1、生物質(zhì)蒸汽流化床性能的建模和實(shí)驗(yàn)摘要本文介紹了不同生物質(zhì)蒸汽在流化床燃?xì)鉅t被用作煤氣化劑和硫化劑的性能調(diào)查。制造一個(gè)研究米糠氣化的性能裝置，這跟中國(guó)和印度等一些糧食生產(chǎn)過有特殊的關(guān)聯(lián)。部署了一個(gè)平衡的建模方法，用來預(yù)測(cè)已經(jīng)跟實(shí)驗(yàn)結(jié)果作了比較的氣體成分。為了獲取跟實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)跟接近的結(jié)果，有必要對(duì)模型的建模系數(shù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)男Ｕ４送猓迷撃Ｐ蛠眍A(yù)測(cè)生物質(zhì)氣體的成分以及煤的基準(zhǔn)性能。在本次研究中，氣化溫度為650到800，然而生物質(zhì)蒸汽的比率(S/B)H2和CO的產(chǎn)量也隨之增加，然而CH4 和CO2的總量卻下降。再次發(fā)現(xiàn)，生物質(zhì)蒸汽的比率影響到總的產(chǎn)率。隨著蒸汽的輸入，H2、CO2和CH4的產(chǎn)量增加，而

2、CO的產(chǎn)量減少。1.概述在一些大型工業(yè)中心，空氣污染形勢(shì)非常嚴(yán)峻，這威脅到公眾的生命健康，惡化生態(tài)環(huán)境以及破壞旅游景點(diǎn)。令人擔(dān)憂的生命質(zhì)量的惡化使隨著工業(yè)發(fā)展來逐漸提高的生活標(biāo)準(zhǔn)變得收效甚微。這個(gè)問題已變得如此嚴(yán)重，在過去的25年里，所有工業(yè)化國(guó)家和發(fā)展中國(guó)家都頒布了日益嚴(yán)厲的法律，限制了諸如熱發(fā)電站，工業(yè)鍋爐，工業(yè)廠房以及汽車和飛機(jī)的污染物排放標(biāo)準(zhǔn)。因此，保護(hù)石油的限量供應(yīng)、氣候變化以及對(duì)全球氣候變暖的日趨關(guān)注激發(fā)了人們探尋新能源特別是可再生能源的動(dòng)力。氫能源是一種非常清潔的可替代碳?xì)浠衔锏娜剂稀纳镔|(zhì)氣體中提取氫也許是對(duì)生物質(zhì)利用的一個(gè)更有小的方法。它不會(huì)向大氣中排放增加二氧化碳的排放

3、，因?yàn)楫?dāng)它被消耗時(shí)能吸收等同與它釋放出去的碳。在氣化爐中，由于方方面面的好處，包括高效傳熱、統(tǒng)一和可控制的溫度、有利的氣固聯(lián)系等，流化床技術(shù)得到了廣泛的利用1。一向?qū)嶒?yàn)研究已經(jīng)被Miccio et al.實(shí)施2。生物質(zhì)氣體的提取是在流化床的氣泡中，并展示了碳微粒的產(chǎn)生和轉(zhuǎn)換。最大量快速轉(zhuǎn)換碳的70%是從自由空間獲取的，即使操作條件不是很順利。Ocampo et al. 3研究了哥倫比亞煤在流化床氣化爐中的氣化。對(duì)流化床的溫度以及煤和空氣的比率跟氣體成分的關(guān)系也作了實(shí)驗(yàn)研究。Corella et al. 4,5提供了一維建模和大氣循環(huán)生物質(zhì)流化床氣化爐的結(jié)果。對(duì)在能源氣體組成軸的側(cè)面、氣體的產(chǎn)量

4、和焦油容量做了展示。Petersen和Werther 6對(duì)循環(huán)流化床氣化殘留的沉淀物作了調(diào)查。研究了氣體成分中空氣的溫度和比率對(duì)生物質(zhì)氣化效率的影響。發(fā)現(xiàn)空氣比率是影響生物質(zhì)氣化的最主要因素。許多研究論文發(fā)表在了氣化平衡模型上。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數(shù)，然而兩部分在概念上是相似的，又不同于Lietal. 7,8對(duì)在生物質(zhì)氣化循環(huán)硫化床的實(shí)驗(yàn)性結(jié)果和基于自由能量最小化技術(shù)的平衡模型的發(fā)展。對(duì)氣體成分中空氣的溫度和比率的影響作了調(diào)查。表明，平衡模型給出了對(duì)氣體組成的良好預(yù)測(cè)。Jayahetal. 9開發(fā)了一個(gè)平衡模型，用來研究一個(gè)斯里蘭卡NERD

