熱管生物質氣化爐的模擬與試驗王中賢，張紅，陳興元，莊駿(南京工業(yè)大學能源學院，江蘇南京210009)摘要:為了提高生物質燃氣熱值,開發(fā)一種新型熱管生物質氣化爐.結合質量平衡、能量平衡和化學反應動力學,建立熱管生物質氣化爐的動力學機理模型,最后通過試驗進行驗證.試驗結果、模擬結果和其他類型氣化爐相關數(shù)據(jù)對比分析表明:動力學機理模型與試驗結果能較好地吻合;與用空.氣直接供熱氣化的氣化爐氣體組分和熱值比較,用熱管生物質氣化爐得到的氣體組分中氫氣體積分數(shù)較高,約是用空氣直接供熱氣化的10倍,熱值是用空氣直接供熱氣化的2~3倍.關鍵詞:生物質;氣化;熱管;床層溫度;熱值中圖分類號: TK6文獻標志碼: A文章編號: 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我國是農業(yè)大國,有著豐富的生物質資源,生物為了提高燃氣熱值,文中提出一種新型熱管生質能開發(fā)潛力巨大.我國生物質能源的開發(fā)和利用物質氣化爐,利用高溫熱管供熱實現(xiàn)生物質間接氣以傳統(tǒng)的燃燒為主,現(xiàn)在逐漸發(fā)展了生物質氣化,使得生成的燃氣中不含氮氣,熱值較高[5.6.若化1.2)、液化和發(fā)電等技術.其中生物質氣化經濟性用過熱水蒸汽作為氣化劑,燃氣中氫氣體積分數(shù)可高，是生物質清潔利用的一種主要形式.目前的生物達50%以上,提高了燃氣中可燃成份.文中將化學質氣化-般用空氣直接供熱氣化方式,得到的燃氣工程學與化學反應動力學有機地結合起來,即根據(jù)中氮氣體積分數(shù)高,可燃成份少,熱值較低,一般為三傳一反理論建立熱管生物質氣化爐的動力學機理5 MJ/m'左右(34].中國煤化工收稿日期: 2007-10-30YHCNMHG基金項目:江蘇省科技成果轉化專項基金資助項目( BA2006012)作者簡介:王中賢( 1977- -),女 .陜西渭南人，講師( wangwangzx2004@ 163. com) ,主要從事新能源的開發(fā)與利用研究張紅(1963- -),女,江蘇南京人,教授, 博士生導師( huhang@ nju. edu. cn) ,主要從事高效傳熱傳質設備技術的研究.1( 513試驗中采用TDX01色譜柱,柱溫為100 C ,檢測器1熱管生物質氣化爐用熱導池檢測器,溫度為120 C ,橋流為100 mA,分別用氮氣和氦氣作為載氣熱管生物質氣化爐試驗系統(tǒng)如圖1所示.試驗燃料，:級冷凝器時將高溫熱管的蒸發(fā)段放人加熱爐內，以輻射方式來加熱.加熱爐采用碳化硅爐膽,將電爐絲插人,電爐絲和調壓器相連接,并利用調壓器來調節(jié)加熱爐熱電偶名名二級冷凝器的功率,以滿足不同功率的要求.由蒸汽發(fā)生器產生過熱器.高濕熱管\集油旺 集氣瓶的飽和水蒸氣,經蒸汽過熱器過熱后,通過氣化爐底氣體分析僅部的分布板均勻地進入氣化爐中.并和氣化爐內的中流星計b酸鋁纖維生物質發(fā)生反應生成燃氣.冷凝系統(tǒng)采用兩級冷凝,熱汽發(fā)生器]- -級冷凝是用套管式冷凝器,二級冷凝是用混合式氣化爐計算機冷凝器.在本試驗中采用SP - 6890氣相色譜儀分析燃圖1”氣化系統(tǒng)試驗裝置圖氣的組成該色譜儀可同時安裝氫火焰檢測器和熱Fig. 1 Schematic diagram of gasification test system導池檢測器,可以定量鑒別組成混合氣的成分,如試驗采用南方常見的稻草作為氣化物料,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物料的元素分析與工業(yè)分析Tab.1 Ultimate and proximate analysis of biomass fuels元素分析w/%工業(yè)分析w/%低位發(fā)熱值/物料種類H(N水分灰分揮發(fā)分固定碳(MJ/kg)稻草32.317 4. 62336.991 0.8898.7616.42 _61.6513. 1811.462生物質氣化反應過程3計算模型 .生物質氣化的過程很復雜,隨著氣化裝置的類型.工藝流程、氣化條件氣化劑種類、原料性質等條為了建立熱管生物質氣化爐的數(shù)學模型,文中件的不同，反應的過程也不相同.