论文总字数：20087字

摘 要

生物质是一种非常理想的可再生能源，生物质气化是实现生物质资源化和能源化利用的有效方法之一。气流床气化技术具有碳转化率高、焦油含量低和合成气品质好等特点，已广泛用于煤化工领域。但是由于气流床运行时温度高，且容易烧结，所以目前对于生物质为原料的气流床气化技术仍未见大规模应用。

本文基于Fluent软件，建立了生物质气化模型，考察了空气当量比和颗粒粒径对气化过程的影响。研究空气当量比在0.2-0.3内变化，从气化炉温度分布、速度分布、出口气体组分和有效气体等指标来研究生物质在炉内的气化过程。研究颗粒粒径在100、500，从气化炉温度分布、速度分布、出口气体分布和有效气体等指标来研究生物质在炉内的气化过程。得到如下结果：随着空气当量比的在0.2-0.3范围内的增大，运行温度升高，轴线上速度加快，H₂O的体积分数降低，CO₂的体积分数增加，有效出口气体CO和H₂的含量减少。随着生物质颗粒粒径在100-500内增大时，出口温度降低，对流场分布的影响较大，H₂O和CO₂的含量增多，CO和H₂有效气体的含量减少。

关键词：生物质能 数值模拟 气化炉 空气当量比 气化特性

Abstract

Biomass is a very ideal renewable energy. Biomass gasification is one of the effective methods to realize the utilization of biomass resources and energy. Entrained flow gasification technology has been widely used in coal chemical industry due to its high carbon conversion, low tar content and good quality of syngas. However, due to the high temperature and easy sintering during the operation of the entrained flow bed, the entrained flow gasification technology with biomass as raw material has not been widely used at present.

Based on FLUENT software, a biomass gasification model was established to investigate the effects of air equivalence ratio and particle size on the gasification process. The change of air equivalence ratio in the range of 0.2-0.3 is studied. The gasification process of biomass in the gasifier is studied from temperature distribution, velocity distribution, gas components at the outlet and effective gas. The gasification process of biomass in the gasifier was studied from the temperature distribution, velocity distribution, outlet gas distribution and effective gas. The results are as follows: with the increase of air equivalence ratio in the range of 0.2-0.3, the operation temperature increases, the speed on the axis increases, the volume fraction of H₂O decreases, the volume fraction of CO₂ increases, and the content of CO and H2 in the effective outlet gas decreases. With the increase of the particle size of biomass in the range of 100-500, the outlet temperature decreases, which has a greater impact on the flow field distribution. The content of H₂O and CO₂ increases, and the content of CO and H₂effective gas decreases.

Key Words: Biomass energy numerical simulation gasification characteristics of gasifier air equivalence ratio

目录

第一章 绪论 1

1.1 课题研究背景及意义 1

1.2 国内外生物质气化技术应用现状 2

1.2.1国外生物质气化系统 2

1.3 生物质气化技术 5

1.3.1固定床气化炉 5

1.3.2流化床气化炉 8

1.3.3气流床气化炉 9

1.4 本文研究内容 10

第二章 生物质气化模型的建立 11

2.1 引言 11

2.2 基本假设与数理模型 11

2.2.1模型机理与假设 11

2.2.2气化炉数学模型 12

2.3 计算模型与数值方法 13

2.3.1 基本控制方程 13

2.3.2 几何模型与网格模型 14

2.3.3 设置模型边界条件和初始条件 16

第三章 气化过程模拟及结果分析 17

3.1 引言 17

3.2 空气当量比对气化性能的影响 17

3.2.1 温度分布变化 17

3.2.2 速度分布变化 19

3.2.3 出口气体组分变化 19

3.3 生物质颗粒粒径对气化性能的影响 22

3.3.1 温度和速度分布变化 22

3.3.2 出口气体组分变化 23

第四章 结论与展望 26

4.1 结论 26

4.2 展望 26

第一章 绪论

1.1 课题研究背景及意义

当全世界化石能源使用量在渐渐增多，因而出现了世界性的能源危机。自从1970年以来，石油危机几乎每隔十年就会出现一次，从而人类社会的发展受到了很大的限制。进入到新世纪以来，全球关于煤石油天然气等化石原料的供应与需求矛盾越来越激烈，石油价格波动剧烈。由于种种原因，最近原油的价格被降低了一些，但是供应和需求的关系仍然很紧张，也未明显改变油价剧烈波动的整体趋势，极大地挑战了我国的能源安全；此外，化石能源的燃烧使用也造成了很大的环境问题^[1]。

