1、第 39 卷第 1 期2012 年 1 月华北电力大学学报Journal of North China Electric Power UniversityVol. 39， No. 1Jan ， 2012生物质空气/水蒸汽气化的综合计算法模型李洪涛1， 2， 徐有宁2， 张亚宁1， 李炳熙1( 1. 哈尔滨工业大学 能源科学与工程学院 ， 黑龙江 哈尔滨 150001;2. 沈阳工程学院 沈阳市循环流化床燃烧技术重点试验室 ， 辽宁 沈阳 110136)摘要 : 建立生物质气化模型的目的在于确定用某种燃料为气化原料时所生成煤气的组成 、热值 、煤气产率 、气化剂的消耗量与热效率等 ， 并为选用设
2、计气化系统及设备提供依据 。根据生物质气化炉实测数据对煤的综合计算法模型进行了修正 。主要调整了干馏段生物质气的产率及气化段的碳氮比特征值 n。其中 ， 干馏产物中 CO2的产率设定为氧含量的 30% ， 焦油的产率设定为挥发分的 10% ; 气化段的碳氮比特征值 n 对应着不同的鼓风量 ， 风量大时 n 值得取值小 ， 反之亦然 ， 在实际气化炉中过量空气系数在 0. 2 0. 4 之间 ， 对应的 n 值的取值由原来的 0. 6 变为 0. 3 0. 6 之间 ; 此外 ， 根据固定碳量给定了水蒸汽的喷入量 。建模结果还与其它学者的实验数据进行了对比 ， 模拟结果符合良好 ， 在一定程度上
3、证明了模型的有效性和可靠性 。关键词 : 生物质 ; 气化 ; 空气 ; 水蒸汽 ; 综合计算法模型中图分类号 : TK16 文献标识码 : A 文章编号 : 1007 2691 ( 2012) 01 0070 06A comprehensive calculation model of biomass gasificationused air/steamLI Hong-tao1， 2， XU You-ning2， ZHANG Ya-ning1， LI Bing-xi1( 1. School of Energy Science and Engineering， Harbin Institute
4、 of Technology， Harbin 150001， China;2. Shenyang City Key Laboratory on Circulating Fluidized Bed ( CFB) Combustion Technology，Shenyang Institute of Engineering， Shenyang 110136， China)Abstract: Biomass gasification model aims to determine the syngas composition， heating value， gas yield， heating va
5、l-ue， gasification agent consumption and thermal efficiency to a specific gasification fuel， and the model can provide thebasis to design for the gasification system and equipment selection. Based on the actual operation data of biomass gasifi-er， the comprehensive calculation model of biomass gasif
6、ication had been amended to coal gasification. The syngas com-position in retorting stage and the ratio of carbon to nitrogen were adjusted mainly The CO2production rate in retortingstage was set to 30% oxygen content of fuel; and the tar yield was set to 10% volatile matter of fuel The ratio of car
7、-bon to nitrogen n corresponds to a different blast volume， the blast volume decreases with the ratio of carbon to nitrogenn increases， and vice versa The equivalence ratio of agent is 0. 2 to 0. 4 in the actual gasifier， so the ratio of carbon tonitrogen n is 0. 3 to 0. 6 In addition， the amount of
