基于CPFD方法的流化床生物質(zhì)氣化數(shù)值模擬

任喜熙，陳祁，楊海平，張世紅，王賢華，陳漢平

（華中科技大學(xué)煤燃燒國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北武漢430074）

引 言

生物質(zhì)氣化被認(rèn)為是一種很具前景的清潔能源利用技術(shù)[1]。流化床作為一種燃料適應(yīng)性廣、效率高、氣固混合充分以及溫度場均勻的反應(yīng)器，已經(jīng)被廣泛用于生物質(zhì)氣化等熱轉(zhuǎn)換過程，國內(nèi)外學(xué)者也進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)和模擬研究[2-7]。目前數(shù)值模擬中的半經(jīng)驗(yàn)和經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ涂梢蕴娲鷮?shí)驗(yàn)進(jìn)行預(yù)測[8]，隨著計算流體動力學(xué)（CFD）的發(fā)展，已經(jīng)可以較準(zhǔn)確地預(yù)測流化床生物質(zhì)氣化[4,7]。

氣化過程大多是吸熱的，通常通過燃燒的方式來提供氣化反應(yīng)所需的熱量[9]，所以常使用空氣作為氣化劑，但是空氣氣化熱值較低，經(jīng)濟(jì)效益較差，而水蒸氣氣化的合成氣熱值高，因此水蒸氣混合空氣氣化具有較高的應(yīng)用價值[10]。Pauls等[11]和車德勇等[12]應(yīng)用Aspen Plus 建立了生物質(zhì)在空氣-水蒸氣下的氣化模型，并探究了空氣當(dāng)量比和水蒸氣與生物質(zhì)的比對氣化特性的影響；Gerber 等[4]和虞君武等[2]建立了鼓泡流化床的歐拉雙流體（TFM）模型，同時對初始床高、木屑進(jìn)料速率、熱邊界條件以及初級和二次熱解動力學(xué)進(jìn)行了探究，結(jié)果表明初始床高和木屑進(jìn)料速率對氣體組分的影響相對較??；Zhao 等[13]基于CFD-DEM 方法在超臨界水的條件下探究了壁溫以及流速對生物質(zhì)氣化反應(yīng)的影響。然而，前人的工作主要集中在二維，而二維模型忽略了一個維度的物理變化，雖然可以較精準(zhǔn)地描述實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，但是對流化床反應(yīng)器，爐內(nèi)顆粒和流體的運(yùn)動存在各向異性的脈動，三維模型模擬可以實(shí)現(xiàn)更精確和更精細(xì)的模擬[14]。

計算顆粒流體動力學(xué)（CPFD）方法因?yàn)榭梢阅M流態(tài)化過程中的大量顆粒而被廣泛關(guān)注，其具有以下優(yōu)點(diǎn)[7,15]：（1）對于整個反應(yīng)過程進(jìn)行模擬，描述顆粒的詳細(xì)粒徑分布；（2）無須人為區(qū)分流化床的稀相區(qū)和密相區(qū)；（3）對屬性相同的顆粒打包處理成“計算顆?！?，可以處理1016數(shù)量級別的顆粒；（4）可以定義顆粒的組分以及準(zhǔn)確地追蹤顆粒的運(yùn)動和化學(xué)反應(yīng)特性，既保證了計算精度又能提高計算效率。Di Nardo 等[15]和Xie 等[16]對于煤氣化的研究表明，CPFD 方法可精確模擬流化床氣化反應(yīng)的產(chǎn)物分布，對于形態(tài)多樣、反應(yīng)復(fù)雜的生物質(zhì)顆粒來說，CPFD 方法在處理三維模型中顆粒運(yùn)動、化學(xué)反應(yīng)方面極具優(yōu)勢，因此可將該方法引入到流化床生物質(zhì)氣化的研究中。

