主动配风固定床生物质气化炉气化参数影响研究

摘要

生物质能作为一种重要的可再生能源，资源量丰富、分布广，其高效转化技术日益受到重视。生物质气化技术使松散的生物质热值稳定，能显著提高生物质制品的性能，成为规模化利用生物质能源的一种有效途径，固定床下吸式生物质气化炉具有燃气热值稳定、出炉灰分少、易于操作和控制等优点，在生物质气化技术中应用较多，然而目前常规固定床生物质气化过程中工况不稳定，造成气化效率低、燃气品质差、焦油含量高等缺陷，成为了生物质气化工程发展的障碍。生物质气化工况是生物质在特定条件下的气化状况，同时也是各气化参数之间的相互作用关系的表征。其中气化剂供给方式、气化压力及床层温度是生物质气化过程中具有明显影响效果的工况条件，由于各气化参数的相互作用关系，可通过改变其参数条件达到控制气化过程的目的，进而改善气化效果，提高燃气品质。国内外对生物质气化工况影响的研究并不全面，仅对气化过程中单一工况条件对燃气品质的影响加以研究，忽略了工况条件之间的相互作用。
　　 本文基于燃烧学与热动力学理论相结合，深入研究生物质气化不同阶段温度、压力及气化剂流速对生物质气化影响，通过热重试验(TG)方法对生物质热解过程中3种参数的作用机理进行深入研究，根据不同配风工况试验结果，获得合理的气化剂配风方式，基于试验数据建立并验证气化炉温度、压力关系模型。通过对气化炉模拟研究，揭示了床层整体压力、气流分布规律。为气化炉配风方式设计，降低生物质气化成本，以及生物质气化工程的推广与应用提供依据和支撑。热解反应动力学是研究生物质气化工况影响的理论基础，热重分析是高效的动力学试验方法。本文通过等温热重和加压热重试验，以碳转化率为表现形式研究了生物质原料在不同工况影响下的气化特性，利用Doyle积分法计算了压力对反应活化能E及指前因子的影响。结果表明：在生物质气化反应过程中，碳转化率随温度的升高而增加，气化剂流量在60mL/min以上时可以消除气化剂外扩散的影响，随着气化压力的提高，气化反应速率加快，试样的碳转化率有所增加，在同一反应时刻，该增加关系并不是线性的，当压力较高时，生物质的还原反应所受影响较弱，生物质原料指前因子与活化能变化规律相同，均为随压力的增加先降低后上升，该现象说明压力的增加可提高反应物中活化分子的碰撞频率，提高反应活性，但是压力过高会对气化反应有抑制作用。根据热解试验结果：不同生物质原料在热解过程中受到的工况影响趋势基本一致。选择稻壳为原料在主动配风式固定床生物质气化炉中进行热解气化，通过改变气化剂供给条件，研究不同配风工况对炉内的温度、压力及燃气组分的影响，利用GC确定燃气组分，GC/MS确定产品气中焦油含量。结果表明：中心管配风工况下床层压力最为合理且床层温度最高。在该工况下的气化炉各反应层温度、压力关系模型具有较高的适用性。燃气中CO、H2随着压力的降低增加，CH4随气化压力变化不明显，燃气热值呈波动上升趋势。根据热解过程中碰撞理论及阿伦尼乌斯定理对试验结果加以分析，证明中心管配风工况下床层压力的分布可以加快气化反应速率，改善燃气品质。以气化炉温度压力试验结果为依据，基于最小二乘法理论建立了气化炉各反应层温度、压力关系的二元多次数学模型，通过中心管配风工况试验验证及误差分析，获得了各反应层合理的计算方程，为气化炉床层温度变化机理的深入研究提供基础。针对多点式试验无法整体表达气化炉压力、气流场分布的局限，应用计算流体力学(CFD)方法对气化炉在三种气化剂配风工况下床层压力场进行仿真研究，依据多孔介质理论建立气化炉床层模型，利用欧拉拉格朗日算法分析气化炉压力、气流场分布特性，通过与气化炉多点测压实验结果的比较分析和误差计算，验证了模型设置的可行性。根据伯努利方程分析了气化炉床层压力场的变化原因，将反应动力学与燃烧学理论相结合，推导了反应速率与气化压力关系，从动力学反应速率角度进一步揭示了气化炉压力场分布对气化过程的影响机理。本文通过理论、试验与模拟相结合的方法，对生物质气化过程中参数影响进行了系统研究，为生物质能源气化转化与利用技术领域科研的深入提供重要的基础和依据。