8、 injected steam was set on fixed carbon of fuel The calculated datawas compared with the actual experimental results and other scholars of the experimental data， which shows a largelysatisfactory agreement and p roves the effectiveness and reliability of this modelKey words: biomass; gasification; a
9、ir; steam; comprehensive calculation model收稿日期 : 2011 08 30基金项目 : 辽宁省自然科学基金项目 ( 20082136) ; 沈阳工程学院创新团队项目 ( T1105) 0 引 言生物质气化模型的目的在于确定用某种燃料为气化原料时所生成煤气的组成与热值 、煤气产率 、气化剂的消耗量 、热效率等 ， 并为选用设计气化系统及设备提供依据 。目前的气化模型可分为综合计算法 、实际计算法和理论计算法 。前两种是目前实际应用中通常采用的方法 。反应平衡计算法属理论计算法 ，是煤气化计算的基础 。第 1 期 李洪涛 ， 等 : 生物质空气 /水蒸汽
10、气化的综合计算法模型反应平衡计算法又可分为热力学模型和动力学模型 1。热力学模型又称零维模型 ， 是将整个气化过程中的多个异相和同相化学反应 ， 认为在某一温度下达到化学平衡状态 。而实际气化炉中 ， 温度不仅不是一个定值 ， 且化学反应难于达到平衡 2。动力学模型是从气化机理出发 ， 综合考虑气化反应动力学特性和流体力学特性 ， 比较符合实际 ， 但是由于气化过程非常复杂 ， 若干中间产物结构及反应机理尚无定论 ， 目前尚无公认的模型 3 6。综合计算法或称 H H 杜勃罗霍托夫法 7。它是一种经验性的计算方法 ， 其中某些指标采用实际数据 。本文根据生物质的燃料特性及实验数据 ， 修正了生
11、物质干馏段气体产率的经验系数 ;气化段气化气成分的确定与热力学模型中存在明确的化学平衡常数不同 ， 而是由综合平衡常数 K确定 。综合平衡常数 K 是气化气中的一氧化碳 、水 、二氧化碳和氢气的百分含量的经验系数 ， 本文给定了生物质气化中综合平衡常数 K 及碳氮比特征值 n 的取值范围 。模拟结果同沈阳某锻造厂生物质气化炉实测数据及天津大学毛燕东等 ， 中国科学院广州能源研究所吴创之等 ， 江西必高生物质能有限公司中试规模的气化炉合成气成分进行了对比 ， 显示了良好的一致性 ， 在一定程度上证明了模型的有效性和可靠性 。1 模型的构建生物质的气化综合计算法模型将气化过程分成了两个阶段 : 生
12、物质的干馏阶段和固定碳的气化反应阶段 ， 生成的生物质气则是干馏气与气化气的总和 。以下为生物质综合计算法模型中各参数的取值情况 。1. 1 生物质干馏阶段的模型建立生物质燃料中 ， 挥发份含量一般高于 60% ，大约占原料 70 % 的挥发组分在干馏阶段过程中释放出来 8， 9， 因此 ， 干馏阶段是所有生物质气化必经的过程 。在干馏过程中 ， 主要发生的化学反应为长链的有机大分子的热解反应 ， 用碳与氧的化学反应来建立气体组分的平衡模型是不合适的 。本文基于杜勃罗霍托夫法 ， 同时借鉴了 Da-vid 10， 11建立的煤裂解模型的思想 ， 结合生物质与煤之间的差异性 ， 对生物质干馏阶段
13、的假设进行了修正 。假设 1 9 为修正后干馏气中各成分的产率与生物质原料的对应关系 。( 1) 燃料中约 45% 的氧与当量的氢生成热解水 ;( 2) 燃料中 30% 的氧转变成 CO2;( 3) 燃料中 20% 的氢转变为甲烷 ;( 4) 燃料中 3% 的氢转变为乙烯 ;( 5) 焦油产率为挥发份的 10%， 且焦油含量中的 C， H， O， N 的摩尔比为 66 78 7. 5 1;( 6) 燃料中所有的氮都转入生物质气中 ;( 7) 燃料中 20% 的硫进人灰渣 ， 80% 的硫与当量的氢成为 H2S 进入生物质气中 ;( 8) 除了生成热解水 、CH4， C2H4， 焦油和H2S 外
14、 ， 燃料中剩余的氢都以游离状态转人干馏生物质气中 ;( 9) 除了生成热解水 、CO2、焦油外 ， 燃料中剩余的氧与当量的碳以 CO 的形式转入生物质气中 。1. 2 固定碳气化阶段的模型建立在固定碳的气化反应阶段发生的化学反应为固定碳和未热解完全的碳同气化剂中的氧及水蒸汽的反应 。在实际气化炉运行中生物质气流会携带出的未反应的小颗粒燃料 ， 当燃料中含粉末不多时 ， 带出物约占燃料重量的 1% 3% ， 实际参加反应的固定碳含量低于工业分析数值 ， 且根据除灰系统的不同 ， 灰渣中碳的百分含量也随之变化 ， 一般为灰渣重量的 2% 10%。因此 ， 参加实际气化反应的碳量应等于总碳量减去生
15、成干馏产物的碳量以及灰和飞灰的碳量 。在气化过程中生成的 CO， CO2， H2， H2O 和 N2混合气体的含量 ，可以通过联立方程 1 5 而求得 :( 1) 碳平衡 : CCO + CO2( 1)式中 : C 为气化阶段实际反应的碳量 ; CO 为气化产物中的 CO 含量 ; CO2为气化产物中 CO2的含量 。( 2) 氢平衡 : H2O总H2+ H2O未( 2)式中 : H2O总为气化剂中水蒸气的总量 ; H2O未为未分解的水蒸汽的含量 ; H2为固定碳气化段氢气的生成量 。实际运行过程中 ， 生物质燃料与燃煤最大的不同在与氢气的产生机理 ， 由于生物质燃料的固定碳含量低 ， 生物质