因此，為探究生物質(zhì)屬性和操作條件對氣化特性的影響，尋找氣化反應(yīng)的最佳工況，本研究將采用CPFD 方法建立鼓泡流化床的三維數(shù)值模型，詳細(xì)描述床料顆粒和生物質(zhì)顆粒的粒徑分布，考慮生物質(zhì)空氣-水蒸氣氣化的熱解脫揮發(fā)分、焦炭燃燒氣化反應(yīng)以及均相氣體反應(yīng)。探究氣化爐內(nèi)氣體分布以及溫度分布，并進(jìn)一步探究生物質(zhì)顆粒粒徑、含水率、種類以及床層高度和氣化溫度對生物質(zhì)氣化特性的影響。

1 實(shí)驗(yàn)的物理模型與數(shù)值模型

1.1 氣化爐反應(yīng)器結(jié)構(gòu)

本研究所使用的實(shí)驗(yàn)設(shè)備是實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的鼓泡流化床，物理模型和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)均來自文獻(xiàn)[17]。幾何模型簡化為直徑為50 mm、高度為500 mm 的三維氣化爐，如圖1 所示。生物質(zhì)通過2個螺旋給料器送入爐膛中，進(jìn)料口離底部50 mm 高、直徑為40 mm；氣化介質(zhì)從氣化器底部供入，空氣經(jīng)預(yù)熱器預(yù)熱到60℃，水蒸氣通過蒸汽產(chǎn)生器和加熱器加熱到200℃；合成氣從氣化爐頂部排出。氣化器底部為單個穿孔型的布風(fēng)板，用4 個2.0 kW 的電加熱線圈加熱，氣化溫度維持在800℃，詳細(xì)的氣化爐結(jié)構(gòu)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見文獻(xiàn)[18]。生物質(zhì)的工業(yè)分析和元素分析如表1所示。

圖1 鼓泡流化床氣化反應(yīng)器示意圖Fig.1 Schematic diagram of bubbling fluidized bed gasification reactor

1.2 基于CPFD方法的數(shù)學(xué)模型

CPFD方法基于單元內(nèi)源項(xiàng)顆粒群法(MP-PIC)[19]，流體相通過Navier-Stokes 方程以及離散相顆粒對流體相的作用進(jìn)行描述，氣相湍流模型采用大渦（LES）模擬的方法（適用于三維模型），大尺度的渦結(jié)構(gòu)采用直接求解N-S 方程，小尺度的渦結(jié)構(gòu)采用Smagorinsky 模型[20]計算；顆粒采用拉格朗日框架下的MP-PIC 方法描述，對屬性相同的顆粒進(jìn)行打包處理，形成“計算顆?！盵18-19]。氣固兩相之間的阻力模型采用Gidaspow 模型[21]。在CPFD 方法中，顆粒的密度是保持不變的，所以顆粒相因化學(xué)反應(yīng)而質(zhì)量減少必然導(dǎo)致顆粒直徑的減小。主要的控制方程概述如表2所示。

1.3 化學(xué)反應(yīng)模型

生物質(zhì)干燥過程迅速，因此假設(shè)生物質(zhì)中的水分在進(jìn)料口瞬間蒸發(fā)，水分以水蒸氣的形式進(jìn)入氣化爐，即不考慮生物質(zhì)干燥模型。主要考慮生物質(zhì)的熱解模型、焦炭燃燒氣化模型以及氣相反應(yīng)模型。

1.3.1 熱解脫揮發(fā)分模型 生物質(zhì)熱解反應(yīng)是一個非常復(fù)雜的反應(yīng)過程，在實(shí)驗(yàn)中采用簡化的單方程模型，不考慮生物質(zhì)中少量的硫元素和氮元素的影響，同時高碳烴類含量較低也不予考慮，輕烴類產(chǎn)物都認(rèn)為是CH4。由于流化床內(nèi)傳熱速率快、氣固流動充分，熱解反應(yīng)的反應(yīng)速率比其他反應(yīng)速率高幾個數(shù)量級[6]，因此假設(shè)熱解在整個顆粒中均勻發(fā)生，且在進(jìn)料口瞬間完成。熱解脫揮發(fā)分化學(xué)方程式如下：

