生物質(zhì)高溫富氧氣化的數(shù)值模擬與實驗驗證.pdf

1、化石能源的大量消耗引起了能源危機和環(huán)境問題。生物質(zhì)以總量豐富、低污染性和可再生性等特點被看作是理想的替代能源。氣化制氣是利用生物質(zhì)的一個重要發(fā)展方向。目前生物質(zhì)氣化系統(tǒng)存在氣化效率偏低、產(chǎn)氣熱值不高和焦油含量高等問題，導致生物質(zhì)氣化技術(shù)的經(jīng)濟性差。針對上述一系列問題，流化床低溫氣化與熔融爐高溫氣化相結(jié)合的兩段式高溫富氧氣化技術(shù)應運而生。針對兩段式氣化技術(shù)，本文對其氣化過程進行數(shù)值模擬，獲得了生物質(zhì)兩段式氣化特性。
　　本文以自建的

2、兩段式氣化中試系統(tǒng)為研究對象，分別對流化床低當量比氣化和熔融爐高溫氣化進行數(shù)值模擬。在建模過程中，以歐拉-歐拉模型為基礎(chǔ)，氣相選擇k-ε湍流模型，固相采用顆粒動力學理論，選擇Gidaspow曳力模型描述氣固兩相曳力作用，應用Guun的經(jīng)驗公式描述氣固兩相之間的熱量傳遞，同時建立焦炭非均相反應和氣體均相反應的子模型，并考慮焦油的裂解，選擇適用于生物質(zhì)氣化的化學反應動力學參數(shù)，最終得到生物質(zhì)高溫富氧氣化的三維綜合計算模型。
　　流化床

3、低當量比氣化數(shù)值模擬研究結(jié)果表明:在密相區(qū)，溫度分布相對均勻;在稀相區(qū)，溫度分布呈現(xiàn)中間低兩側(cè)高。在流化床底部，CO、CO2、 H2、CH4的濃度很低。隨著高度的增加，CO2濃度降低，CO和H2的濃度增加。隨著當量比的增加，氣化溫度升高，CO和H2的濃度先增大后減小，CO2的濃度逐漸減小，CH4濃度逐漸增大，產(chǎn)氣熱值先增加后減小，最高達到6.4 MJ/Nm3。同時，產(chǎn)氣率和碳轉(zhuǎn)化率隨著當量比的增加而增加，但產(chǎn)氣率和碳轉(zhuǎn)化率相對于高當量比

4、下明顯偏低。低當量比條件下，碳轉(zhuǎn)化率僅為50％，焦油含量超過13 g/Nm3。隨著富氧濃度的升高，CO和CO2的濃度迅速增大，H2的濃度略有下降，CH4的濃度幾乎不變，產(chǎn)氣熱值增大，產(chǎn)氣率和碳轉(zhuǎn)化率都減小，焦油含量不斷增大。隨著流化速度的增加，CO的濃度增大，CO2的濃度減小，H2的濃度略有增加，CH4的濃度幾乎不變，產(chǎn)氣熱值、產(chǎn)氣率及碳轉(zhuǎn)化率均逐漸增大，焦油含量先減小后增大。
　　熔融爐高溫氣化數(shù)值模擬研究結(jié)果表明:在熔融爐頂部

5、，CO、CO2、 H2、CH4的濃度較低。隨著高度的下降，CO和H2的濃度增加，CO2的濃度降低，CH4的濃度略有增加。與流化床氣化相比，兩段式氣化的整體氣化效果明顯改善。CO濃度提高了1.9倍，H2濃度提高了2.2倍，CO2濃度降低了45％，產(chǎn)氣熱值及產(chǎn)氣率均可提高到1.5倍以上，焦油含量降低至1 g/Nm3以下，整體氣化效率提高至75％左右，碳轉(zhuǎn)化率提升至90％以上。隨著總當量比的增大，CO和CO2的濃度略有增大，H2的濃度略有減小