16、干馏后形成的半焦含量也低 ， 所以 ， 气化剂中的水蒸汽的含量也随之降17华 北 电 力 大 学 学 报 2012 年低 。本文给出了一个比例系数 ， 用来反映水蒸汽与固定碳含量的关系 ， 在沈阳的固定床气化炉的投入的水蒸汽与固定碳含量的比值为 0. 6。( 3) 氧平衡 : 气化段生成 CO 与 CO2的氧来源于空气中的氧和分解的水蒸汽 ， 依据氧元素的平衡列方程得 :2179N2+12H2O分CO2+12CO即N21. 88+ H2O分2CO2+ CO ( 3)式中 : N2为气化段气体中的 N2含量 ; H2O分为喷入的水蒸汽中的分解量 。( 4) 引入综合平衡常数 K， 其关系式如式
17、4所示 ， 其工程应用的实质是将求解化学平衡常数的问题转化为综合平衡常数 K 的测定问题 。影响K 值的变化主要因素为炉内反应温度及水蒸汽份额 ， 其参数的确定可根据实际值确 ， 在实际生产中 K 值范围为 1. 2 3. 0， 在一般计算时 ， K 可以取值 2. 5。K =COH2O未CO2H2( 4)( 5) N2的确定与水蒸汽及空气中的氧进行化学作用的碳量同空气中的氮量之间的碳氮比特征值 n， 其关系式如式 5 所示 ， 其参数的确定也要根据实际值确定 。n 值的变化对应着不同的鼓风量 ， 风量大时 n 值得取值小 ; 反之亦然 。在实际气化炉中过量空气系数在 0. 2 0. 4 之间
18、 ， 对应的 n 值的取值范围在 0. 3 0. 6 之间 。n =CO + CO2N2( 5)2 模型验证本文模型的准确性以沈阳某锻造厂生物质气化炉实测数据和其它学者的研究数据进行了验证 。气化模型以 100 kg 空气干燥基燃料为基准进行了模拟 ， 模拟中小颗粒带出率设定为 2% ， 干馏产物 由 CO， CO2， H2， H2O， CH4， C2H4， H2S和焦油组成 ， 其中焦油的分子式被认为是 CH1. 19O0. 12; 在气化段喷入的水蒸汽量为固定碳含量的0. 6 倍 ， 综合平衡常数 K 值取 2. 5， 碳氮比特征值 n 取 0. 4。2. 1 模拟结果与实测数据比较生物质
19、气化炉实测数据中的气化炉为上吸式 ， 气化原料为表 1 中的稻壳及白杨木屑制成的颗粒 ， 燃气样品的采样点位于水除焦后 ， 气体成分分析采用北京产 SP-3420A 气相色谱仪离线分析 。其它学者的生物质气化原料的工业分析及元素分析数据也在表 1 中列出 。表 2 和 3 分别为稻壳及白杨木气化模拟及实测的气体成分数据 。表中的湿基为气化气中含有水蒸汽份额的数据 ， 干基模为气化气中不含有水蒸汽份额的根据上述条件进行的模拟值 ， 干基测为生物质气化炉气化气脱水后的实测数据 。表 2和 3 中 数 据 表 明 ， 主 要 气 体 含 量 如 CO， CO2，H2， N2的相对误差未超过 5% ，
20、 只有 H2S 的相对误差较大 ， 其原因在于生物质硫的含量较低 ， 以煤的元素分析方法对生物质燃料进行分析 ， 数据的精度值得商榷 。但由于 H2S 的产率较低 ， 相对误差为 25% 对于模型的准确性 ， 属于可允许的范围 。表 2 和 3 中还存在值得关注数据 ， 即氢气在干馏段及固定碳的气化阶段的产率 。与 CO， CO2在这两阶段的趋势不同 ， 氢气的产率主要发生在干馏段 ， 而 CO， CO2则主要发生在气化段 。这种趋势可以解释为由于生物质的固定碳含量低 ，生物质气中主要的氢来自于有机物的分解 ， 由水煤气反应生成氢的程度较低 。表 1 试样的工业分析和元素分析 % ( ad 为
21、空气干燥基 )Tab. 1 Proximate analyses and ultimate analyses of samples % ( ad on air dry basis)样品工业分析 元素分析 低位发热量MadAadVadCadHadOadNadSadQad， net/( MJkg 1)稻壳 6. 8 16. 9 63. 7 37. 6 4. 9 33. 2 0. 5 0. 1 14. 35白杨木 10. 4 3. 0 77. 1 49. 8 5. 8 30. 1 0. 6 0. 3 19. 18棉杆 129 6. 2 63. 1 41. 2 5. 2 37. 3 1 0. 1 15
22、. 99杏核 138. 52 0. 17 75. 14 40. 53 5. 24 45. 15 0. 34 0. 05 14. 07松木 148 0. 55 74. 29 46. 44 6. 48 37. 82 0. 14 0. 57 20. 5427第 1 期 李洪涛 ， 等 : 生物质空气 /水蒸汽气化的综合计算法模型表 2 稻壳气化成分模拟值与测量值Tab. 2 The simulated and the measured values of syngas component ( Rice Husk)生物质气成分干馏气 /kmol气化气 /kmol最终气 /kmol湿基模/% 干基模/%