式中，Y 為產(chǎn)率，%；n 為熱解脫揮發(fā)分后產(chǎn)生氣體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。其系數(shù)主要通過兩種方法確定：（1）通過熱解實(shí)驗(yàn)確定，本實(shí)驗(yàn)中采用的就是由Loha 等[17-18]以及在固定床上的熱解實(shí)驗(yàn)獲得的數(shù)據(jù)；（2）主要組分通過Loison-Chovin 模型[22-24]計算，再通過元素分析數(shù)據(jù)確定其他組分含量。

1.3.2 氣固反應(yīng) 生物質(zhì)熱解后的焦炭燃燒、氣化建模主要考慮：（1）焦炭燃燒反應(yīng)；（2）水蒸氣氣化反應(yīng)；（3）CO2氣化反應(yīng)；（4）甲烷化反應(yīng)。普遍認(rèn)為甲烷化反應(yīng)的速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于蒸汽氣化[4]，非均相化學(xué)反應(yīng)方程式和化學(xué)反應(yīng)速率建模如表3所示。

表1 稻殼的工業(yè)分析和元素分析Table 1 Proximate analysis and ultimate analysis of rice husk

表2 控制方程［18-19，21］Table 2 Governing equations［18-19，21］

表3 非均相動力學(xué)參數(shù)及其表達(dá)式［18-19］Table 3 Heterogeneous kinetic parameters and expressions［18-19］

1.3.3 均相反應(yīng) 除了非均相反應(yīng)外，還有許多氣體之間發(fā)生的反應(yīng)。它們是熱解脫揮發(fā)分過程中產(chǎn)生的氣體與氣化反應(yīng)產(chǎn)物氣體的反應(yīng)，揮發(fā)性氣體的燃燒和重整對合成氣組成以及氣化特性有很大影響?；瘜W(xué)反應(yīng)方程式以及反應(yīng)動力學(xué)參數(shù)如表4 所示。在均相反應(yīng)中，只有水煤氣轉(zhuǎn)化反應(yīng)被模擬為平衡反應(yīng)，該反應(yīng)正反應(yīng)為放熱反應(yīng)，在較低溫度下有利于產(chǎn)生CO2和H2，在較高溫度下有利于產(chǎn)生CO和H2O[26]。

1.4 模擬實(shí)驗(yàn)條件的設(shè)定

本實(shí)驗(yàn)采用的Barracuda 軟件，是由美國CPFD Software 公司開發(fā)的專門用于模擬流態(tài)化過程及化學(xué)反應(yīng)的軟件包。具體的邊界參數(shù)設(shè)置如表5 所示，參數(shù)的取值參考了文獻(xiàn)[7,15,18,27-29]。壁面溫度設(shè)定為800℃，初始狀態(tài)下填充150 mm 高的SiO2沙粒，初始堆積體積分?jǐn)?shù)為0.45，粒度分布如表6 所示。如圖2 所示，在15 s 后出口氣體的質(zhì)量流率基本保持不變，達(dá)到了動態(tài)平衡，因此選取15 s后的平均數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步探究。

2 結(jié)果與討論

2.1 網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證

本實(shí)驗(yàn)的模型網(wǎng)格通過尺寸自適應(yīng)的笛卡兒網(wǎng)格劃分。在相同條件下，使用4286、8928、12784和15982 個計算網(wǎng)格分別進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，取出口氣體的摩爾分?jǐn)?shù)進(jìn)行比較。一般而言，網(wǎng)格數(shù)量越多，預(yù)測的準(zhǔn)確性就越高。如圖3所示，在網(wǎng)格數(shù)量達(dá)到8928個以上時，出口氣體的摩爾分?jǐn)?shù)顯示出良好的一致性，而網(wǎng)格數(shù)量為4286個時與其他數(shù)量網(wǎng)格具有較大差異。因此本文使用計算較為準(zhǔn)確且計算成本較低的8928個網(wǎng)格。

