生物質(zhì)與煤氣化過程熱力學(xué)分析.pdf

1、氣化是最有潛力的生物質(zhì)能和煤炭潔凈高效轉(zhuǎn)化技術(shù)，是多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)和重要環(huán)節(jié)，氣化產(chǎn)物的組成和相對含量關(guān)系著多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的連續(xù)和穩(wěn)定運(yùn)行。對于氣化多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)而言，其氣化原料可能是煤、石油焦、各種有機(jī)垃圾或生物質(zhì)等等，不同的氣化原料元素組成、揮發(fā)分含量等指標(biāo)都不盡相同，而為了保障多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行，又必須保證氣化后的粗燃?xì)庠诮M成及相對含量一定；但由于氣化原料本身性質(zhì)以及氣化過程的復(fù)雜性，目前對于氣化過程的認(rèn)識還不夠深入和全面，對于

2、氣化操作參數(shù)對燃?xì)饨M成的影響和調(diào)控也認(rèn)識得不夠明確。要保證氣化產(chǎn)品組成和含量的相對穩(wěn)定，必須針對性地調(diào)節(jié)氣化操作參數(shù)，這就需要對生物質(zhì)和煤氣化過程進(jìn)行深入分析，明確氣化操作參數(shù)對于氣化體系平衡組成的影響，得到能夠與原料特性對應(yīng)的操作參數(shù)與產(chǎn)氣組成之間的函數(shù)關(guān)系，從而準(zhǔn)確快捷地優(yōu)化氣化操作條件。 熱力學(xué)平衡分析作為一種研究多組分多相復(fù)雜反應(yīng)體系的重要方法，對于研究反應(yīng)物沒有具體化學(xué)分子式的復(fù)雜反應(yīng)過程，了解溫度、壓力、氣化劑用量等

3、氣化操作參數(shù)對氣化體系平衡組成的影響，針對性地通過控制氣化操作參數(shù)來調(diào)節(jié)氣化產(chǎn)物的組成和相對含量，具有非常重要的理論和現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義。 因此，本文選取了兩種比較典型而又物化性質(zhì)相差較大的氣化原料——晉城無煙煤和交城秸稈作為研究對象，通過熱力學(xué)方法研究氣化操作參數(shù)對產(chǎn)氣組成的影響規(guī)律。在對生物質(zhì)和煤氣化過程進(jìn)行深入分析的基礎(chǔ)上，基于Gibbs自由能最小化法原理，從生物質(zhì)和煤的元素分析數(shù)據(jù)出發(fā)，應(yīng)用 CHEMKIN 軟件對生物質(zhì)和煤的

4、氣化體系進(jìn)行熱力學(xué)平衡計(jì)算，分析并討論了生物質(zhì)和煤氣化體系熱力學(xué)平衡的特點(diǎn)，考查了氣化溫度、壓力、當(dāng)量比(ER)和水蒸氣/原料重量比(S/M)等氣化操作參數(shù)對氣化產(chǎn)物的組成及相對含量的影響，并從能量利用率和元素利用率最大化角度，初步探討了氣化操作參數(shù)的優(yōu)化。通過對生物質(zhì)和煤氣化體系的熱力學(xué)平衡分析，為進(jìn)一步認(rèn)識生物質(zhì)和煤的氣化過程，了解操作條件對平衡組成的影響，有針對性地優(yōu)化氣化操作條件，提供初步的理論指導(dǎo)和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。通過熱力學(xué)計(jì)算和分

5、析，本文可以得到的主要結(jié)論如下： 1．生物質(zhì)和煤氣化體系熱力學(xué)平衡組成的主要組分都是CH<,4>、CO、CO<,2>、H<,2>、H<,2>O、H<,2>O(l)和C(s)，當(dāng)使用空氣作為氣化介質(zhì)時，體系中還會存在一定量的N<,2>。由于煤富炭少氫、氧的特點(diǎn)，相比于生物質(zhì)氣化，煤氣化過程需要消耗更多的空氣和水蒸氣，但其氣化過程、氣化體系平衡組成，以及溫度、壓力等氣化操作參數(shù)對其熱力學(xué)平衡組成的影響，都與生物質(zhì)氣化體系類似。

6、 2．溫度、壓力、當(dāng)量比和水蒸氣/原料重量比都是影響氣化體系熱力學(xué)平衡組成的重要因素。由于整個氣化過程是一個強(qiáng)吸熱且體積增大的過程，升高溫度和降低壓力都有利于氣化的進(jìn)行；空氣(氧氣)和水蒸氣同作為氣化介質(zhì)，其用量都存在最優(yōu)值，并且通過控制水蒸氣的使用量，可以方便地調(diào)節(jié)氣化燃?xì)庵蠧O和H<,2>的比例。 3．生物質(zhì)和煤氣化體系是一個多組分多相的復(fù)雜反應(yīng)體系，影響其熱力學(xué)平衡組成的因素較多，并且各氣化操作參數(shù)之間存在復(fù)雜的相互關(guān)系

7、。例如，溫度和壓力對氣化體系熱力學(xué)平衡組成有著相反的影響趨勢，并且通過熱力學(xué)分析發(fā)現(xiàn)，適當(dāng)升高氣化溫度，完全可以解決由于壓力升高導(dǎo)致的可燃?xì)怏w分率和炭轉(zhuǎn)化率降低問題。 4．通過非線性回歸分析，得到了一定空氣和水蒸氣使用量時，生物質(zhì)氣化的準(zhǔn)平衡溫度與壓力的關(guān)系為： T<,E>/K=1162.98+61.61×ln(p/MPa-0.00138)通過該方程，可以準(zhǔn)確快捷地確定生物質(zhì)在不同壓力條件下氣化，使得氣化產(chǎn)物中可燃?xì)怏w分率達(dá)到最

8、高的最佳氣化溫度。 5．不同溫度和壓力條件下，當(dāng)量比ER與最佳水蒸氣/氣化原料重量比S/M<,o>都具有很好的反比線性關(guān)系，并且在不同溫度和壓力條件下，當(dāng)量比ER與最佳水蒸氣/氣化原料重量比S/M<,o>的關(guān)系曲線都幾乎平行，亦即各關(guān)系曲線的斜率非常相近，因此，通過將各曲線的斜率平均化，使得曲線的截距成為溫度或壓力的函數(shù)，然后通過非線性回歸，得到了S/M<,o>與ER和p，以及S/M<,o>與ER和T的函數(shù)關(guān)系。以生物質(zhì)空氣-水

9、蒸氣氣化為例，得到T=1173K時，S/B<,O>與當(dāng)量比ER及壓力p的關(guān)系函數(shù)為： S/B<,o>=1.48×ER-7.88E-03×p<'2>+9.10E-02×p+0.31常壓下S/B<,o>與當(dāng)量比ER及溫度T的關(guān)系函數(shù)為： S/B<,o>=-1.54×ER+1.29E03×exp(-T/74.10)+0.31該方程可用于指導(dǎo)生物質(zhì)在不同溫度或壓力條件下，進(jìn)行空氣(或氧氣)-水蒸氣氣化時，為了使氣化產(chǎn)物中可燃?xì)怏w分率達(dá)到最高，所