热管生物质气化炉的模拟与试验

热管生物质气化炉的模拟与试验王中贤，张红，陈兴元，庄骏(南京工业大学能源学院，江苏南京210009)摘要:为了提高生物质燃气热值,开发一种新型热管生物质气化炉.结合质量平衡、能量平衡和化学反应动力学,建立热管生物质气化炉的动力学机理模型,最后通过试验进行验证.试验结果、模拟结果和其他类型气化炉相关数据对比分析表明:动力学机理模型与试验结果能较好地吻合;与用空.气直接供热气化的气化炉气体组分和热值比较,用热管生物质气化炉得到的气体组分中氢气体积分数较高,约是用空气直接供热气化的10倍,热值是用空气直接供热气化的2~3倍.关键词:生物质;气化;热管;床层温度;热值中图分类号: TK6文献标志码: A文章编号: 1671 -7775(2008)06 -0512 -04Numerical simulation and experimental study ona heat pipe biomass gasifierWANG Zhong xian, ZHANG Hong, CHEN Xing yuan, ZHUANG Jun(College of Energy, Nnjing Univensity of Technology, Nanjing, Jiangsu 210009, China)Abstract: A novel heat pipe biomass gasifier was developed to improve the heating value of gas pro-duced. Based on the mass balance , energy balance and dynamics of chemical reactions, a kinetie modelwas developed to simulate the process of biomassgasification and experiments were performned. By testingand simulation it shows that the kinetic model is consistent with testing results. By comparing the resultsof the gas composition and heating value with those produced by direct heat supply using air, it is foundthat hydrogen content in gas composition produced in the heat pipe biomass gasifier is approximately tentimes of that in direct heat supply gasification using air.Key words: biomass ; gasification; heat pipe; bed temperature; heating value我国是农业大国,有着丰富的生物质资源,生物为了提高燃气热值,文中提出一种新型热管生质能开发潜力巨大.我国生物质能源的开发和利用物质气化炉,利用高温热管供热实现生物质间接气以传统的燃烧为主,现在逐渐发展了生物质气化,使得生成的燃气中不含氮气,热值较高[5.6.若化1.2)、液化和发电等技术.其中生物质气化经济性用过热水蒸汽作为气化剂,燃气中氢气体积分数可高，是生物质清洁利用的一种主要形式.目前的生物达50%以上,提高了燃气中可燃成份.文中将化学质气化-般用空气直接供热气化方式,得到的燃气工程学与化学反应动力学有机地结合起来,即根据中氮气体积分数高,可燃成份少,热值较低,一般为三传一反理论建立热管生物质气化炉的动力学机理5 MJ/m'左右(34].中国煤化工收稿日期: 2007-10-30YHCNMHG基金项目:江苏省科技成果转化专项基金资助项目( BA2006012)作者简介:王中贤( 1977- -),女 .陕西渭南人，讲师( wangwangzx2004@ 163. com) ,主要从事新能源的开发与利用研究张红(1963- -),女,江苏南京人,教授, 博士生导师( huhang@ nju. edu. cn) ,主要从事高效传热传质设备技术的研究.1( 513试验中采用TDX01色谱柱,柱温为100 C ,检测器1热管生物质气化炉用热导池检测器,温度为120 C ,桥流为100 mA,分别用氮气和氦气作为载气热管生物质气化炉试验系统如图1所示.试验燃料，:级冷凝器时将高温热管的蒸发段放人加热炉内，以辐射方式来加热.加热炉采用碳化硅炉胆,将电炉丝插人,电炉丝和调压器相连接,并利用调压器来调节加热炉热电偶名名二级冷凝器的功率,以满足不同功率的要求.由蒸汽发生器产生过热器.高湿热管\集油旺 集气瓶的饱和水蒸气,经蒸汽过热器过热后,通过气化炉底气体分析仅部的分布板均匀地进入气化炉中.并和气化炉内的中流星计b酸铝纤维生物质发生反应生成燃气.冷凝系统采用两级冷凝,热汽发生器]- -级冷凝是用套管式冷凝器,二级冷凝是用混合式气化炉计算机冷凝器.