23、 干基测/%相对误差 %I =干基测 干基模干基测CO20. 305 0. 613 0. 918 10. 92 13. 39 12. 91 3. 71CO 0. 461 0. 611 1. 072 15. 07 18. 48 18. 87 2. 07CH40. 24 0. 24 2. 85 3. 49 3. 56 1. 97C2H40. 036 0. 036 0. 47 0. 58 0. 59 1. 69H20. 684 0. 145 0. 829 9. 84 12. 08 12. 31 1. 87H2S 0. 002 0. 002 0. 03 0. 03 0. 04 25N20. 014 3
24、. 551 3. 565 42. 34 51. 95 51. 72* 0. 4H2O 1. 285 0. 275 1. 56 18. 51 合计 3. 027 5. 195 8. 222 100 100 100 注 : * 其中 N2的百分含量采用差减法表 3 白杨木气化成分模拟值与测量值Tab. 3 The simulated and the measured values of syngas component ( Aspen)生物质气成分干馏气 /kmol气化气 /kmol最终气 /kmol湿基模/ % 干基模/% 干基测/%相对误差 %I =干基测 干基模干基测CO20. 276 0.
25、 944 1. 22 9. 77 11. 19 10. 76 4CO 0. 403 1. 539 1. 942 15. 55 17. 82 18. 56 3. 99CH40. 284 0. 284 2. 27 2. 61 2. 60 0. 38C2H40. 043 0. 043 0. 34 0. 39 0. 37 5. 41H21. 052 0. 125 1. 177 9. 43 10. 81 10. 95 1. 37H2S 0. 007 0. 007 0. 06 0. 06 0. 07 14. 29N20. 017 6. 208 6. 225 49. 86 57. 12 56. 69* 0.
26、 76H2O 1. 396 0. 192 1. 588 12. 72 合计 3. 478 9. 008 12. 486 100 100 100 注 : * 其中 N2的百分含量采用差减法2. 2 模拟结果对比由实际的气化炉产生的气化气的成分 ， 不仅与燃料性质有关 ， 还与过量空气系数 、水蒸汽的喷入量及温度场的分布状况有关 。对于不同型式的气化炉改进设计 ， 都以工业实际运行的气化炉为基准 ， 本文分别借鉴了两个研究单位及一个生产厂家的工业实验数据对模型进行了验证 。图 1 的对比实验数据取自天津大学毛燕东等在大型化固定床的实验 15， 实验原料采用棉杆 ，由于文中对喷入蒸汽的耗量未明确指出
27、 ， 模型中的修正数据的取值如上文中所取数值 。从图 1 中看出 CO， H2和 CH4的数据非常接近 ， N2的测量偏差大的原因是原测试数据中未给出 CO2数据 。图 2 和图 3 的对比实验数据取自江西必高生图 1 棉杆气化气实验与气化模拟数据对比Fig. 1 The comparison for simulation and experimentson syngas composition of Cottion stalk37华 北 电 力 大 学 学 报 2012 年物质能有限公司在中试流化床气化炉中的数据 16。实验以杏核原料进行气化 ， 由图 2 同图 3对比看出 ， 图 3 的模
28、拟结果与实验数据更加贴合 ， 这两者之间的差别在于 ， N2的修正系数 n 由原来的 0. 4 变为 0. 35， 通过理论计算 ， 对应的过量空气系数由原模型的 0. 29 变为 0. 33， 对应气体的热值由 5 201 KJ/Nm3变为 4 394 KJ/Nm3， 换言之 ， 实际运行过程中 ， 过量空气系数还可以取小些 ， 从而使得气体的品质提高 。图 2 杏核气化气实验与气化模拟数据对比Fig. 2 The comparison for simulation and experimentson syngas composition of almond residues图 3 杏核气化
29、气实验与气化模拟数据对比Fig. 3 The comparison for simulation amended and ex-periments on syngas composition of apricot husk图 4 的对比实验数据取自中国科技大学和中国科学院广州能源研究所联合在流化床中的空气 水蒸汽气化研究结果 5， 17。实验原料为松木 ，计算模型中的碳氮比特征值 n 取 0. 55， 对应的过量空气系数为 0. 23， 模拟中投入气化炉中的水蒸汽份额为固定碳的 1 倍 ， 高于原气化模拟中水蒸汽的份额为固定碳 0. 6 倍的数值 ， 气体分析的基准为无氮基 。从图 4 中看出