在熱管生物質氣化進行了一些簡化和基本假設9]:(1)微元內所有微團之間充分混合,具有相同爐中的生物質氣化過程主要考慮以下反應:的濃度和溫度.R1 C +H20-°→CO + H2(2)氣化爐內流動充分發(fā)展,密度和比熱恒定.R2 C+C02-2C0(3)生物質的水分蒸發(fā)和揮發(fā)份釋放在進入氣R3 C +2H2-,CH4化爐后瞬間完成,假定產物成分,由試驗修正.(4)生物質由C,H和0元素組成,而N和S等R4 Co +H20→→CO2+H2元素可以忽略.RS CH, +H2O氣CO +3H2(5)產氣組成主要為CO, CO2,H2,CH和上述各反應的動力學參數(shù)見表2.H2O.在氣化過程中,熱管生物質氣化爐內物料濃度表2各反應的動力學參數(shù)和溫度分布二維分析如下:Tab.2 Kinetic parameters for reactions如圖2所示,以氣化爐軸線為中心線,取一-半徑頻率因子活化能E/反應烤 AH/反應Ka,(1/s)(I/mol)( kJ/mol)為r,中國煤.dz 的環(huán)狀微元體.RI0.083 31. 214 x 105+118. 628[7煤化工程(下標從1到5R25.55x103 3.061 x10*+162. 142[7]130. 2082.33 x 10°-752.4分別YHCNMHG0氣體):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((導)C.u+y. =0(2)U" h+一入λm Rsh。(13)式中R2=R.+δ.,Rz=R2+8m3.2計算將網格劃分為n x m,用Crank - Nicholson方法對方程(1),(2)和(3)分別進行離散化,并通過對邊界條件的離散化得到一組代數(shù)方程組,進行求解計算.上述方程中的邊界條件屬第二類和第三類邊界條件,需要考慮邊界外面-一個外加“虛設"的點，圖2熱管生物質 氣化爐微元體內物料和熱量平衡分析為了保持對稱,這個虛設點上的物理值等于邊界內Fig.2 Balance analysis of mass and energy in heat對應點上的值.pipe biomass gasifier假定固相和氣相有相同的溫度,能量平衡微分方程4計算結果與分析(下標j從1到5分別代表反應R1 ~ R5):TpuC,7T-.( o+)+ Ex(- 0H) =04.1試驗結果 與理論模型的比較(3)圖3是以稻草為物料,床層溫度為900 ~1 200 K,給料速率為0.15 kg/h, 水蒸汽/物料比為3.1邊界條件和參數(shù)選擇0.8時,氣化爐出口氣體組分分布的動力學機理模(1)熱管生物質氣化爐的邊界條件為型結果與試驗結果的比較.由圖可見，模擬值與試驗當r =r時,有值基本吻合,隨著床層溫度的升高,H2體積分數(shù)在aC!=0(4)50% ~60%之間,且呈增長趨勢,而CO2體積分數(shù)8減少,CO體積分數(shù)在20%左右,變化不明顯，CH4ac(5)體積分數(shù)則最低.a。試驗值-H，- 模擬值-開。試驗值-CO模擬值-Co2_其(r,-r)(6)80廠 。試驗值-CH， -模擬值-CH,試驗值CO2 -模擬值-CO260=0(7)C,=c屢20(8)T.U2 ,.(T-T,)(9)600650700750800850900950ar 入.床層溫度/C在z =0處,有圖3床層溫度對稻草氣體成分的影響C; = C,o(10)Fig.3 Effct of bed temperature on gas compositionT=T。(11)for straw(2)熱管的總傳熱系數(shù)U,{9.10]4.2文中結果 與其他氣化爐比較將文中熱管生物質氣化爐所得氣體組分和熱值RIn( )元= nR+一入。+的+1(12)結果中國煤化工13.與文獻[3]和.式中h,是熱管內凝結放熱系數(shù);hp是熱管壁面與床[4]4fYH它床氣體組分和熱值比CN M H G體積分數(shù)很高,約層間換熱系數(shù).是用空氣直接供熱氣化的10倍,其他成分相差較(3)氣化爐外壁面處傳熱系數(shù)U2小,熱值是它們的2~3倍.文獻[ 10]中是用潛熱砂1( 515囊間接供熱的流化床氣化爐,文獻[5]中是用熱管發(fā)動機的燃燒噪聲[J].江蘇大學學報:自然科學版,間接供熱的壓力流化床氣化爐.從表3可知,用熱管2006 ,27(5) :409 -412.