在本试验中采用SP - 6890气相色谱仪分析燃图1”气化系统试验装置图气的组成该色谱仪可同时安装氢火焰检测器和热Fig. 1 Schematic diagram of gasification test system导池检测器,可以定量鉴别组成混合气的成分,如试验采用南方常见的稻草作为气化物料,其成H2 ,CO,CO2 ,CH。以及微量的C2H2 ,CHs,CcH。等.分分析如表1所示.表1物料的元素分析与工业分析Tab.1 Ultimate and proximate analysis of biomass fuels元素分析w/%工业分析w/%低位发热值/物料种类H(N水分灰分挥发分固定碳(MJ/kg)稻草32.317 4. 62336.991 0.8898.7616.42 _61.6513. 1811.462生物质气化反应过程3计算模型 .生物质气化的过程很复杂,随着气化装置的类型.工艺流程、气化条件气化剂种类、原料性质等条为了建立热管生物质气化炉的数学模型,文中件的不同，反应的过程也不相同.在热管生物质气化进行了一些简化和基本假设9]:(1)微元内所有微团之间充分混合,具有相同炉中的生物质气化过程主要考虑以下反应:的浓度和温度.R1 C +H20-°→CO + H2(2)气化炉内流动充分发展,密度和比热恒定.R2 C+C02-2C0(3)生物质的水分蒸发和挥发份释放在进入气R3 C +2H2-,CH4化炉后瞬间完成,假定产物成分,由试验修正.(4)生物质由C,H和0元素组成,而N和S等R4 Co +H20→→CO2+H2元素可以忽略.RS CH, +H2O气CO +3H2(5)产气组成主要为CO, CO2,H2,CH和上述各反应的动力学参数见表2.H2O.在气化过程中,热管生物质气化炉内物料浓度表2各反应的动力学参数和温度分布二维分析如下:Tab.2 Kinetic parameters for reactions如图2所示,以气化炉轴线为中心线,取一-半径频率因子活化能E/反应烤 AH/反应Ka,(1/s)(I/mol)( kJ/mol)为r,中国煤.dz 的环状微元体.RI0.083 31. 214 x 105+118. 628[7煤化工程(下标从1到5R25.55x103 3.061 x10*+162. 142[7]130. 2082.33 x 10°-752.4分别YHCNMHG0气体):R42.978x1012 3. 695 xI0'-43.514, oC.D.(1 aC+"y)+y=O (1)RS4.4x10 1. 68 x 102206514固定碳的物料平衡微分方程R]n(RJIn((导)C.u+y. =0(2)U" h+一入λm Rsh。(13)式中R2=R.+δ.,Rz=R2+8m3.2计算将网格划分为n x m,用Crank - Nicholson方法对方程(1),(2)和(3)分别进行离散化,并通过对边界条件的离散化得到一组代数方程组,进行求解计算.上述方程中的边界条件属第二类和第三类边界条件,需要考虑边界外面-一个外加“虚设"的点，图2热管生物质 气化炉微元体内物料和热量平衡分析为了保持对称,这个虚设点上的物理值等于边界内Fig.2 Balance analysis of mass and energy in heat对应点上的值.pipe biomass gasifier假定固相和气相有相同的温度,能量平衡微分方程4计算结果与分析(下标j从1到5分别代表反应R1 ~ R5):TpuC,7T-.( o+)+ Ex(- 0H) =04.1试验结果 与理论模型的比较(3)图3是以稻草为物料,床层温度为900 ~1 200 K,给料速率为0.15 kg/h, 水蒸汽/物料比为3.1边界条件和参数选择0.8时,气化炉出口气体组分分布的动力学机理模(1)热管生物质气化炉的边界条件为型结果与试验结果的比较.由图可见，模拟值与试验当r =r时,有值基本吻合,随着床层温度的升高,H2体积分数在aC!=0(4)50% ~60%之间,且呈增长趋势,而CO2体积分数8减少,CO体积分数在20%左右,变化不明显，CH4ac(5)体积分数则最低.a。试验值-H，- 模拟值-开。试验值-CO模拟值-Co2_其(r,-r)(6)80厂 。试验值-CH， -模拟值-CH,试验值CO2 -模拟值-CO260=0(7)C,=c屡20(8)T.U2 ,.(T-T,)(9)600650700750800850900950ar 入.床层温度/C在z =0处,有图3床层温度对稻草气体成分的影响C; = C,o(10)Fig.3 Effct of bed temperature on gas compositionT=T。(11)for straw(2)热管的总传热系数U,{9.10]4.2文中结果 与其他气化炉比较将文中热管生物质气化炉所得气体组分和热值RIn( )元= nR+一入。+的+1(12)结果中国煤化工13.与文献[3]和.式中h,是热管内凝结放热系数;hp是热管壁面与床[4]4fYH它床气体组分和热值比CN M H G体积分数很高,约层间换热系数.是用空气直接供热气化的10倍,其他成分相差较(3)气化炉外壁面处传热系数U2小,热值是它们的2~3倍.