30、 ， 实验数据同模拟值之间的差异非常小 。图 4 松木气化气实验与气化模拟数据对比Fig. 4 The comparison for simulation amended and ex-periments on syngas composition of pine3 结 论根据生物质气化炉实测数据对煤的综合计算法模型进行了修正 。以下为主要的修正内容 。( 1) 干馏产物中 CO2的产率设定为氧含量的30% ;( 2) 焦油的产率设定为挥发分的 10% ;( 3) 气化段的碳氮比特征值的取值由原来的0. 6 变为 0. 3 0. 6 之间 ;( 4) 水蒸汽的投入量大约为固定碳含量的0. 6
31、倍 。模型计算结果与实测结果和其它学者的研究数据进行了比较 ， 在一定程度上符合良好 。考虑到生物质制氢的主要阶段发生在干馏阶段 ， 建议水蒸汽的投入量应根据固定碳的含量来调整 。由于模型所作的假定是根据有限的数据得到的 ， 因此模型具有一定的适应性 ， 较适于生物质颗粒固定床空气 /水蒸汽气化成分的预测 。参考文献 : 1 李大中 ， 王红梅 ， 等 . 流化床生物质气化动力学模型建立 J 华北电力大学学报 ， 2008， 35 ( 1) : 4 8 2 闫桂焕 ， 孙奉仲 ， 等 生物质气化过程的热力学模型研究 J 农业机械学报 ， 2010， 41 ( 9) : 85 89 3 Tina
32、ut F V， Melgar A， et al Effect of biomass particle47第 1 期 李洪涛 ， 等 : 生物质空气 /水蒸汽气化的综合计算法模型size and air superficial velocity on the gasificationprocess in a downdraft fixed bed gasifier An experi-mental and modelling study J Fuel Processing Tech-nology， 2008， 89 ( 11) : 1076 1089 4 Gobela B， Henriksen
33、U， et al The development of acomputer model for a fixed bed gasifier and its use foroptimization and control J Bioresource Technology，2007， 98 ( 10) : 2043 2052 5 吕鹏梅 ， 吴创之 生物质流化床空气 水蒸汽气化模型研究 J 化学工程 ， 2007， 35 ( 10) : 23 26 6 Govind R， Shah J Modeling and simulation of anen-trained flow coal gasifie
34、r J AIChE Journal， 1984，30 ( 1) : 79 92 7 沙兴中 杨南星编 煤的气化与应用 M 上海 : 华东理工大学出版社 ， 1995 8 袁震宏 ， 吴创之 ， 马隆龙 ， 等 生物质能利用原理与技术 M 北京 : 化学工业出版社 ， 2005 9 徐 冰 嬿 ， 罗 曾 凡 上吸式气化炉的设计与运行 J 太阳能学报 ， 1988， 9 ( 4) : 358 368 10 David M Mathematical models of the thermal decompo-sition of coal: 1 The evolution of volatile m
35、atter J Fuel， 1983， 62 ( 5) : 534 539 11 David M Mathematical models of the thermal decompo-sition of coal: 2 Specific heats and heats of reaction J Fuel， 1983， 62 ( 5) : 540 546 12 牛胜利 ， 韩奎华 生物质先进再燃脱硝特性研究 J 燃料化学学报 ， 2010， 38 ( 6) : 745 751 13 Gonzlez J F， Gan J， et al Almond residues gasifi-cation
36、plant for generation of electric power Preliminarystudy J Fuel Processing Technology， 2006， 87( 20) : 149 155 14 王伟 ， 蓝煜昕 生物质废弃物快速热解制取富氢气体的实验研究 J 环境工程学报 ， 2007， 1 ( 8) :114 119 15 毛燕东 固定床中生物质气化过程研究 D 天津 : 天津大学 ， 2008 16 龙琳 ， 魏立安 杏仁壳流化床气化实验研究 J 江西化工 ， 2008，( 2) : 92 94 17 吕鹏梅 ， 常杰 生物质在流化床中的空气 水蒸汽气化研 究 J 燃 料 化 学 学 报 ， 2003， 31 ( 4) :305 309作者简介 : 李洪涛 ( 1975 ) ， 男 ， 博士研究生 ， 研究方向为生物质能热化学转化技术及两相流传热传质研究 。57
