主動(dòng)配風(fēng)固定床生物質(zhì)氣化爐氣化參數(shù)影響研究.pdf

1、生物質(zhì)能作為一種重要的可再生能源，資源量豐富、分布廣，其高效轉(zhuǎn)化技術(shù)日益受到重視。生物質(zhì)氣化技術(shù)使松散的生物質(zhì)熱值穩(wěn)定，能顯著提高生物質(zhì)制品的性能，成為規(guī)?；蒙镔|(zhì)能源的一種有效途徑，固定床下吸式生物質(zhì)氣化爐具有燃?xì)鉄嶂捣€(wěn)定、出爐灰分少、易于操作和控制等優(yōu)點(diǎn)，在生物質(zhì)氣化技術(shù)中應(yīng)用較多，然而目前常規(guī)固定床生物質(zhì)氣化過(guò)程中工況不穩(wěn)定，造成氣化效率低、燃?xì)馄焚|(zhì)差、焦油含量高等缺陷，成為了生物質(zhì)氣化工程發(fā)展的障礙。生物質(zhì)氣化工況是生物質(zhì)在

2、特定條件下的氣化狀況，同時(shí)也是各氣化參數(shù)之間的相互作用關(guān)系的表征。其中氣化劑供給方式、氣化壓力及床層溫度是生物質(zhì)氣化過(guò)程中具有明顯影響效果的工況條件，由于各氣化參數(shù)的相互作用關(guān)系，可通過(guò)改變其參數(shù)條件達(dá)到控制氣化過(guò)程的目的，進(jìn)而改善氣化效果，提高燃?xì)馄焚|(zhì)。國(guó)內(nèi)外對(duì)生物質(zhì)氣化工況影響的研究并不全面，僅對(duì)氣化過(guò)程中單一工況條件對(duì)燃?xì)馄焚|(zhì)的影響加以研究，忽略了工況條件之間的相互作用。
　　 本文基于燃燒學(xué)與熱動(dòng)力學(xué)理論相結(jié)合，深入研究

3、生物質(zhì)氣化不同階段溫度、壓力及氣化劑流速對(duì)生物質(zhì)氣化影響，通過(guò)熱重試驗(yàn)(TG)方法對(duì)生物質(zhì)熱解過(guò)程中3種參數(shù)的作用機(jī)理進(jìn)行深入研究，根據(jù)不同配風(fēng)工況試驗(yàn)結(jié)果，獲得合理的氣化劑配風(fēng)方式，基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)建立并驗(yàn)證氣化爐溫度、壓力關(guān)系模型。通過(guò)對(duì)氣化爐模擬研究，揭示了床層整體壓力、氣流分布規(guī)律。為氣化爐配風(fēng)方式設(shè)計(jì)，降低生物質(zhì)氣化成本，以及生物質(zhì)氣化工程的推廣與應(yīng)用提供依據(jù)和支撐。熱解反應(yīng)動(dòng)力學(xué)是研究生物質(zhì)氣化工況影響的理論基礎(chǔ)，熱重分析是高效

4、的動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)方法。本文通過(guò)等溫?zé)嶂睾图訅簾嶂卦囼?yàn)，以碳轉(zhuǎn)化率為表現(xiàn)形式研究了生物質(zhì)原料在不同工況影響下的氣化特性，利用Doyle積分法計(jì)算了壓力對(duì)反應(yīng)活化能E及指前因子的影響。結(jié)果表明：在生物質(zhì)氣化反應(yīng)過(guò)程中，碳轉(zhuǎn)化率隨溫度的升高而增加，氣化劑流量在60mL/min以上時(shí)可以消除氣化劑外擴(kuò)散的影響，隨著氣化壓力的提高，氣化反應(yīng)速率加快，試樣的碳轉(zhuǎn)化率有所增加，在同一反應(yīng)時(shí)刻，該增加關(guān)系并不是線性的，當(dāng)壓力較高時(shí)，生物質(zhì)的還原反應(yīng)所受影響

5、較弱，生物質(zhì)原料指前因子與活化能變化規(guī)律相同，均為隨壓力的增加先降低后上升，該現(xiàn)象說(shuō)明壓力的增加可提高反應(yīng)物中活化分子的碰撞頻率，提高反應(yīng)活性，但是壓力過(guò)高會(huì)對(duì)氣化反應(yīng)有抑制作用。根據(jù)熱解試驗(yàn)結(jié)果：不同生物質(zhì)原料在熱解過(guò)程中受到的工況影響趨勢(shì)基本一致。選擇稻殼為原料在主動(dòng)配風(fēng)式固定床生物質(zhì)氣化爐中進(jìn)行熱解氣化，通過(guò)改變氣化劑供給條件，研究不同配風(fēng)工況對(duì)爐內(nèi)的溫度、壓力及燃?xì)饨M分的影響，利用GC確定燃?xì)饨M分，GC/MS確定產(chǎn)品氣中焦油含量

6、。結(jié)果表明：中心管配風(fēng)工況下床層壓力最為合理且床層溫度最高。在該工況下的氣化爐各反應(yīng)層溫度、壓力關(guān)系模型具有較高的適用性。燃?xì)庵蠧O、H2隨著壓力的降低增加，CH4隨氣化壓力變化不明顯，燃?xì)鉄嶂党什▌?dòng)上升趨勢(shì)。根據(jù)熱解過(guò)程中碰撞理論及阿倫尼烏斯定理對(duì)試驗(yàn)結(jié)果加以分析，證明中心管配風(fēng)工況下床層壓力的分布可以加快氣化反應(yīng)速率，改善燃?xì)馄焚|(zhì)。以氣化爐溫度壓力試驗(yàn)結(jié)果為依據(jù)，基于最小二乘法理論建立了氣化爐各反應(yīng)層溫度、壓力關(guān)系的二元多次數(shù)學(xué)模型

7、，通過(guò)中心管配風(fēng)工況試驗(yàn)驗(yàn)證及誤差分析，獲得了各反應(yīng)層合理的計(jì)算方程，為氣化爐床層溫度變化機(jī)理的深入研究提供基礎(chǔ)。針對(duì)多點(diǎn)式試驗(yàn)無(wú)法整體表達(dá)氣化爐壓力、氣流場(chǎng)分布的局限，應(yīng)用計(jì)算流體力學(xué)(CFD)方法對(duì)氣化爐在三種氣化劑配風(fēng)工況下床層壓力場(chǎng)進(jìn)行仿真研究，依據(jù)多孔介質(zhì)理論建立氣化爐床層模型，利用歐拉拉格朗日算法分析氣化爐壓力、氣流場(chǎng)分布特性，通過(guò)與氣化爐多點(diǎn)測(cè)壓實(shí)驗(yàn)結(jié)果的比較分析和誤差計(jì)算，驗(yàn)證了模型設(shè)置的可行性。根據(jù)伯努利方程分析了氣化