文献[ 10]中是用潜热砂1( 515囊间接供热的流化床气化炉,文献[5]中是用热管发动机的燃烧噪声[J].江苏大学学报:自然科学版,间接供热的压力流化床气化炉.从表3可知,用热管2006 ,27(5) :409 -412.间接供热的气体组分中H2的体积分数较用潜热砂TANG Dong, LAI Chao-feng, HU Zheng-quan, et al.Combustion noise of biogas diesel dual fuel engine[J].囊间接供热的高,而CO和CH4体积分数则低--些,Joumal of Jiangsu University: Natural Science Edition,这导致了两者之间的热值有所差别,但都比直接供2006, 27(5) :409 -412. (in Chinese)热气化的气体热值高.文中是用热管生物质气化炉[3]魏敦崧,李芳芹,李连民.生物质固定床气化试验研究的固定床单元进行试验,跟流化床相比,固定床的气[J].同济大学学报:自然科学版,2006 ,34(2) :254-固接触混合、热量和质量的传递速度、气化效率等都258.要差一些,因此就固定床而言,文中开发设计的热管WEI Dun-song, L Fang-qin, L Lian-min. Test study生物质气化炉适合于用来制取高品质燃气.on biomass gasifcation in fixed beds[J]. Joumal ofTongiji Univrsity :Natural Science, 2006, 34(2) :254-表3气体组分和热值258. (in Chinese)Tab.3 Gas composition and heating value[4] 黄海涛,熊祖鸿,吴创之.下吸式气化炉处理有机废φ/%热值(标准状况)/项目弃物[J].过程工程学报2003 ,3(5):477 -480.H:oCO2CH.(MJ/m')HUANG Hai-tao, XIONG Zu-hong, WU Chuang zhi.文献[3] 6.21 10.98 14.61 2.103.42Treatment of organice wastes in a down draft gasifier[J].文献[4] 6.39 17.45 14.11 1.823.86文献[I0] 26.20 39.00 18.30 10.315.4The Chinese Journal of Process Enginering, 2003, 3文献[5] 43.50 18.50 21.20 7.509.71(5) :477 -480. (in Chinee)文中62.45 11.64 14.06 0.378.32[5] KarlJ, Brost Q, Melz Th, et al. Decentralized genera-tion of heat and power by means of the biomass heatpipe5结论Reformer [C] // Proceeding of the 12th InterationalHeat Pipe Conference. Moecow: [s. n.], 2002:503 -508.(1);通过试验验证,证明文中所建的热管生物[6] Krellas s, Karl J, Kakaras E. An innovative biomass质气化炉机理模型是可行的,可以用来预测气化炉gasification process and its coupling with microturbine内部详细情况.and fuel cell systems[J]. Energy , 2008 ,33(2) :284 -(2)与用空气直接供热气化的气化炉气体组分291.和热值比较,文中所提出的热管生物质气化炉得到[7] 刘荣厚,牛卫生，张大雷.生物质热化学转换技术的气体组分中H2的体积分数很高,约是用空气直[M].北京:化学工业出版社, 2005.接供热气化的10倍,热值是用空气直接供热气化的[ 8] Watanabe H, OLaka M. Numerical simulation of coal2~3倍.gasification in entrained fAow coal gasifer [J]. Fuel,2006, 85(12,13): 1935 - 1943.参考文献( References)[9] Van der Lans R P,Pedersen L T, Jensen A,et al. Mo-delling and experiments of straw combustion in a grate[1] 罗福强,梁昱,汤东,等.生物制气-柴油发动机furnace[J]. Biomass and Bioenergy, 2000, 19(3):199放热规律的影响因素[J].江苏大学学报:自然科学-208.版,2005 ,26(3) :209 -212.LUO Fu-qiang, LIANG Yu, TANG Dong, et al. 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