玉米秸秆气化特性研究

第32卷第1期华北水利水电学院学报VoL32 No.12011年2月.Journal of North China Institute of W ater Conservancy and Hyrolectrie PowerFeb. 2011文章编号:1002 - 5634(2011)01 -0046 -04玉米秸秆气化特性研究张小桃，黄明华，王爱军，张燕(华北水利水电学院,河南郑州450011)摘要:基于 AspenPlus模拟平台,对含水率分别为10% ,20%和30%玉米秸秆气化过程进行模拟. 计算了空燃比在1-2范围内变化时,气化过程的主要性能指标:合成气成分、合成气低位热值、碳转化事和气化效事.并把气化剂空气温度从25 C提高到250 C对玉米秸秆气化过程进行优化.结果表明:在空燃比小于1.6时，合成气低位热值和气化效率得到明显提高,大于1. 6时,优化前后差别不大此结论对生物质气化技术提供了有益的参考.关键词:玉米秸秆;气化特性;AepenPlus软件;过程优化随着我国经济的快速发展和农民生活水平的提剩余焦炭和灰渣.热分解过程中的产物除了CO2、.高,农作物秸秆不再作为农户的传统燃料和肥料,出CO、CH不饱和芳香烃化合物(像C2H,和C,H。),现了大量剩余.为了不误农时,农民在收种季节常常还有水蒸气、H, 02和N2其中H2、CO、CH和C.H.将农作物秸秆推进河道中或在田野直接焚烧,不仅.是可燃气体,CO2和N,是不可燃气体.污染了河水和空气,而且还严重浪费了宝贵的资焦炭气化过程发生在氧气富足区域,可以用以源".秸秆气化技术的研究是秸秆资源合理利用的下化学方程式描述:基础.笔者在建立常压气化炉模型的基础上,基于氧化反应AspenPlus模拟平台,以温度为25 C的空气为气化2C +02= =2CO↑,剂,对含水率分别为10% ,20%和30%时秸秆气化C+02=CO2↑,进行仿真.分析了合成气成分、低位热值、气化效率2C0+0, = =2C02↑.和碳转化率随空燃比(空气质量与生物质质量比)还原反应的变化关系.通过提高气化剂温度来优化气化过程,C +CO, = =2C0↑.提高气化效率.甲烷化及气体重整C+H20=CO↑+H2↑，1生物质气化C +2H2 =CH2↑，生物质气化技术是最近几年发展比较迅速的一-CO+H20=CO2↑+H2↑,种生物质热化学处理技术,它可将低品位的固体生2C0 +2H,-CH2↑+CO2↑.物质原料转化为高品位的洁净气体燃料.气化反应2气化模型分为气化物质中挥发分的析出(热解阶段)和残余焦碳的气化(生成的焦碳气化阶段)两个阶段.选取取材方便、储量丰富的玉米秸秆作为生物热解过程是生物质在缺氧条件下的热分解过质气化原料.其工业分析和元素分析见表12].程.在加热条件下生物质中的挥发分不断析出,最后收稿日期:2010-11-12荔金项目:郑州市科技发展计划项目(074SCC32108-5).通讯作者:张小桃(1967- -),女,河南温县人,副教授,博士,主要从事能源开发与利用方面的研究.第32卷第1期张小桃,等:玉米秸秆 气化特性研究47表1生物质原料的工 业分析和元素分析工业分析/%元素分析/%原料水分灰分挥发分H玉米秸5.9371.9517.7549. 955.9743.120.830.13注:元素分析是在干燥、无灰分生物质成分基础上.用AepenPlus建模时,用到的主要反应模块为单调递增;H,和CH,含量单调递减;C0含量先增RYield和RCibbe'3-41 ,气化模型如图1所示.大后减小;H,0含量先减小后增大;CO2含量的减小梯度则不断趋于平缓.t Q-DECOMP为了研究水分对玉米秸秆气化合成气成分的影DECOMPGASIFY响,特比较含水率分别为10%和30%的玉米秸秆气RYIELDINBURNERRGIBBS化合成气中主要气体成分CO、H2、CO2和H20随空燃比的变化,结果如图3所示从图3可以看出,水BIOMASSAIR}[ PRODUCT ]分含量低的玉米秸秆气化后合成气中主要可燃成分圈1生物质气化模型CO和H2的总含量总高于含水分高的玉米秸秆气化后合成气中CO和H2的含量,而CO,和H20的生物质原料和空气分别进入RYield和RGibbs总含量总小于含水分高的玉米秸秆气化后合成气中模块,其中生物质原料为非常规组分( NC). DE-CO2和H20的含量.可见于燥玉米秸秆原料,可使COMP模块是将生物质原料(非常规物质,NC)分解合成气中可燃成分增加.