生物质物料很大的优点就是可再生，能够通过利用产出化学品，生物燃料也可由其产出。生物质的常见来源是农产品，如谷物和稻草，种皮，玉米秸秆，牛粪和家禽废物等，森林类如木材废物，树皮或木材，树木，磨碎废料和锯末等，市政类如废纸，污水污泥和食物垃圾等，能源类如柳草，杨柳，杨树，玉米，油菜，大豆和其他植物油以及生物类如动物废物，生物废物和水生物种。目前全世界有数以百万吨的各种各样的废物生物质。废弃生物质是可替代化石燃料的替代能源之一。因为原油燃料来源不断减少，石油产品如煤油，柴油和汽油价格每年都有一定幅度的上升^[3]。利用废弃的生物质生产生物化学品，生物炭和生物油形式的有价值产品是一项非常大的挑战。生物质是唯一不产生有毒化学品等有害产品的原料。在这十年来，由于其环境需改善和能源需求的增长，生物质作为可再生原料引起了非常大的关注，并且其需求量每年都在增长。

中国幅员辽阔，自然资源丰富，是一个农产品产量丰富和林木业发达的大国，并且生物质能源资源充足，能很好的进行开发利用。根据大概估计，有生物量包括可作为燃料燃烧的农作物生物量、加工农产品剩下的废弃物料、砍伐森林的废弃物料、畜牧业中动物排放的粪便、工业中产生的废水、废渣以及城市生活中的垃圾等。在不久的将来，生物质能发展的好，每年基本可以代替5亿吨煤，长期发展的话，每年可以代替10亿吨煤。它对生物质能源的开发利用具有良好的资源条件，这对能源供应的增加，环境质量的改善，或许我国现在的“三农”问题也能被有效地解决，贯彻实行绿水青山就是金山银山的可持续发展理念。

热化学处理、直接进行燃烧、物理化学处理、生物化学处理以及有机垃圾处理技术是当前生物质处理技术的主要方法。本文研究生物质气化技术，此项技术属于热化学法中的一种。它使用的气化剂是空气或者空气中的氧气，生物质中本身含有可燃部分，利用高温条件，使可燃部分转化成可燃气。常见的可燃气体有一氧化碳、甲烷和氢气等。我们日常生活中锅炉、发动机、发电或者供热都可以直接使用产生的可燃气。通过进一步研究生物质气化技术，可以通过间接液化的方式来生产类似于二甲醚或者甲醇的液体燃料。

1.2 国内外生物质气化技术应用现状

1.2.1国外生物质气化系统

从全球来看，生物质气化技术发展渐渐成熟并且规模较大的国家目前来讲是欧美等国家，他们研究生物质气化技术的时间比较早。美国利用生物质能源转化成的清洁能源的使用率占全国能源总消耗量的百分之四。例如斯塔藤垃圾处理站位于美国纽约，此垃圾站处理垃圾使用的方法是湿法，并且每日产生高达26万立方米的可燃气体，这样既利用了生物质气化技术生产出可燃气体进行供热或者发电使用，还能充分利用产出灌溉农田实现可持续发展^[5]。

