层式下吸式生物质气化的理论分析及试验研究

发布时间：2020-10-17 19:38

　　 生物质气化是清洁高效利用生物质能的有效途径之一,层式下吸式气化装置在农村集中供气及小型生物质发电中得到广泛应用。随着能够将松散的原料压缩为成型颗粒的生物质固化技术的发展,使生物质气化的大规模应用成为可能。然而,目前对气化炉的设计在很多方面还依赖于经验数据,大量复杂的气化反应本质和规律并没有被完全揭露,尤其是大颗粒生物质在层式下吸式气化设备中热解气化的理论分析和试验研究很少。以大颗粒生物质为研究对象建立理论模型,借助数值计算和试验手段,对其在层式下吸式气化炉中的热解气化进行理论分析和应用研究,对揭示气化反应的本质,改进气化炉结构,优化气化工艺,提高气化效率具有重大意义。有焰热解区和还原区是层式下吸式气化炉中最重要的区域,分别从单颗粒和反应区整体的角度对有焰热解区内热解过程和还原区内气化过程进行了数值模拟。应用半全局热解动力学模型,耦合了传热方程,建立了单个生物质颗粒在有焰热解区的热解模型,利用该模型计算了有焰热解区的传热参数,揭示了颗粒内部的热解过程并计算了有焰热解区的高度。结果表明,对流换热系数hs=80.4W/(m2·K)和发射率ε=0.792是适于层式下吸式气化炉有焰热解区模型计算的传热参数；颗粒的平均升温速率为182.5K/min,属于快速热解；随着有焰热解区热解温度的升高,完全热解所需时间逐渐缩短,炭产量从16.92%逐渐降低到13.97%；随着颗粒直径的增加,热解时间逐渐增加,炭产量增加；在典型工况下,有焰热解区的高度在1.1-2.2个颗粒直径的范围内。基于物质平衡、能量平衡和化学反应平衡,在综合考虑系统散热、焦油和灰分等因素的基础上,建立了有焰热解区整体热动力学平衡模型并进行了数值模拟,研究了输入参数对有焰热解区出口的气体成分和温度的影响,为气化炉还原区的模型提供了初始参数。结果表明,ER、原料含水量、散热损失对有焰热解区出口的气体温度和成分都有比较明显的影响,而空气预热温度和灰分含量对出口气体温度有一定的影响,而对气体成分的影响不明显；较高的ER和生物质含水量将增加气化炉内发生结渣的可能性；在一定的ER范围内,提高空气的预热温度,对整个气化炉的气化是有利的;较低的ER和较高的热损失将无法保证生物质的完全热解和燃烧；有焰热解区出口气体成分中,对还原区反应有重要影响的C02含量范围在10～15%之间,H2O含量范围在20～25%之间。为深入理解层式下吸式气化炉内的还原过程,采用包含了能够反映炭颗粒内部可利用表面积、可利用活性位和孔隙属性值的表面函数月(X)的炭颗粒气化反应动力学方程,耦合了传热、传质方程,建立了单个生物质炭颗粒在还原区的气化模型并进行了数值模拟。利用该模型计算了还原区的传热和传质系数,揭示了还原区中炭颗粒内部的气化反应规律并计算了整个还原区的高度。结果表明,在本文设定的层式下吸式气化炉还原区,CO2的传质系数为：0.008～1.08m/S,H2O的传质系数为：0.007-0.97m/s；传热系数为：50-195 W/(m2·K)；不同直径炭颗粒内部的温度分布不同,C02与H20在颗粒内部的浓度大小差别较大；颗粒周边温度较低时,模型更接近均相模型,而温度较高时,则更接近缩核未反应模型,对于炭颗粒的气化反应必须采用既考虑传热又考虑传质的非等温模型；传热系数、H2O的传质系数在一定范围内影响炭的完全转换,而CO2的传质系数则影响很小。对于直径10-30mm生物质压缩颗粒,层式下吸式气化炉还原区的高度约为200-300mm。以还原区5个主要化学反应的动力学为基础,基于能量平衡和质量平衡,结合对还原反应具有重要影响的炭活性因子CRF,建立了还原区的化学动力学模型并进行了数值模拟。确定了CRF的最佳取值,揭示了还原区内参数分布规律。结果表明,CRF=e30Z最适合模型的计算；沿着床层高度,还原区内的温度逐渐下降；还原区入口气体温度对还原区内的温度变化、气体浓度分布有较大的影响,而还原区入口的气体表观流速对还原区的温度分布影响不大；沿着还原区床层高度方向,气体摩尔浓度分布不同,气体表观流速呈现逐渐下降的趋势,而压力呈现单调线性下降。将有焰热解区热动力学平衡模型和还原区化学动力学模型相组合,构成了完整的层式下吸式气化炉的数学模型,详细分析了ER和原料含水量对气化炉出口气体成分和温度的影响。结果表明,ER增加,气化炉出口气体温度升高,燃气流量和燃气产率增加,气体热值先少量增加,然后降低；生物质含水量增加,气化炉出口气体温度降低,燃气流量和燃气产率增加,气体热值降低；ER和含水量的变化均使出口气体成分呈现不同的变化趋势。利用数值模拟优化结果对气化炉进行重新设计,建立了以生物质成型颗粒为原料的层式下吸式气化试验台,设计了大型生物质成型颗粒气化集中供气系统并进行了工程示范应用,对试验参数和运行工况进行了测量和分析。结果表明：模型预测值与试验结果很好的相吻合；生物质成型颗粒原料运行工况稳定,流动性良好；随着燃气流量的增加,气化炉内的温度、燃气热值、气化效率和炉内的压力损失增加,而焦油的产量下降,灰分的产量升高；经过净化系统,燃气中的焦油和灰分含量总含量已降至50mg以下,可达到内燃机发电要求；大型生物质成型颗粒气化集中供气系统示范工程运行稳定,气体热值达到5284kJ/Nm3,气化效率达到72.8%,灰分及焦油含量为32mg/Nm3,能够产生良好的社会和经济效益。通过理论分析和试验研究,对大颗粒生物质在层式下吸式气化炉中的热解过程进行了系统分析,为生物质压缩颗粒的气化利用提供了理论基础和实践依据。
【学位单位】：山东大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2016
【中图分类】：TK6
【部分图文】：

