两段式生物质气化技术的旋风熔融炉模拟研究.doc

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1、两段式生物质气化技术的旋风熔融炉模拟研究摘要：对两段式生物质气化技术旋风熔融炉部分进行优化模拟研究。模拟对比不同配风方式及当量比对炉内产气效果的影响。结果表明，随着配风在炉内分布趋于均匀，产气热值、产气率及碳转化率均得到有效的提升。随着当量比的增加，产气率不断升高，但气体热值却不断降低。生物质气化技术是获取生物质能最主要方式之一，其主要是以生物质为原料，空气、氧气或水蒸气等为气化剂，在高温条件下通过热化学反应将生物质燃料转化为可燃气体的过程1。生物质气化技术不仅能缓解能源短缺的问题，还能有效地利用和解决农业生产过程中产生的废弃物。现阶段，对于生物质在固定床及流化床内热解气化的反应过程已有大量的

2、试验及理论研究，然而却存在气化效率及产气品质较低，焦油含量较高等问题2。将流化床与旋风熔融炉耦合运行，提出的新型两段式生物质气化技术3则在一定程度上能够有效地解决这些问题。为研究两段式生物质气化工艺，依托江苏省粮食局生物质粮食干燥示范工程，搭建了生物质流化床低温气化垣旋风炉高温熔融两段式生物质气化中试试验平台。其主要工艺流程为，生物质燃料经给料系统进入流化床内进行低温热解气化，产生的粗制可燃气、生物质焦炭及焦油等物质，在旋风熔融炉内继续进行高温气化反应，最终得到高品质的生物质气化燃料。相较于传统气化工艺，其特点有：熔融炉内的反应温度可以达到1300左右，能有效降低气化气中焦油的含量4；在高温作

3、用下，秸秆等碱金属含量较高的生物质原料被熔融成炉渣，从而可减少气化气中粉尘含量及降低碱金属对下游受热面的腐蚀5；提高气化效率，产气的品质及热值等。迄今，对于流化床气化产物在旋风熔融炉内的反应研究较少，且试验方式难以直观展示炉内的变化情况，因而数值模拟对于研究熔融炉内反应过程有着很大的优势。本文基于数值模拟软件Fluent，对示范工程旋风熔融炉建立三维气化模型。以稻壳为生物质原料，研究不同的配风方式及空气当量比，对炉膛内部反应及气化结果的影响。为优化炉内气化过程提供理论依据，以期能得到更加高效、稳定的运行条件。1模型及模拟方法1.1物理及网格模型对旋风熔融炉建立三维模型，其中炉膛直径为1072m

4、m、高4613mm，下部为高630mm、下底面直径500mm的台体，流化床低温气化产物经过240mm120mm的连接通道切向进入旋风炉内，五个直径为100mm的风管，将配风切向送入炉膛内部，其中第一路与第二路间隔为300mm，第二路与第三路间隔300mm，第三路与第四路间隔为500mm，第四路与第五路间隔1000mm。旋风炉气化产物由炉膛底部出口排出。利用前处理软件ICEM对整个炉膛模型进行网格划分，并对局部网格进行加密处理，划分好的网格模型及实物模型如图1所示，整个炉膛的网格总数为232558。1.2基本控制模型进入旋风熔融炉内的物质主要包括热解产生的气相组分、固相半焦物质以及风管送入的切向

5、配风。炉内气固各项均由连续性方程、动量方程以及能量方程所控制，对于气固两相流本文采用欧拉原拉格朗日法，并选用可实现K-模型来模拟炉内的气相湍流；而固相则采用基于颗粒动力学理论建立模型。1.3化学反应模型及模拟方法本文选取典型工况下示范工程流化床运行结果，并将其低温热解气化产物作为进入熔融炉的初始反应物质。因而熔融炉内主要反应包括了气固非均相反应以及气体均相反应。由于炉内反应是一个非常复杂的过程，为了对模型进行简化，我们假设：反应过程中焦炭颗粒粒径保持不变；非均相反应由扩散方程及化学反应动力学方程共同控制；配风只由O2和N2组成，且N2不参与任何反应；焦油成分难以确定，本文以C6H6代替焦油成分