表4 均相動力學(xué)參數(shù)及其表達(dá)式［6，18-19，25］Table 4 Homogeneous kinetic parameters and their expressions［6，18-19，25］

表5 模擬的邊界條件和參數(shù)［7，15，18，27-29］Table 5 Simulated boundary conditions and parameters［7，15，18，27-29］

表6 沙粒粒徑分布Table 6 Sand particle size distribution

圖2 出口氣體質(zhì)量流率隨時間的變化Fig.2 Change of outlet gas mass flow rate with time

圖3 出口氣體摩爾分?jǐn)?shù)隨網(wǎng)格數(shù)量的變化Fig.3 Variation of outlet gas mole fraction with the number of grids

2.2 模型驗(yàn)證

描述本實(shí)驗(yàn)物理現(xiàn)象的流化床數(shù)值模型以及化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)模型均來自前人發(fā)表的文獻(xiàn)，為了確保數(shù)值模型的準(zhǔn)確性，將模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對比驗(yàn)證，如圖4 所示。ER 表示實(shí)際空氣量與理論空氣量的比值，S/B 表示水蒸氣與干生物質(zhì)的比例。模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有良好的一致性，模擬準(zhǔn)確地預(yù)測了CH4、CO、N2的摩爾分?jǐn)?shù)，誤差基本在10%以下。然而模擬仍存在一些問題，如過高的預(yù)測了H2的產(chǎn)生，這可能由于H2含量較少導(dǎo)致誤差相對較大；模擬也低估了CO2的產(chǎn)生，最大誤差為15.52%。較大的誤差可歸因于復(fù)雜的流化床氣化反應(yīng)系統(tǒng)以及動力學(xué)參數(shù)，總體而言，該誤差滿足模擬實(shí)驗(yàn)的要求，可以進(jìn)行后續(xù)的模擬實(shí)驗(yàn)。

2.3 氣化爐內(nèi)氣體分布以及溫度分布

2.3.1 氣體分布 圖5為氣體沿氣化爐軸向變化的平均分布圖。在生物質(zhì)入口處，認(rèn)為生物質(zhì)瞬間熱解，所以由熱解脫揮發(fā)分產(chǎn)生的氣體在入口處濃度最大，O2在入口處就被CO、CH4、H2以及焦炭顆粒的燃燒完全消耗。CH4的濃度主要受揮發(fā)分含量的影響，而脫揮發(fā)分主要發(fā)生在氣化爐的下部，因此在生物質(zhì)入口的高度以上，CH4濃度的變化可以忽略不計。CO2的濃度在氣化劑入口處最大，在生物質(zhì)入口處開始與焦炭發(fā)生氣化反應(yīng)，因此入口后CO2的濃度顯著下降，之后由于水煤氣變換的正向反應(yīng)，CO2又逐漸升高。另一方面，水煤氣變換反應(yīng)在較低溫度時有利于產(chǎn)生CO2和H2，因此在床層高度后H2的濃度逐漸增加，H2O 和CO 的濃度逐漸降低。

圖4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)比較Fig.4 Comparison of experimental data and simulated data

2.3.2 溫度分布 圖6 和圖7 展示了流體溫度隨著爐膛高度的變化。從爐膛底部到床層高度這一段，由于焦炭和揮發(fā)分的劇烈燃燒放熱導(dǎo)致溫度不斷上升，而在床層高度以上時，溫度會發(fā)生急劇的下降，這是由于此時氧氣已經(jīng)被消耗完畢，氣化反應(yīng)占主導(dǎo)，吸收大量熱量，使得爐溫下降。然而在0.25m 之后，焦炭顆粒被消耗完畢，二氧化碳?xì)饣?、水蒸氣氣化速率降低，水煤氣變換的正向放熱反應(yīng)會使溫度有一個小幅度的回升，但總體趨勢是溫度隨著爐膛的高度逐漸下降。