为单元素分子和灰分,并将裂解热导入GASIFY模块. GASIFY模块运用最小Cibbs自由能的方法计算+ 10%( CO;+H,);★10%(CO:+H,.O)s0，士 30%( CO+H,); - t 30%( CO, +H ,0)出气化炉出口合成气组成和温度.理想化模型的假设条件为"):①气化炉处于稳定运行状态,所有参数不随时间发生变化;②气化剂与生物质颗粒在炉内瞬间完全混合;③生物质中的10 1.11.2131.4151.61.71.81.920H,O,N,S全部转为气相,而C随条件的变化不完全空燃比转化;④气化炉内的压力相同,无压力降;⑤生物质圈3合成气中主要成分随空燃比的变化中的灰分为惰性物质,在气化过程中不参与反应;⑥生物质的颗粒温度均匀,无梯度;⑦所有气相反应3.2合成气低位热值随空燃比的变化关系速度都很快,且达到了平衡;⑧气化过程中的热损失气体低位热值是指标准状态下,单位体积气体忽略不计.中可燃物热值的总和.生物质气化所得的气体燃料3模拟结果与讨论的低位热值由下式计算LHV = 126CO + 108H, + 359CH. + 665C.H。,3.1合成气成分随空燃比 的变化关系式中:LHV为气体低位热值, kJ/m';CO, H2, CH, .图2为含水率为10%的玉米秸秆气化后合成C.H。分别为CO,H2,CH.及碳氢化合物的体积百气的成分随空燃比的变化.从图中可以看出N,含量分含量,%.合成气低位热值随空燃比的变化关系如图4所+ N;+C0;士H;一CH;+ CO,;十H,O示,在空燃比范围内,合成气热值是随空燃比的增大30先增大后减小的,在同一空燃比下玉米秸秆含水量生20多的气化合成气热值低.这是因为随着空燃比的增加,C0和H,与O2反应生成CO2和H20,从而使产1.01.11.213141.51.6171.81.920气中可燃气成分下降,热值随之降低.结合图3,在同一空燃比下含水多的玉米秸秆气化,合成气中可圈2合成气成分含量随空燃比的变化燃成分含量少,故而合成气低位热值低.48华北水利水电学院学报2011年2月+含10%水分母含20%水分士含30%水分3.4碳转化率 随空燃比的变化关系丰王碳转化率是指生物质燃料中的碳转化为气体燃料中的碳的份额，即气体中含碳量与原料中含碳量之比.图7为碳转化率随空燃比的变化关系如图7所示含不同水分的玉米秸秆气化,碳转化率均随空1.01.112131.41.51.61.71.81920燃比的增加而增加.结合图5可以发现,在达到最高空燃比气化效率的空燃比下,3种不同含水量的玉米秸秆圈4合成气低位热值随空燃比的变化的碳转化率均达到98%以上.3.3气化效率随空 燃比的变化关系100 r气化效率是指生物质气化后生成气体的总热量与气化原料的总热量之比.它是衡量气化过程的主80t 10%水分碳转化事. 20%水分碳转化事要指标.士30%水分碳转化率通常用下式来定义气化效率610 1.1 1.2 1.314 1.51.6 1.71.8 19 20气化效率=冷气体热值x干冷气体率,原料热值其中干冷气体率指单位质量的原料气化后所产生气圈7碳转化率随空燃比 的变化体燃料在标准状态下的体积.图5给出了气化效率随空燃比的变化.气化效优化模型率随空燃比的增加先增加后减小，含水率分别为在前面所建立模型的思路和基础上,对该模型10% ,20%和30%的玉米秸秆,分别在空燃比为进行局部调整,实现气化合成气与进入气化炉的空1.6,1.4,和1.3处达到最大值.气化效率受气体热气的换热,使空气温度由25 C提高到250 C.优化值和产气率的综合影响.结合图4-6可以发现在低后模型如图8所示.以含水率10%的生物质原料气空燃比下干冷气体率增加起主要作用，气化效率增化为例,优化前后合成气热值和气化效率变化如图加;在相对高的空燃比下,合成气热值的降低起主要9所示发现空燃比小于1.6时，优化后合成气热值作用,成为影响气化效率降低的主要因素.和气化效率均比优化前有明显提高;空燃比大于80r +含10%水分:女含20%水分:士含30%水分1.6时,优化前后差别不大. .70[Q-DECOMP4 60[ DECOMPHINBURNER- GASIFY一COOLERRYIELDRGIBBS40BIOMASSPRODUCT1.01.112131.4151.61.71.81920圈8生物质气化过程优化模型圈5气化效率随 空燃比的变化+含10%水分:士含20%水分:一含30%水分2.602.0+优化前合成气热值如3一优化后合成气热值1.5-优化前气化效率.优化后气化效率1.04 -1.01.1 1213 1.4 151.6 1.7 1.8 19 201.0 1.1 12 1.3 1.4 15 1.6 1.7 1.8 19 2.086干冷气体率随空燃比的变化圈9优化前后合成气热值和气化效率随空燃比的变化第32卷第1期.