此在集中供气、供热及小型生物质发电中得到了广泛的应用??固定床下吸式气化炉主要有喉式Ｏｍｂｅｒｔ）、层式（Ｓｔｒａｔｉｆｉｅｄ）及两段（Ｔｗｏ－ｓｔａｇｅ）??气化炉等Ｈ种型式。图１－２分别为Ｓ种气化炉的示意图。??（１）喉式下吸式气化炉??喉式（Ｉｍｂｅｒｔ）下吸式气化炉是根据发明人Ｊａｃｑｕｅｓ?Ｉｍｂｅｒｔ的名字来命名的Ｐ２１。??喉式下吸式气化炉的主要特征是气化炉中部有一个喉部（或称缩口），空气由此通??过多个喷嘴进入气化炉。气化炉的顶部和进料口密封，生成气通过炉排，从底部??排出ｔｗ■。生物质原料从顶部进入气化炉，受到下部热福射和对流换热，原料首先??被干燥，并发生热解，然后在喉部位置与通过喷嘴进入的空气纔合发生部分燃烧。??喉部可Ｗ产生高温区，使得焦油能够充分热解。在喉部下方是还原区，０）２、＆０??同炭发生还原反应，转换为可燃气，主要成分为ＧＯ、Ｈ２和ＣＨ４。??〇?／?生＊＊?．空气?ｍｓ、??＾?ＩＶＩ?ｆ?？严????＇ｊ巧区?Ｌ生成、?千Ａ区?Ｌ?＾?ｒｖＶ＼ＡＡＡＡ７??Ｕｉ?Ｐ—?有龍?Ｉ??广迪ｗ?Ｚ?娜?＾??‘Ｉ?賺?Ｌ??Ｕ?Ｕ?」?Ｉ???＊??Ｉ?灰?［＿＿Ｊ??ａ．喉式下吸式气化炉?ｂ．层式下吸式气化炉?￡．两段下吸式气化炉??图１－２?Ｈ种下吸式气化炉型式??喉式（Ｉｍｂｅｒｔ）下吸式气化炉的主要优点是生成气中焦油含量较低，其主要缺??点包括：１）气化炉结构难ｔＵ放大；因为随着尺寸的放大

２．２生物质颗粒热解数值模拟??２．２．１生物质热解过程??通常意义上，生物质热解一般指在高温、惰性气体环境下发生的反应。图２－１??为生物质颗粒的热解过程示意图ｔｉＭｊ。??？？??一次热解猿?？、％、?二次热解过巧?＼??／?（做獅和健）?＼?輸跳《?＼??心－庐’易磅篇Ｗ?ｉ??Ｉ?＊气＊欠分子气＊‘＊＾＾＊，?！??ｋＡ：．八＊＇；－＊？＊．?＊?＊＊？?裝Ｉ?挺杉莲摸＇?？去裝?Ｉ??＼?／?？资解?？巧合?／??＊?――?．策化?．课赛?．／＇？??？．……，…??????？水—＼葦换致沒?，－＊？＞??图２－１生物质颗粒热解过程??在无氧、惰性的高温环境下，生物质被加热，周边惰性气体与生物质表面发??生对流及福射换热，表面温度升高，热量逐渐传递到生物质内部；首先发生干燥??过程，然后，随着温度的不断升高，生物质开始发生热解化学反应，反应生成了??炭、焦油和气相产物。炭是指富含碳的无挥发分的生物质残留物；焦油是高分子??２７??

本文利用纯隐式有限差分法对传热方程（２－２１）进行求解，这是因为纯隐式方??法是无条件穂定的。首先将方程（２－２１）连同边界条件（２－２３）?（２－２４）在计算区??域南散化，如图２－７所示，其中，Ｐ为时间，ｉ为空间，Ａｒ为轴向网格时间单位长??度，Ａｘ为径向网格空间单位长度。??牛??Ｐ??Ｐ??ｉ．?Ｐ＋１??ｉ－ｌｉ，ｐ?１７ｐ?Ｉ?ｉ?＋?１．?Ｐ??Ａｔ?．??ｉ，ｐ－１??Ｐ－！??＇ＴＴ?…－…Ｖ－?心．５?＂??图２－７传热方程时间－空间离散化??对中间节点，利用中也差分格式：??ｅｒ、－ｅ‘ｐ?１?６／＋｜－６＿，ｐ＋ｉ?Ｉ?６／＋｜－２０，ｐ＋｜＋６＿，ｗ?Ｉ?０的＊，）如）。??Ａｒ?Ｘｊ?２?Ａｘ?（Ａｘ）＾?ａ??对于ｊｃ＝０：??ｅｒ－ｅ＇ｐ邱５?—皆、，肿（足，）（饥８广??Ａｒ?０．５Ａｘ?ａ??０２口＋、－０、Ｐ＋、??＝２?＾?＋?塑化］曲（２－２８）??０．５Ａｘ?ａ??二?４?（６?ｐ＋ｉ?６川）Ｉ?資Ｗ?（＊１）（所８）巧??（Ａｘ）２?２?１?ａ??对于：ｃ＝ｌ：??３４??

本文编号：2845235