間接供熱的氣體組分中H2的體積分數(shù)較用潛熱砂TANG Dong, LAI Chao-feng, HU Zheng-quan, et al.Combustion noise of biogas diesel dual fuel engine[J].囊間接供熱的高,而CO和CH4體積分數(shù)則低--些,Joumal of Jiangsu University: Natural Science Edition,這導致了兩者之間的熱值有所差別,但都比直接供2006, 27(5) :409 -412. (in Chinese)熱氣化的氣體熱值高.文中是用熱管生物質氣化爐[3]魏敦崧,李芳芹,李連民.生物質固定床氣化試驗研究的固定床單元進行試驗,跟流化床相比,固定床的氣[J].同濟大學學報:自然科學版,2006 ,34(2) :254-固接觸混合、熱量和質量的傳遞速度、氣化效率等都258.要差一些,因此就固定床而言,文中開發(fā)設計的熱管WEI Dun-song, L Fang-qin, L Lian-min. Test study生物質氣化爐適合于用來制取高品質燃氣.on biomass gasifcation in fixed beds[J]. Joumal ofTongiji Univrsity :Natural Science, 2006, 34(2) :254-表3氣體組分和熱值258. (in Chinese)Tab.3 Gas composition and heating value[4] 黃海濤,熊祖鴻,吳創(chuàng)之.下吸式氣化爐處理有機廢φ/%熱值(標準狀況)/項目棄物[J].過程工程學報2003 ,3(5):477 -480.H:oCO2CH.(MJ/m')HUANG Hai-tao, XIONG Zu-hong, WU Chuang zhi.文獻[3] 6.21 10.98 14.61 2.103.42Treatment of organice wastes in a down draft gasifier[J].文獻[4] 6.39 17.45 14.11 1.823.86文獻[I0] 26.20 39.00 18.30 10.315.4The Chinese Journal of Process Enginering, 2003, 3文獻[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結論Reformer [C] // Proceeding of the 12th InterationalHeat Pipe Conference. Moecow: [s. n.], 2002:503 -508.(1);通過試驗驗證,證明文中所建的熱管生物[6] Krellas s, Karl J, Kakaras E. An innovative biomass質氣化爐機理模型是可行的,可以用來預測氣化爐gasification process and its coupling with microturbine內部詳細情況.and fuel cell systems[J]. Energy , 2008 ,33(2) :284 -(2)與用空氣直接供熱氣化的氣化爐氣體組分291.和熱值比較,文中所提出的熱管生物質氣化爐得到[7] 劉榮厚,牛衛(wèi)生，張大雷.生物質熱化學轉換技術的氣體組分中H2的體積分數(shù)很高,約是用空氣直[M].北京:化學工業(yè)出版社, 2005.接供熱氣化的10倍,熱值是用空氣直接供熱氣化的[ 8] Watanabe H, OLaka M. Numerical simulation of coal2~3倍.gasification in entrained fAow coal gasifer [J]. Fuel,2006, 85(12,13): 1935 - 1943.參考文獻( 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] 羅福強,梁昱,湯東,等.生物制氣-柴油發(fā)動機furnace[J]. Biomass and Bioenergy, 2000, 19(3):199放熱規(guī)律的影響因素[J].江蘇大學學報:自然科學-208.版,2005 ,26(3) :209 -212.LUO Fu-qiang, LIANG Yu, TANG Dong, et al. 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