另一方面，可以發(fā)現(xiàn)氣化爐內(nèi)部溫度相對比較均勻，氣化劑和生物質(zhì)進(jìn)入爐膛后能迅速加熱升溫。床層表面反應(yīng)非常劇烈，在床層表面以下主要是發(fā)生燃燒反應(yīng)放出熱量為氣化反應(yīng)提供熱量，床層表面以上主要發(fā)生氣化反應(yīng)吸收熱量。圖7中也可以觀察到，在爐膛左側(cè)出現(xiàn)了局部高溫，這對氣化爐的穩(wěn)定性是不利的，這可能是由于生物質(zhì)進(jìn)入爐膛后，還未與床料充分混合便被揮發(fā)分氣體和播料風(fēng)夾帶到了床層表面，而左側(cè)位置由生物質(zhì)熱解產(chǎn)生的CO2、H2O 和CH4濃度較低，氣化吸熱反應(yīng)較弱，從而出現(xiàn)了局部溫度較高的情況，因此在氣化爐設(shè)計中需要考慮生物質(zhì)與床料的充分混合問題，可以將進(jìn)料口設(shè)計一定的角度，使生物質(zhì)斜向下進(jìn)入氣化爐。

2.4 生物質(zhì)原料屬性對氣化特性的影響

2.4.1 生物質(zhì)顆粒粒徑對氣化特性的影響 生物質(zhì)顆粒的粒徑是影響合成氣質(zhì)量和氣化特性的重要參數(shù)之一。對進(jìn)入氣化爐的生物質(zhì)顆粒進(jìn)行破碎、研磨、干燥等預(yù)處理與能源的消耗成本有關(guān)。本文研究了生物質(zhì)顆粒在氣化溫度為800℃，當(dāng)量比ER=0.35，S/B=0.5 的條件下對氣化特性的影響。顆粒粒徑對出口合成氣摩爾分?jǐn)?shù)的影響如圖8 所示?？梢园l(fā)現(xiàn)在顆粒粒徑大于0.6 mm 時，CO2的摩爾分?jǐn)?shù)增加，而CO、H2和CH4的摩爾分?jǐn)?shù)隨著顆粒粒徑的增加而降低。這是因?yàn)殡S著生物質(zhì)顆粒粒徑增大，O2向其擴(kuò)散作用減弱，導(dǎo)致熱解后的焦炭與氧氣反應(yīng)困難，使得脫揮發(fā)分產(chǎn)生的氣體被氧氣大量消耗，產(chǎn)生了更多的CO2；另一方面，焦炭燃燒反應(yīng)減弱后產(chǎn)生的熱量減少，使CO2和水蒸氣的氣化反應(yīng)速率降低，導(dǎo)致氣化特性變差。而對于顆粒粒徑小于0.6 mm，出口的摩爾分?jǐn)?shù)產(chǎn)生了相反的規(guī)律，這是因?yàn)樵诹骰仓屑?xì)小的顆粒容易被氣體夾帶出反應(yīng)區(qū)域，導(dǎo)致焦炭燃燒和氣化反應(yīng)不完全，所以過小的顆粒不利于氣化反應(yīng)，將生物質(zhì)顆粒研磨、破碎到較小顆粒也需要消耗更多能量。圖9 展示了CGE（cold-gas efficiency）、LHV（lower heating value）和碳轉(zhuǎn)化率隨著生物質(zhì)顆粒粒徑的變化規(guī)律，生物質(zhì)顆粒直徑從0.2 mm 增加到0.6 mm 時，CGE、LHV 和碳轉(zhuǎn)化率均隨之增加；生物質(zhì)顆粒進(jìn)一步增加時，CGE、LHV 和碳轉(zhuǎn)化率均隨之減小。因此，生物質(zhì)顆粒粒徑對氣化性能的影響存在一個最優(yōu)值，平均粒徑為0.6 mm 的生物質(zhì)顆粒是最佳的。

