生物质微米燃料外热式气化特性实验研究与模拟分析

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近年来,化石燃料严重短缺,由化石燃料带来的一系列环境污染严重破坏了人类的生活环境。寻求一种清洁的替代能源已十分迫切。生物质因其来源广、储量大、零二氧化碳排放等优点被广泛应用。在众多的生物质利用技术当中,生物质热解气化技术最具前景,因其能量转化率高,且合成气可通过管道运输,在很大程度上解决了生物质应用难的问题,引起越来越多的学者关注。本文利用自主搭建的外热式生物质气化系统,以生物质微米燃料为原料进行生物质气化影响因素的实验研究。探讨了反应温度、原料粒径、水蒸气生物质质量比S/B值对热解气化过程的影响。同时搭建了生物质烘焙系统,探究烘焙预处理对生物质原料的热值以及整体气化效率的影响。实验结果表明:(1)温度是影响热解效果的关键因素,随着热解温度的升高,H2的含量、CO的含量、碳转化率、气化效率均会提升;(2)原料粒径对气化各评价指标均有显著影响,粒径的减小,使得H2含量增加,对产气热值、碳转化率、气化效率的提升有着促进作用;(3)适当的通入水蒸气会使得产气量、碳转化率、气化效率、H2/CO增大,但过量的水蒸气会降低气化炉内温度,降低燃气品质,当S/B为1.2时,碳转化率达到最大83.64%,气化效率达到最大90.36%;(4)烘焙预处理可以提高生物质原料的热值;对烘焙后的生物质原料进行热解实验,随着烘焙温度和时间的增加,热解产气中,H2、CO含量增加,CH4含量基本维持稳定;碳转化率呈现先增大后略有减小的趋势,气化效率下降。为了更加准确的认识气化炉内反应行为,基于Ansys Fluent软件建立生物质气化反应动力学模型,与实验结果进行验证。并以温度和S/B两个变量为例进行了仿真结果分析,结果表明:所建立模型可以比较准确的预测气化炉产气随工况的变化趋势;通过对炉内的温度、组分和化学反应速率分析发现,温度对均相反应速率影响极大;S/B值改变会影响甲烷重组反应和水煤气变换反应速率,且影响炉内温度,进一步影响产气组分;仿真中还发现,微米燃料升温较快,在反应炉内混合均匀,反应迅速发生,炉内组分在距端口0.5m处即趋于稳定,气化效果较好。以上结果均可为后期的工业示范工程气化炉设计提供理论指导。
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