自从2006年开始，荷兰决定每年拨出一定的钱作为研发生物质能的费用，看能不能研制出新的生物质燃料，与此同时很大功率的循环流化床生物质气化厂也在荷兰被建立起来，它使用腐烂破损的树木作为生物质原料，产生一氧化碳、氢气等这些可燃性的气体在煤粉锅炉内与煤炭进行一起燃烧。此外通过燃烧废气木料的区域供电站也在奥地利建立起来，在全国总耗能中生物质能占比也由原先的百分之二到百分之三增加到了百分之三十。一套隔板内循环流化床生物质气化装置由意大利的Pier Ugo Foscol^[6]等人设计出来，在实验研究后得到如果想要控制固体物质的循环速率，可以通过改变气流的流速或者改变挡板所处的位置，在床料量超过挡板的上缘时，也能有顺利的完成循环。Kalinci Y等人研究出了一种制氢系统就是利用太阳能生物质气化技术。

目前欧美等国家研究生物质气化技术的最新的研究对象和发展潮流是合成燃料，其优点是能更好的代煤石油天然气等一次能源，又能使得花生大豆这样的粮食作物供需不紧张，所以生物质通过气化的方式合成生产出甲醇和二甲醚。由于近些年来，全球制定了可再生能源政策，各国便投资了更多的经费在生物质技术的研究上，生物质气化合成液体燃料技术也因为产出乙醇而有了重大突破。如果想要这项产业发展能够更上一层楼，则需要研究发展处更加高效更加清洁的气体净化技术。

此外，关于全球生物质发明专利技术，其中近有一半被日本斩获，他们生物质气化利用技术占总体能源利用的一半还多。随着日本东京新建了最大的生鲜垃圾发电厂，日本的生物质气化技术变得越来越成熟。

同时，由于生物质能减轻对一次能源的依赖，对生物质气化技术研究在很多发展中国家也渐渐发展起来。例如菲律宾还有一些非洲国家研究并且投入了工业化生产。下吸收气化装置在孟加拉国也开始投入运行，固定床气化装置也在马拉西亚进行发电使用。

1.2.2 国内生物质气化系统

虽然中国是世界上第一农业大国，稲杆麦秆等农作物资源丰富，但由于之前处理的方式大多为焚烧处理，所以总体上生物质气化技术研究比国外进行的晚一些，但是近些年的研究也取得了一定的成果。因此与欧美等国家相比，我国发展生物质气化技术主要为了解决稲杆和麦秆等农业废弃物。

中国在从1980年开始进行生物质气化的研究，并且在最近取得了很多的进步与进展。由于物料种类很多，所以设计了不同类别的气化炉，中国居民使用的气化发电设备和用户使用气化炉也渐渐开始使用中国自己设计制造的装置。使用太阳能作为生物质气化热源并且电效率较高的发电装置由中国科学院研究出来。农村集中供气系统也因为XFL系列的秸秆气化炉得到进一步的改善与提高，这个系列的气化炉就是由我国自主研发。为了提高产氢率和碳转化率，并且降低焦油的含量，中科院设计出了一种可以将热解与气化分开反应得两段式固定床气化炉。

生物质物料先经过磨碎处理，使得颗粒粒径满足气化炉运行要求，再由输送物料的装置送入气化炉内，在炉内进行不完全燃烧。在气化反应后，再由净化和冷却系统对产出的气体进行处置，使产出的气体中含有的粉尘和焦油物质被除去，最后通过输送装置经水封送入贮气柜，通过管网送给用户使用^[11]。生物质气化集中供气系统工艺流程，如图1.1所示。

图1.1生物质气化供热流程示意图

家庭和中央集中供热系统和供气方面，ND系列和锥形流化床由中国农业机械化研究院研制，固体有机废物规模划分区式气化炉由江苏金江生物能源科技有限公司成功研发，获得成功。

