生物质蒸汽流化床性能的建模和实验

1、生物质蒸汽流化床性能的建模和实验摘要本文介绍了不同生物质蒸汽在流化床燃气炉被用作煤气化剂和硫化剂的性能调查。制造一个研究米糠气化的性能装置，这跟中国和印度等一些粮食生产过有特殊的关联。部署了一个平衡的建模方法，用来预测已经跟实验结果作了比较的气体成分。为了获取跟实验标准跟接近的结果，有必要对模型的建模系数进行适当的校正。此外，用该模型来预测生物质气体的成分以及煤的基准性能。在本次研究中，气化温度为650到800，然而生物质蒸汽的比率(S/B)H2和CO的产量也随之增加，然而CH4 和CO2的总量却下降。再次发现，生物质蒸汽的比率影响到总的产率。随着蒸汽的输入，H2、CO2和CH4的产量增加，而

2、CO的产量减少。1.概述在一些大型工业中心，空气污染形势非常严峻，这威胁到公众的生命健康，恶化生态环境以及破坏旅游景点。令人担忧的生命质量的恶化使随着工业发展来逐渐提高的生活标准变得收效甚微。这个问题已变得如此严重，在过去的25年里，所有工业化国家和发展中国家都颁布了日益严厉的法律，限制了诸如热发电站，工业锅炉，工业厂房以及汽车和飞机的污染物排放标准。因此，保护石油的限量供应、气候变化以及对全球气候变暖的日趋关注激发了人们探寻新能源特别是可再生能源的动力。氢能源是一种非常清洁的可替代碳氢化合物的燃料。从生物质气体中提取氢也许是对生物质利用的一个更有小的方法。它不会向大气中排放增加二氧化碳的排放

3、，因为当它被消耗时能吸收等同与它释放出去的碳。在气化炉中，由于方方面面的好处，包括高效传热、统一和可控制的温度、有利的气固联系等，流化床技术得到了广泛的利用1。一向实验研究已经被Miccio et al.实施2。生物质气体的提取是在流化床的气泡中，并展示了碳微粒的产生和转换。最大量快速转换碳的70%是从自由空间获取的，即使操作条件不是很顺利。Ocampo et al. 3研究了哥伦比亚煤在流化床气化炉中的气化。对流化床的温度以及煤和空气的比率跟气体成分的关系也作了实验研究。Corella et al. 4,5提供了一维建模和大气循环生物质流化床气化炉的结果。对在能源气体组成轴的侧面、气体的产量

4、和焦油容量做了展示。Petersen和Werther 6对循环流化床气化残留的沉淀物作了调查。研究了气体成分中空气的温度和比率对生物质气化效率的影响。发现空气比率是影响生物质气化的最主要因素。许多研究论文发表在了气化平衡模型上。一些模型是基于吉布斯自由能，利用拉格朗日倍乘方式，另外一些模型是基于平衡常数，然而两部分在概念上是相似的，又不同于Lietal. 7,8对在生物质气化循环硫化床的实验性结果和基于自由能量最小化技术的平衡模型的发展。对气体成分中空气的温度和比率的影响作了调查。表明，平衡模型给出了对气体组成的良好预测。Jayahetal. 9开发了一个平衡模型，用来研究一个斯里兰卡NERD

5、中心设计向下通风的气化炉的性能。首先对模型作了校准，然后用来调查芯片尺寸的影响、湿度、入口出空气温度和转换效率。Pellegrini 10提供了一个基于化学平衡的气化过程模型。一个参数研究也被展开，来观察气化温度、空气温度和湿度等许多因素的影响。紧随其后，为了评估不可逆过程的进展，对过程中的也做了分析。Zainaletal. 11也执行了气化过程的平衡模型的研究，来预测能远气体的成分。对木材中初始湿度容量的效应和热值温度也作了调查。Mountourisetal. 12也开展了对基于原谅平衡和平衡常数的平衡模型的研究。这个模型用来预测综合气体产量和能量和的运算。从这些文献中观察，生物质气化也许能