圖5 氣體沿氣化爐軸向變化的平均分布（ER=0.3,S/B=0.5）Fig.5 The average distribution of gas changes along the axis of the gasifier (ER=0.3,S/B=0.5)

圖6 流體溫度沿軸向的變化（T=25 s,ER=0.3,S/B=0.5）Fig.6 Fluid temperature changes along the axis

2.4.2 生物質(zhì)含水率的影響 圖10 為生物質(zhì)含水率對氣化爐出口合成氣的摩爾分?jǐn)?shù)影響，操作條件和上述相同。可以觀察到含水率對可燃?xì)怏w成分的影響較大，在空氣和水蒸氣的混合氣化下，H2、CO以及CH4的摩爾分?jǐn)?shù)均隨著含水率從5%至20%而降低，CO2的摩爾分?jǐn)?shù)也隨著含水率從5%到20%而增加，這主要是因?yàn)殡S著水分的增加，水蒸氣分壓增加導(dǎo)致水煤氣變換反應(yīng)向正向進(jìn)行，即產(chǎn)生更多的CO2和H2。同時，過高含水率的生物質(zhì)進(jìn)入爐膛后會降低爐內(nèi)溫度，降低氣化反應(yīng)速率，因此含水率較高的生物質(zhì)不利于CO2和H2O 的氣化反應(yīng)。所以，為了在水蒸氣混合氣化時獲得質(zhì)量較高的合成氣，建議在將生物質(zhì)送入氣化爐之前進(jìn)行干燥處理，盡可能保持較低水分。

圖7 流體溫度沿軸向變化的云圖Fig.7 Contour of fluid temperature changing along the axis

圖8 顆粒粒徑對合成氣摩爾分?jǐn)?shù)的影響Fig.8 Effect of particle size on the mole fraction of syngas（800℃，ER=0.35，S/B=0.5）

圖9 顆粒粒徑對CGE、LHV和碳轉(zhuǎn)化率的影響Fig.9 Effect of particle size on CGE,LHV and carbon conversion rate（800℃，ER=0.35，S/B=0.5）

2.4.3 生物質(zhì)種類對氣化特性的影響 生物質(zhì)熱解產(chǎn)生的揮發(fā)分組成對出口氣體的組成影響較大，為了準(zhǔn)確預(yù)測實(shí)驗(yàn)，本實(shí)驗(yàn)先通過管式爐對四種干燥后的生物質(zhì)在800℃、氮?dú)鈿夥障逻M(jìn)行了熱解脫揮發(fā)分實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)收集到的氣體用GC-MS 檢測其成分，輕烴類產(chǎn)物都認(rèn)為是CH4，結(jié)果如表7所示。工業(yè)分析和元素分析結(jié)果如表8 所示。本實(shí)驗(yàn)主要探究生物質(zhì)不同的化學(xué)組成對氣化特性的影響，不考慮生物質(zhì)的物理結(jié)構(gòu)差異，四種生物質(zhì)顆粒均視為直徑呈0.25～0.35 mm 正態(tài)分布的細(xì)小顆粒。

圖10 生物質(zhì)含水率對合成氣摩爾分?jǐn)?shù)的影響（800℃，ER=0.35，S/B=0.5）Fig.10 Effect of biomass moisture content on the mole fraction of syngas(800℃,ER=0.35,S/B=0.5)

表7 熱解實(shí)驗(yàn)的氣體組成Table 7 Gas composition of pyrolysis experiment

不同生物質(zhì)在空氣和水蒸氣混合氣化下出口處的可燃?xì)怏w產(chǎn)量如圖11 所示，三種可燃?xì)怏w中，鋸末的產(chǎn)量最大，其中H2產(chǎn)量為8.12 mol/kg，遠(yuǎn)高于其他三種生物質(zhì)，緊接著是稻殼和樹皮，產(chǎn)量最少的是秸稈。對于CH4和CO，也呈現(xiàn)出了相似的規(guī)律，樹皮和秸稈的產(chǎn)量均較低。