随着研究的进一步发展，生物质气化技术在集中供气方面的应用已经很普遍，并且如今在渐渐利用此技术进行发电，不论是在经济利益方面，还是在环境效应方面都有很大的提高，并减少了对煤石油燃烧的依赖^[12]。将我们所需要的可燃气从生物质转换而来，并且在发电设备中加入所产出的可燃气，便是生物质气化发电的基本原理，在这其中主要包括三个方面：第一步便是进行气化，将固体颗粒物变成气体状态的燃料；第二步除去第一步气化过程产生的杂质（主要有焦油、焦炭和一些灰分），如果不经过净化，则会影响燃气设备的正常发电。第三步通过燃气机或者燃气轮机进行发电，加设蒸汽轮机或者余热锅炉可以适当提高发电效率。例如中国林科院建成的生物质发电厂就是以麦秆和稲杆等农业废弃物为原料进行发电，正常运行后每年可处理三万吨的农产品垃圾，具有很高的经济的效益，很多温室气体的排放也被减小了。此外广州能源研究所现可以产生4MW的发电能力，它主要就是通过利用废弃的木料开发循环流化床气化技术。

除了生物质气化集中供电技术和生物质气化发电技术之外，还有现在越来越受人们欢迎的液体燃料，此燃料也可以通过生物质气化技术合成。间接液化技术在合成液体燃料方面起着至关重要的作用，首先我们需要得到高质量的合成气，此合成气主要是通过热化学法得到，然后将合成气通过催化合成技术形成液体燃料。中国取得进展，比如广州能源研究所成功制成的气化合成DME的中试装置，这项研究进一步推动生物质气化工程，同时也为中国的生物燃气工程奠定了坚实的基础。

1.3 生物质气化技术

在生物质气化过程中主要就是产出一氧化碳和氢气的有效气体，以及类似于CO₂的低分子烃类和碳等混合物。干燥、热解、氧化和还原是生物质气化过程中不可或缺的主要步骤。一开始先在反应气化炉放入生物质原料，通过燃烧当炉内温度达到一定条件后，热交换便在热源和带有水分的物料之间进行，物料在受热之后，其中的水分变成了水蒸气，完成干燥后便进入热解区，水蒸气与变干燥的物料到达热解区后，继续再达到一定温度后发生热分解反应：

CH_XO_y =n₁C n₂H₂ n₃H₂O n₄CO n₅CO₂ n₆CH₄

氢气、二氧化碳、碳、水蒸气、一氧化碳和甲烷是生物质气化的主要产物。随着反应的进行，温度在塔内渐渐升高，很多氧化还原反应在气化剂与气化产物之间发生，二氧化碳主要由一氧化碳和甲烷氧化而来，可燃气体一氧化碳和氢气主要由碳和高温水蒸气发生不完全反应而来^[15]。将可燃气体去除焦油、焦炭和一些灰分杂质后就可以用来发电使用。目前，固定床气化炉，流化床气化炉，气流床气化炉^[19]是生物质气化装置三种主要类型^[19]。

1.3.1固定床气化炉

有两个稳固安装好的界面，床层与床层之间保持不变的高度，并且进入床层的燃料主要是块状的或者颗粒状的，这样的炉子被称为固定床气化炉。在固定床气化炉内，有栅板可以拖着燃料，并且进行气化反应的燃料可以被容纳在炉膛之中。固定床气化炉的最顶部有原料的进口，进入气化炉后，物料收到重力的作用发生向下的移动。在炉膛中，物料的表面与含氧的气化介质互相接触，从而发生一系列的反应。反应产生的一些灰渣物质便从气化炉的底部排出来，但是燃料层向下移动的速率跟气流流动的速率相比要慢很多，所以才被称为固定床气化炉。固定床气化炉简图如图1.2所示。

图1.2固定床气化炉简图

在上吸式固定床气化炉中，干燥层、热解层、还原层和氧化层依次从上至下分布^[2]。气化炉的顶部依旧是物料的进入口，气化炉的下部通入气化剂，因为气化剂与物料移动的方向是相反的，所以反应最终产生的例如氢气和一氧化碳的可燃气在气化炉的各个反应层都可以通过，最后从气化炉的上部出来。在经过裂解区与干燥区时，可燃气体可以直接与物料相互接触，这是上吸式气化炉最主要的特点。因此，物料接收可燃气体所带有的热量，从而被干燥裂解，与此同时可燃气体的温度也被降低了，且可燃气体经过干燥区和裂解区之后被过滤了，减少了最后产气中含有的灰分，也提高了气化炉的热效率。因为大部分生物质进入上吸式气化炉都可以正常运行，所以此气化炉对生物质的尺寸要求不高。但是上吸式气化炉也有很突出的缺点：虽然可燃气体中灰分可以通过干燥区和裂解区过滤掉，但是在裂解区会生成焦油，焦油会附着在可燃气上不易净化。上吸式固定床简图如图1.3所示。