5、中心設(shè)計(jì)向下通風(fēng)的氣化爐的性能。首先對(duì)模型作了校準(zhǔn)，然后用來調(diào)查芯片尺寸的影響、濕度、入口出空氣溫度和轉(zhuǎn)換效率。Pellegrini 10提供了一個(gè)基于化學(xué)平衡的氣化過程模型。一個(gè)參數(shù)研究也被展開，來觀察氣化溫度、空氣溫度和濕度等許多因素的影響。緊隨其后，為了評(píng)估不可逆過程的進(jìn)展，對(duì)過程中的也做了分析。Zainaletal. 11也執(zhí)行了氣化過程的平衡模型的研究，來預(yù)測(cè)能遠(yuǎn)氣體的成分。對(duì)木材中初始濕度容量的效應(yīng)和熱值溫度也作了調(diào)查。Mountourisetal. 12也開展了對(duì)基于原諒平衡和平衡常數(shù)的平衡模型的研究。這個(gè)模型用來預(yù)測(cè)綜合氣體產(chǎn)量和能量和的運(yùn)算。從這些文獻(xiàn)中觀察，生物質(zhì)氣化也許能

6、利用現(xiàn)成的空氣、氧氣來開展。用空氣時(shí)，產(chǎn)熱值低 (47MJ/Nm3)，而用氧氣時(shí)產(chǎn)熱值高達(dá)1018MJ/Nm313。之所以氧氣沒有得到廣泛采納是因?yàn)檠鯕馍a(chǎn)成本高。最近，生物質(zhì)氣化技術(shù)在很多領(lǐng)域引起了人們的興趣，因?yàn)樯镔|(zhì)氣化能產(chǎn)生高含量的H2.此外，氣化過程能帶來以下一些好處14：能最大限度的產(chǎn)生更高的熱量以及有效的節(jié)約時(shí)間。2.實(shí)驗(yàn)調(diào)查 為了進(jìn)一步研究生物質(zhì)蒸汽流化床，設(shè)立了一個(gè)流化床氣化爐實(shí)驗(yàn)室。實(shí)驗(yàn)設(shè)備為直徑50mm，長(zhǎng)度1200mm底部分布著金屬片的內(nèi)置氣化爐管。氣化爐的實(shí)驗(yàn)原理圖如所示。在目前的研究中，能源為米糠。世界上種植水稻的國(guó)家多達(dá)爐中氣化溫度由溫度監(jiān)管員控制。飽和過熱蒸汽由

7、蒸汽發(fā)生器制取，供應(yīng)氣化爐的底部。通過水冷機(jī)給氣化爐供應(yīng)米糠。米糠的流化之所以很難達(dá)到是因?yàn)樗⒉皇穷w粒或片狀的。因此，在反應(yīng)物中添加沙粒來確保適當(dāng)?shù)牧蚧^程。在分析之前，必須把氣體色譜儀校正在測(cè)量范圍內(nèi)。在實(shí)驗(yàn)過程中，溫度的變化影響S/B的值，S/B的值又確保溫度的適中和產(chǎn)氣的便于分析。3.模型假設(shè)生物質(zhì)中只含有C、H和O三種元素。定義化學(xué)分子式為ChxOy。總的氣化方程式如下所示：x和y單位為生物質(zhì)中含碳原子氫原子和氧原子的的數(shù)量。w為單位干生物質(zhì)粉塵中水分子的摩爾數(shù)， m為單位干生物質(zhì)粉塵中添加的水分子的摩爾數(shù)。等號(hào)左邊為輸入反應(yīng)物。等號(hào)右邊，和為5種未知生成氣體的數(shù)量。5個(gè)方程式求5個(gè)