圖12展示了不同生物質(zhì)的氣化效率、碳轉(zhuǎn)化率和低位發(fā)熱量的變化規(guī)律?？梢园l(fā)現(xiàn)，鋸末的氣化效率最高，為70.87%，低位熱值也高于其他生物質(zhì)，其次是稻殼，最低的是秸稈。值得注意的是，對碳轉(zhuǎn)化率來說，鋸末并不是最優(yōu)的，稻殼的碳轉(zhuǎn)化率最高，為64.71%；鋸末的碳轉(zhuǎn)化率其次，為60.50%；樹皮和秸稈的碳轉(zhuǎn)化率較低。可見，使用鋸末進(jìn)行氣化，效率高、可燃?xì)怏w產(chǎn)量大、氣體熱值高，這主要得益于鋸末高揮發(fā)分含量、高碳元素占比以及極低的灰含量；樹皮和秸稈的氣化特性較差，主要因?yàn)槠浠曳趾亢退趾枯^大，進(jìn)入氣化爐的可反應(yīng)物較少，同時內(nèi)在水分也降低了氣化反應(yīng)的溫度。

表8 四種生物質(zhì)的工業(yè)分析和元素分析Table 8 Industrial analysis and elemental analysis of the four biomass

圖11 不同生物質(zhì)氣化的可燃?xì)怏w產(chǎn)量Fig.11 Combustible gas production from different biomass gasification（800℃,ER=0.35,S/B=0.5）

圖12 不同生物質(zhì)氣化的CGE、LHV和碳轉(zhuǎn)化率Fig.12 CGE,LHV and carbon conversion rate of different biomass gasification（800℃,ER=0.35,S/B=0.5）

2.5 操作條件對氣化特性的影響

2.5.1 氣化溫度的影響 從圖13中可以看出，溫度升高，合成氣中可燃?xì)怏wH2和CO 的產(chǎn)量增加，而CO2和CH4的產(chǎn)量降低。由于CO2氣化反應(yīng)、水蒸氣氣化以及甲烷和水蒸氣的反應(yīng)都是吸熱反應(yīng)，因此溫度升高有助于可燃?xì)怏wH2和CO 的生成。水煤氣變換反應(yīng)在高溫下有利于產(chǎn)生CO 和H2O[26]，消耗CO2和H2，而H2的生成量大于消耗量，因此CO2的產(chǎn)量降低，CO、H2產(chǎn)量升高。H2/CO 的比例也隨溫度逐漸升高，說明溫度升高后，H2的產(chǎn)量增加量大于CO 的產(chǎn)量增加。氣化效率也從800℃的56.85%增加到了900℃的61.75%。因此，提高溫度會增加合成氣的質(zhì)量，有助于提高氣化效果，同時可以改變H2/CO的比例。

圖13 氣化溫度對氣體產(chǎn)量的影響（ER=0.35,S/B=0.5）Fig.13 Effect of gasification temperature on gas production(ER=0.35,S/B=0.5)

圖14 初始床層高度對出口氣體摩爾分?jǐn)?shù)的影響（ER=0.35,S/B=0.5）Fig.14 Effect of initial bed height on outlet gas mole fraction(ER=0.35,S/B=0.5)

