上吸式生物质汽化炉的建模和模拟

上吸式生物质汽化炉的建模和模拟
车丽娜;王维新;李鹏
【摘要】在生物质热解规律研究的基础上,建立了上吸式生物质汽化炉的数学模型.该模型充分考虑了炉内主要的物理和化学反应过程及其交互作用.通过对汽化炉内生物质高温分解、燃烧、还原和干燥等汽化过程进行模拟计算,得出炉层高度对燃气成分和炉内混合物温度的影响规律,为模型的进一步优化提供了理论依据.
【期刊名称】《农机化研究》
【年(卷),期】2008(000)008
【总页数】3页(P55-56,64)
【关键词】生物质气化;上吸式气化炉;建模;模拟
【作者】车丽娜;王维新;李鹏
【作者单位】石河子大学,机械电气工程学院,新疆,石河子,832003;石河子大学,教务处,新疆,石河子,832003;石河子大学,机械电气工程学院,新疆,石河子,832003
【正文语种】中文
【中图分类】S126
0 引言
生物质汽化是以生物质为原料，以氧气(空气、富氧或纯氧)、水蒸气或氢气等作为汽化剂，在高温条件下通过热化学反应将生物质转化为可燃气的过程[1]。

上吸式生物质汽化炉是目前适宜户用的小型生物质汽化设备。

上吸式汽化炉的主要特征是
气体的流动方向与物料的运动方向相反。

清楚地了解汽化过程中化学和物理变化及其之间的交互作用，是实现生物质汽化炉最佳设计非常重要的一个基础[2,3]。

本
文通过建立汽化炉数学模型，并进行模拟计算，来预测在稳定的操作下上吸式汽化炉所产的气体中混合物的成分与炉内混合物的温度随炉层高度的变化规律。

1 建模
1.1 模型假设
对汽化炉数学模型做了以下假设：一是该模型建立在上吸式生物质汽化炉还原区稳定操作的基础上；二是该模型假定进入空气中的所有氧气都被燃烧成CO2和完全裂解的高温分解产物；三是以焦碳形式存在的固态碳被假定呈现在整个还原区；四是整个模型模拟处于稳定汽化状态，炉内各种参数不随时间变化而变化。

1.2 模型方程
由于径向扩散远远大于轴向扩散,且炉内对流传热远远大于辐射传热,故忽略轴向扩
散以及辐射传热。

该模型应用如下的反应方案：
反应1： C+CO2 ↔2CO(-172 600 J/mol)
反应2： C+H2O ↔CO+H2(-131 400 J/mol)
反应3： C+2H2 ↔CH4(+75 000 J/mol)
反应4： CH4 +H2O↔CO+3H2(-206 400 J/mol)
这个模型假定了一个统一的交错组合区域及在床和气体中可以忽略放射性变异的圆柱形汽化器。

根据摩尔能量的平衡规律推出如下的方程式(在这里考虑的物质有N2、CO2、CO、CH4、H2O和H2)：
(1)
(2)
(3)
式中 x—表示物质 N2、CO2、CO、CH4、H2O或H2；
cx—摩尔热容(J/mol·K)；
nx—X物质的摩尔密度(mol/m3)；
v—临界汽化速率(m/s)；
T—温度(K)；
Z—轴向距离(m)；
Rx—x物质合成速度(mol/m3·s)；
ri—i反应速度(mol/m3·s)；
n—所有物质的nx的总和；
R—气体常数(J/mol·K)。

QDW= ∑riQDWi
(4)
式中 ri—气体燃料的体积成分；
QDWi—燃气热值。

1.3 初始化条件
空气汽化时，虽然得到的产气热值较低，但考虑到其设备相对简单、容易得到、成本较低且安全易控制，故该模型模拟中采用空气作为汽化剂。

在该模型中的初始场所是还原区的顶部和氧化区的底部。

气体来自氧化区，是热解气体、不具有燃烧性的CO2和惰性N2的混合物。

这些成分中每一种物质确切的比例还依赖于空气流入汽化器的速度。

进入汽化器的空气是N2和O2的混合物。

假定进入的空气中所有O2都参加反应，而剩余的N2不参加任何反应。

典型的生物质热解产物被假设裂解成等量的CO、CH4和H2O。

模型最初的温度、压力和反应速度将是从氧化
区出来的气体的温度、压力和反应速度。

在模拟中应用0.100 5MPa的压力，并经过核实确定出口处的压力在大气压之上。

通过模型预测气体混合物以及炉内混合物的温度随着炉层高度的变化规律。

2 模拟计算结果及分析
利用上述建立的数学模型，以谷壳作燃料为例进行计算，得到炉子出口处的燃气成分。

燃气中O2、CO2、H2、CO和CH4等各组分随汽化炉高度的分布如图1所示。

床层高度Z/m图1 炉层高度对汽化产物的影响
从图1可以看出，汽化层内随着氧化反应的进行，CO2的含量增加很快，且有一较明显的峰值。

反应初期，由于部分的CO和H2反应，CO2生成量逐渐增加。

随着温度的提高，由于CO2的还原反应，使得CO2达到峰值以后的含量有所减少。

由试验数据表4[4]可以看出，除试验气体中含有氧气外(这是因为在试验过程中,汽化炉顶部密封不够好而渗入空气所致)，试验数据与模拟数据基本吻合。

按照上述数学模型进行了模拟计算，根据模拟结果和试验数据[4]，作出沿轴向的气相温度Tg和固相温度Ts的变化曲线，如图2所示。

床层高度Z/m图2 炉层高度对炉内混合物温度的影响
从图2可以看出，气相温度Tg和固相温度Ts变化趋势和大小基本吻合，证明了所建的数学模型基本上能反映秸秆固定床汽化的实际状况。

3 结论
本文建立的数学模型基本符合汽化炉内的低热值4～6MJ/Nm3(使用空气和蒸汽/空气)反应过程，模拟计算得出的结果与实际试验测试的数据[4]基本吻合，从理论上证实了固定床汽化法是一种行之有效的生物质处理方法。

因此，可以得出如下结论：
1) 从汽化计算结果与试验数据[4]比较来看，物料平衡的总误差在5%左右。

2) 物料层、汽化物料性质和出炉温度等对汽化都有影响。

3) 本文建立的数学模型基本符合汽化炉内的反应过程，模拟计算得出的结果与实际试验测试的数据[4]基本吻合。

【相关文献】
[1] 姚向君，田宜水.生物质能资源清洁转化利用技术[M]. 北京：化学工业出版社，2004.
[2] B V Babu ，P N Sheth. Modeling and simulation of reduction zone of downdraft biomass gasifier[J]. Energy Conversion and Management,2006，47:2602-2611.
[3] 李爱民.生物质物料气化产气特性的研究[D].沈阳:沈阳航空工业学院,2004.
[4] 魏敦崧.生物质固定床气化试验研究[J].同济大学学报,2006,34(2):254-259.。