6、利用现成的空气、氧气来开展。用空气时，产热值低 (47MJ/Nm3)，而用氧气时产热值高达1018MJ/Nm313。之所以氧气没有得到广泛采纳是因为氧气生产成本高。最近，生物质气化技术在很多领域引起了人们的兴趣，因为生物质气化能产生高含量的H2.此外，气化过程能带来以下一些好处14：能最大限度的产生更高的热量以及有效的节约时间。2.实验调查 为了进一步研究生物质蒸汽流化床，设立了一个流化床气化炉实验室。实验设备为直径50mm，长度1200mm底部分布着金属片的内置气化炉管。气化炉的实验原理图如所示。在目前的研究中，能源为米糠。世界上种植水稻的国家多达炉中气化温度由温度监管员控制。饱和过热蒸汽由

7、蒸汽发生器制取，供应气化炉的底部。通过水冷机给气化炉供应米糠。米糠的流化之所以很难达到是因为它并不是颗粒或片状的。因此，在反应物中添加沙粒来确保适当的硫化过程。在分析之前，必须把气体色谱仪校正在测量范围内。在实验过程中，温度的变化影响S/B的值，S/B的值又确保温度的适中和产气的便于分析。3.模型假设生物质中只含有C、H和O三种元素。定义化学分子式为ChxOy。总的气化方程式如下所示：x和y单位为生物质中含碳原子氢原子和氧原子的的数量。w为单位干生物质粉尘中水分子的摩尔数， m为单位干生物质粉尘中添加的水分子的摩尔数。等号左边为输入反应物。等号右边，和为5种未知生成气体的数量。5个方程式求5个

8、未知数。 碳平衡氢平衡氧平衡假设所有的反应满足热力学平衡方程。反应方程如下：布杜阿反应： 水煤气反应： 平衡方程（5）和（6）可以跟气水转换方程结合如下：气水转换方程： 甲烷反应方程式： 假设所有气体为理想气体，所有反应在大气压下进行。因此，平衡参数为温度的函数，如下所示：气水p转换反应方程的平衡参数表述为：xi为气体“i”在混合气体中的摩尔分数，甲烷生成的平衡参数为: 平衡参数K为温度的函数，表示如下：为气体的通用参数，为反应方程的标准吉布斯函数。不同气体和的系数值如下所示：4.模型校准和修正 对任何模型在数值运算的结果进行适当的复核是一个重要的部分。因此，对来自模型的实验数据（表3）结果作

9、比较很有必要。用RMS值来估算每系列数值的误差： N为数据点的个数。从表3中观察，模型数据低于H2、CO和CH4的预测实验值并超出CO2的预测值。实验和模型的平均RMS误差值为3.33631。造成偏差的可能原因为化学或者热力学平衡不能达到燃气炉的要求范围。因此，为了介绍过程中的运动效应，不同的研究者对他们的平衡模型做了修正。例如，Jarungthammachote和Dutta 17就采取了一个策略。平衡参数K1和K2分别乘以一个系数。为了符合实验结果，K1和K2 5. 结果讨论修正模型可以用来预测不同生物质氢的产量和性能。H2、CO和CH4随温度的变化如所示。从图中观察可知，随着温度的升高，H

10、2和CO的百分比增加。Shenetal. 18也观察到了这一趋势。这是因为，更高的温度反应物促进吸热，生成物放热。观察表1可知，水稻秸秆氢的潜在产量最大，参杂甘蔗渣的米糠的氢潜在产量最小，花生壳和煤处于两者之间。在所有的案例中，产量跟温度的关系在高温区域呈微抛物线状，并达到稳定水平。由图2可知，相对其他生物质，煤的CO的百分比较高。对与生物质气体，CO的产量近似为煤的一半。随着温度的逐渐升高，CO几乎呈线性增长。从表3可以明显看出，煤的CO2产量相比比其他生物质为最低。而米糠的CO2产量最高，甘蔗渣、水稻秸秆和花生壳比较接近。在图5，可以看出米糠的CH4产量最低。煤、甘蔗和花生壳稍微高一点。其中水稻秸秆的CH4产量最高。750下S/B值在图5-8中得到了描述。从图5可以看出，H2的产量随S/B的比值的增大而增加。从图2可知，无论S/B为什么值，米糠的氢产量最少。然而当S/B的值为1.25时，H2的产量多于50%。由图6可知，CO随S/B值的增长发生变化。观察可知，大量的蒸汽抑制CO的产生。不同与CO，CO2的产量如图7所示，随着S/B的增加，CO2的产量也增加。6.结论摘要在此次研究中，采用米糠在流化床燃气炉中进行气化实验。经过分析，利用平衡模