2.5.2 初始床高的影響 初始床層高度對氣固流動影響較大，尤其是對于顆粒體積分?jǐn)?shù)和壓力，這些影響進(jìn)而對化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生作用，使得生物質(zhì)顆粒停留、反應(yīng)時間發(fā)生變化，影響出口氣體的組成。本研究中，75～225 mm 的床層高度被用來研究對出口氣體組成的影響。如圖14 所示，初始床層低于130 mm 時，生物質(zhì)顆粒被氣流夾帶嚴(yán)重，氣化效果較差；而大于130 mm 時，CO 和CH4隨著初始床層高度的增加而增加，CO2和H2隨之減小。初始床層高度使得密相區(qū)的高度發(fā)生變化，高度增加后，生物質(zhì)熱解后的焦炭顆粒停留時間更長，且不容易被夾帶出爐膛，同時反應(yīng)區(qū)域溫度更高，高溫有利于水煤氣逆反應(yīng)生成CO 消耗CO2和H2[26]。同時，初始床層高度的改變也使得H2/CO 的比例發(fā)生變化。工業(yè)應(yīng)用中，對合成氣含量中的H2/CO 有要求，因此可以通過改變床層高度的方法改變H2和CO相對組成。

3 結(jié) 論

本文采用CPFD 方法對鼓泡流化床生物質(zhì)氣化反應(yīng)進(jìn)行了幾何建模和模擬研究數(shù)值模擬，模擬數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)呈現(xiàn)出良好的一致性，同時探究了爐內(nèi)的氣體分布和溫度分布，研究了生物質(zhì)屬性和操作條件對空氣-水蒸氣混合氣化特性的影響，主要結(jié)論歸納如下：

（1）對于原料屬性，在生物質(zhì)顆粒大于0.6 mm時，CO2的摩爾分?jǐn)?shù)隨著顆粒粒徑的增加而增加，而CO、H2和CH4的摩爾分?jǐn)?shù)降低；LHV、CGE 以及碳轉(zhuǎn)化率也隨之減小，氣化性能變差；當(dāng)顆粒粒徑小于0.6 mm，規(guī)律恰好相反。因此，生物質(zhì)顆粒粒徑對氣化性能的影響存在一個最優(yōu)值，平均粒徑為0.6 mm的生物質(zhì)顆粒是最佳的。高含水率會降低氣化溫度，不利于氣化反應(yīng)，因此需將生物質(zhì)進(jìn)行干燥預(yù)處理，盡可能保持較低水分。使用鋸末氣化效率高、可燃?xì)怏w產(chǎn)量大、氣體熱值高，而樹皮和玉米秸稈的氣化特性較差。稻殼的氣化指標(biāo)均僅次于鋸末，而碳轉(zhuǎn)化率高于鋸末。

（2）對于操作條件，氣化溫度升高，可燃?xì)怏w的摩爾分?jǐn)?shù)增大，CO2的摩爾分?jǐn)?shù)下降，氣化效率也從800℃的56.85%增加到了900℃的61.75%。初始床層達(dá)到一定高度后繼續(xù)增加，生物質(zhì)熱解后的焦炭顆粒停留時間變長，高溫反應(yīng)區(qū)增高，有利于水煤氣逆反應(yīng)生成CO、H2O，同時使得H2/CO 的比例隨之降低，因此可以通過改變床層高度的方法改變H2/CO的比例。

符 號 說 明

A——顆粒加速度

Cv——比定容熱容

Dg——?dú)庀嗤牧鲾U(kuò)散系數(shù)

dp——顆粒直徑

ds——顆粒直徑，m

Fs——顆粒間的摩擦應(yīng)力

g——重力加速度，m/s2

hg——混合物焓值

P——平均壓力，Pa

Qij——顆粒間的導(dǎo)熱

Qradi——顆粒與壁面間的輻射換熱

Qreac——反應(yīng)熱

Qsg——顆粒與氣體間的對流傳熱

q——?dú)怏w相與固體相之間的能量傳遞

q˙D——由于組分?jǐn)U散引起的能量變化

Re——Reynolds數(shù)

Sh——?dú)怏w相與固體相之間的能量傳遞

ug，us——分別為氣、固相速度，m/s

Yg,i——?dú)怏w組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)

αg，αs——分別為氣、固相體積分?jǐn)?shù)

ρg，ρs——分別為氣、固相密度，kg/m3

τg——?dú)庀鄳?yīng)力張量

τs——顆粒碰撞應(yīng)力

φ——黏性耗散