6、6；均相反应速率则取扩散及动力学二者较小速率7。其主要反应过程及反应速率见文献8。1.4边界条件将各配风口及连接处设置为速度入口边界条件，湍流强度及水力直径根据公式计算得出9；由于压力出口边界条件能够更加准确地反应真实的运行情况，故将底部出口设置为压力出口边界条件，出口压力由试验测得。保持壁面温度与实际运行情况一致并使用标准壁面函数对近壁面进行处理。2模拟结果与分析2.1模型验证通过将试验收集的熔融炉出口气体组分与模拟得出数据的进行比较，来验证模型的准确性。选取工况为稻壳进料量170.5Kg/h，流化床空气流量为112Nm3/h，熔融炉空气流量150Nm3/h，其中只打开第一第二及第五路风口且

7、进气量各为50Nm3/h。将基于试验数据及元素平衡计算得到的流化床出口处气体组分及体积分数代入模型，模拟结果与实验收集数据进行对比（如图2所示）可以看出，除CO及H2相对误差为12.83和11.34，其余各组分的相对误差都在10以内。计算结果与实验结果吻合度较高，本文所建立模型是合理的，可应用于进一步研究。2.2不同配风方式对气化性能的影响本文选取三种不同的配风方式，来研究其对气化效果的影响。第一种由某一路风管集中配风，第二种为五路风管将配风均等送入炉内，第三种为配风从炉膛内部空间均匀喷入。由炉膛内部结构特点可知，第一路风管与连接处处于同一水平位置，二者将空气和流化床产物分别切向送入炉内，形成

8、强烈的旋转气流，使流化床产物与空气充分混合，气化效果相较于其他集中配风方式最优，故第一种配风方式选择由第一路风管进行集中配风；第三种配风方式选择由一、四、五路风管将配风均等送入炉内，可使配风在炉膛内部空间分布得更加均匀。保持稻壳进料量为170.5Kg/h，流化床空气当量比为0.20，熔融炉空气当量比为0.26的情况下。选取工况一：只打开第一路配风，且进风量为150Nm3/h；工况二：分别打开五路配风，进风量分别为30Nm3/h；工况三：打开一、四、五路配风，进风量分别为50Nm3/h。2.2.1不同配风方式对气化效果的影响不同的配风方式对熔融炉气化结果影响如图3所示，随着配风在空间上趋于均匀的

9、被送入熔融炉内，H2及CO的浓度逐渐升高，CO2含量逐渐降低，CH4的含量最低并稍有降低。工况三较工况一产气热值提高了0.89MJ/Nm3，且产气率增加了0.16Nm3/Kg。可以看出随着配风趋于更加均匀的被送入熔融炉内，气化效果越好。2.2.2不同配风方式对温度场分布的影响图4展示了三种不同配风方式下温度场分布规律，可以看出三种配风方式下熔融炉上部均存在贴壁高温区域，最高温度可以达到1800K。工况一相较于工况二、三其贴壁高温区域温度更高、区域更长。这是由于其上部区域空气量较高且速度较快，造成剧烈的扰动，使得流化床产物能够更好的与空气反应并放出热量从而促进反应的进一步发生。而工况三，由于炉膛

10、上部被送入的空气量较少，速度较低，从而导致炉膛上部总体温度较低。炉膛下部，工况一由于没有空气的补入形成还原性气氛，温度有明显的下降，工况二、三则由于空气的继续补入，温度分布相对来说更为均匀。总的看来：工况一集中配风方式，高温区域温度较高且更为集中，低温区温度较工况二、三也稍低，沿炉膛高度温度相差较大。工况三空间均等配风方式，上部高温区域温度较低且范围较大，沿炉膛高度温度分布更加均匀，更有利于炉内传热传质过程，使得炉内整体反应更加充分。2.2.3不同配风方式下组分浓度场分布对比各配风方式下中心截面CO及H2浓度场分布如图5所示。从图中可以看出工况一由于炉膛上部空气量充足，气流扰动较大、温度较高，