图1.3上吸式固定床气化炉

在下吸式固定床气化炉中，干燥层、热解层、氧化层和还原层依次从上到下分布^[2]。下图是没有中间缩口段的下吸式固定床，气化剂和生物质物料都是从气化炉的顶部通入的，空气和生物质物料有着相同的移动方向。首先，水蒸气在干燥区生成，一氧化碳、二氧化碳、氢气和焦油在热分解层生成，这些生成的气体总共组成热气流向下流过氧化层和还原层，一氧化碳和氢气这些可燃性气体在气化区通过氧化还原反应生成。与上吸式固定床气化炉相比，下吸式固定床气化炉不同的是焦油在温度偏高的氧化层会发生裂解反应，最后的可燃气体焦油含量比较少，热值又偏高。有简单的结构设计，方便操作，运行起来较安全，并且产生的气体焦油含量低是下吸式气化炉主要的优点。流动的阻力偏大，产出的可燃气体热值含量偏高，所以会消耗更多的功率是下吸式固定床的缺点。就一般而言，此气化炉对物料中含有少量的粗糙颗粒和水分含量比较少或者较干的物料比较适合。

图1.4下吸式固定床气化炉简图

最后，横吸式气化炉对含有小部分粗糙颗粒混合物、水分含量偏低者干燥的物料比较适合。在横吸式气化炉中，气化剂进入和可燃气体产出都是在炉的中间，气化剂进入气化炉的角度一般是从床层，继而通过床层，通过物料移动的方向。对于类似于木炭或者焦炭这样灰含量偏低的物料比较适用。由于横吸式气化炉的结构设计对于车辆想使用的气化炉比较优越，但是目前很少有使用气化炉不是固定在地上，所以使用此气化炉的地方还比较少。常用的固定床气化炉主要有UGI气化炉和BGL气化炉。

薛亚军、潘启红等^[29]人运用仿真软件，对下吸式生物质气化炉进行数值模拟，炉内发生的物理和化学反应都能被很好的理解。研究结果得出“多区数值模拟与单颗粒模型相结合”的方法，并且认为多区数值模拟与单颗粒模型相结合具有广阔的发展前景。

程相文等建立了二维的气化炉模型，对下吸式固定床产出的气体热值低和产出的可燃气体含量少的问题进行了研究，通过fluent仿真软件，在其他工况不变的情况下，空气当量比不同，研究空气当量比对气化特性的影响。结果表明，空气当量比在0.24左右时，炉内温度最高时产生的可燃气体含量最高。

1.3.2流化床气化炉

单流化床、循环流化床和双流化床是目前流化床气化炉的三种主要形式的炉型。

其中结构设计最简单、最基本的气化炉是单流化床气化炉，底部气体分布板吹入气化剂，随后生物质气化反应在炉内发生，最后气化炉的出口直接排出产出的可燃的气体。鼓泡床是一般单流化床采取的形式，大颗粒粒径的物质主要在此气化炉中运行操作，它的缺点主要是产生飞灰较多，操作所需要的成本比较高，在小型的气化系统中无法运行。其结构如图1.5所示。

图1.5单流化床气化炉

旋风分离器被设置在气化炉出口之处是循环流化床区别于其它气化炉的特别之处，分离器可以将由于流化速率较快而混在产气中的高温颗粒物料分离收集，重返流化床炉膛内，在二次反应之后，提高碳转化率。回流系统控制困难是其主要缺点。在使用生物质当物料时，由于其流化特性较差，所以一般会加入砂子作为辅助介质，且其对小粒径的生物质燃料比较适用。循环流化床结构图如图1.6所示。

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