelenc

8、oordinates其分子式可记为CxHO，总气化反应可由式(1)表示：CHO+toO2--~ncC(s)+