张小桃,等:玉米秸秆气化特性研究49b.提高空气温度到250 C对气化过程进行优化5结语后,在空燃比小于1.6时,可以有效提高玉米秸秆气用AspenPlus软件模拟玉米秸秆气化过程.主化的合成气低位热值和气化效率,空燃比大于1.6要考察了空燃比在1 ~2范围内变化时,含水率分别时,效果不明显.为10% ,20%和30%的玉米秸秆气化的合成气成参考文献分、低位热值,气化效率和碳转化率随空燃比的变化.并通过提高气化剂空气温度由25心提高到[1] 何张陈,袁林竹,耿凡农作物废弃物与煤混燃发电的250 C对气化过程进行优化.得到:技术经济性一基于 江苏省混燃案例的调研[J].能源a.生物质原料含水率对生物质气化有很明显的技术,2008 ,29(6) :356 -361.影响.含水率分别为10%,20%和30%的玉米秸秆[2]马隆龙,吴创之，孙立，等,生物质气化技术及其应用.[M].北京:化学工业出版杜,2003.气化后，分别在空燃比为1.6,1.4和1.3时得到气[3] Aspen Technology. Aepen Plus Uer Guide[ M]. USA:Aap-化效率最大值，分别为74. 4% ,68.3%和62. 4%.en Technology ,2006.在最大效率下的合成气热值分别为5 245. 57,[4] Aspen Technology. Ceting Started Modeling Processes with4 849.53,4 285. 53 kJ/m' ,对应的碳转化率分别为Solids[ M]. USA:Aepen Technology ,2006.100%,98.86%,100%.同时发现，减少玉米秸秆的[5] 张巍巍,陈雪莉,王辅臣,等.基于ASPEN PLUS模拟生含水率,可使合成气中可燃成分Co和H2的总含量物质气流床气化工艺过程[1].太阳能学报,2007,28增加，(12):1360 - 1364.Research on the Characteristics of Cornstalk GasificationZHANG Xiao-tao， HUANG Ming-hua, WANG Ai-jun, ZHANG Yan( North China Intitute of Water Conservency and Hydroelectric Power, Zhengzhou 450011, China)Abstract: The gaification processes of eonstalks respectively contained moisture at 10% , 20% and 30% , were simulated on the be-sis of AspenPlus software. When the air-biomass ratio varies from 1 to 2, the main performance indexes of the gaification proceos werecalculated, which include syngas molar fraction, eyngas LHV, carbon conversion eficiency and gsification eficiency. Through in-creasing gnifying agent temperature from 25 C to 250 C. the gasification process oplimization was made. The results ahowed thatwhen the air-biomass ratio was less than 1. 6, Byngas LHV and gaification eficiency were enhanced obviouely, but had no obviouschanges at the ratio more than 1. 6. The conclusions would be beneficial referencee to biomass gasifcation technology.Key words: cormsialk; gaification charcteristicg; AepenPlus sofware; proces optimization(责任编辑:藜洪涛)