11、使得流化床出口产物发生剧烈的氧化反应，CO和H2浓度明显偏低。随着高度的降低，由于没有空气的补给在炉内高温驱使下焦炭与CO2及H2O发生非均相反应，CO及H2浓度有所提升。而工况三则由于炉膛上部空间空气量较少，温度较低，可燃气体消耗量较少并且残炭发生不完全反应，CO及H2浓度明显高于前两种配风方式。中部区域配风同时与上下部风管切向送入的配风发生扰动并卷吸烟气，从而强化了传热和传质过程，焦炭在壁面处与空气继续发生不完全反应，中间处则与卷吸来的烟气发生非均相反应，从而造成中部区域尤其贴近壁面处CO浓度最高。下部随着反应的进行及氧气的补充，CO及H2浓度有所下降，但总体而言整个炉膛内部CO和H2的浓

12、度相对较高。通过分析可知随着配风更加均匀的送入炉内，使得焦炭颗粒反应更加充分。三种配风方式下碳转化率分别为77.24、84.40、89.49，可以看出空间均等配风方式较集中配风方式碳转化率提高了11.06。而由于炉内温度较高，三种工况下焦油都得到了充分裂解4，对不同工况下各组分分布差异影响较小。因而可以判断，随着熔融炉内配风分布更加均匀，经流化床低温热解产生的焦炭颗粒得到更加有效的转化，是造成CO和H2浓度总体较高的主要原因。2.3当量比对气化性能的影响保持稻壳进料量为170.5Kg/h，流化床内空气当量比为0.2，配风由一、四、五路风管均等送入熔融炉内。从图6可以看出，随着当量比的增加，CO

13、及H2的含量在不断减少，CO2含量则在增加，CH4由于含量较低，变化不大，但却呈现出先增加后减少的趋势。由于混合气体中可燃气成分随当量比升高不断减少，从而导致混合气体的热值也不断降低。分析可知，生物质燃料在经过流化床低温热解气化后，进入熔融炉内的CO浓度远高于CO2。随着当量比的增加，氧化反应不断加剧，CO和H2的含量呈减少趋势，CO2含量则在不断增加。在当量比小于0.16时，由于进入炉内的空气量较少，使得CO消耗量较低，并且残炭发生不完全的氧化反应，CO浓度降低速率及CO2浓度增加速率都较低。随着炉内当量比的增大，可燃气体反应加剧，并且随空气的进入N2含量不断增加，对各组分浓度起稀释效果，且

14、热量被带出炉膛，各区域温度逐渐下降，CO和H2浓度呈明显降低的趋势。由于CH4含量较低，熔融炉温度较高，对焦油的裂解有显著效果，所以当量比对CH4含量的影响不是很明显。在当量比低于0.22时CH4浓度略有增加，随着当量比的增加，焦油完全裂解后CH4呈下降趋势。图6可以看出随着当量比的增加，碳转化率呈现出先增大后减小的趋势，产气率则不断升高，这是由于随着当量比的增加，进入炉内的氮气量也在增加，且氮气不参与炉内任何反应；随着当量比的增加，可以看出碳转化率也在不断地升高，从而生成更多的气体。但在当量比为0.26时，碳转化率达到最大值，可能是因为随着当量比的增加，炉内气速也在不断增大，残碳在炉内停留时间缩短。所以当量比大于0.26时碳转化率有所降低，产气率的增长速度也随之放缓。3结束语1）典型工况下空间均等配风方式较集中配风方式，气体热值提升了0.89MJ/Nm3，产气率也提升了0.16Nm3/Kg。随着炉膛内部配风分布趋于均匀，温度场分布也更加均匀，炉内整体反应更加充分。均等配风方式下焦炭转化更加充分，是造成CO和H2的浓度总体较高的主要原因。2）随着炉内当量比不断增加，CO、H2浓度呈下降趋势，CO2浓度则不断升高，从而导致气体热值不断地降低，与此同时产气率则不断上升。碳转化率在当量比为0.26时达到最大值。10