8、未知數(shù)。 碳平衡氫平衡氧平衡假設(shè)所有的反應(yīng)滿足熱力學(xué)平衡方程。反應(yīng)方程如下：布杜阿反應(yīng)： 水煤氣反應(yīng)： 平衡方程（5）和（6）可以跟氣水轉(zhuǎn)換方程結(jié)合如下：氣水轉(zhuǎn)換方程： 甲烷反應(yīng)方程式： 假設(shè)所有氣體為理想氣體，所有反應(yīng)在大氣壓下進(jìn)行。因此，平衡參數(shù)為溫度的函數(shù)，如下所示：氣水p轉(zhuǎn)換反應(yīng)方程的平衡參數(shù)表述為：xi為氣體“i”在混合氣體中的摩爾分?jǐn)?shù)，甲烷生成的平衡參數(shù)為: 平衡參數(shù)K為溫度的函數(shù)，表示如下：為氣體的通用參數(shù)，為反應(yīng)方程的標(biāo)準(zhǔn)吉布斯函數(shù)。不同氣體和的系數(shù)值如下所示：4.模型校準(zhǔn)和修正 對(duì)任何模型在數(shù)值運(yùn)算的結(jié)果進(jìn)行適當(dāng)?shù)膹?fù)核是一個(gè)重要的部分。因此，對(duì)來自模型的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（表3）結(jié)果作

9、比較很有必要。用RMS值來估算每系列數(shù)值的誤差： N為數(shù)據(jù)點(diǎn)的個(gè)數(shù)。從表3中觀察，模型數(shù)據(jù)低于H2、CO和CH4的預(yù)測(cè)實(shí)驗(yàn)值并超出CO2的預(yù)測(cè)值。實(shí)驗(yàn)和模型的平均RMS誤差值為3.33631。造成偏差的可能原因?yàn)榛瘜W(xué)或者熱力學(xué)平衡不能達(dá)到燃?xì)鉅t的要求范圍。因此，為了介紹過程中的運(yùn)動(dòng)效應(yīng)，不同的研究者對(duì)他們的平衡模型做了修正。例如，Jarungthammachote和Dutta 17就采取了一個(gè)策略。平衡參數(shù)K1和K2分別乘以一個(gè)系數(shù)。為了符合實(shí)驗(yàn)結(jié)果，K1和K2 5. 結(jié)果討論修正模型可以用來預(yù)測(cè)不同生物質(zhì)氫的產(chǎn)量和性能。H2、CO和CH4隨溫度的變化如所示。從圖中觀察可知，隨著溫度的升高，H

10、2和CO的百分比增加。Shenetal. 18也觀察到了這一趨勢(shì)。這是因?yàn)椋叩臏囟确磻?yīng)物促進(jìn)吸熱，生成物放熱。觀察表1可知，水稻秸稈氫的潛在產(chǎn)量最大，參雜甘蔗渣的米糠的氫潛在產(chǎn)量最小，花生殼和煤處于兩者之間。在所有的案例中，產(chǎn)量跟溫度的關(guān)系在高溫區(qū)域呈微拋物線狀，并達(dá)到穩(wěn)定水平。由圖2可知，相對(duì)其他生物質(zhì)，煤的CO的百分比較高。對(duì)與生物質(zhì)氣體，CO的產(chǎn)量近似為煤的一半。隨著溫度的逐漸升高，CO幾乎呈線性增長(zhǎng)。從表3可以明顯看出，煤的CO2產(chǎn)量相比比其他生物質(zhì)為最低。而米糠的CO2產(chǎn)量最高，甘蔗渣、水稻秸稈和花生殼比較接近。在圖5，可以看出米糠的CH4產(chǎn)量最低。煤、甘蔗和花生殼稍微高一點(diǎn)。其中水稻秸稈的CH4產(chǎn)量最高。750下S/B值在圖5-8中得到了描述。從圖5可以看出，H2的產(chǎn)量隨S/B的比值的增大而增加。從圖2可知，無論S/B為什么值，米糠的氫產(chǎn)量最少。然而當(dāng)S/B的值為1.25時(shí)，H2的產(chǎn)量多于50%。由圖6可知，CO隨S/B值的增長(zhǎng)發(fā)生變化。觀察可知，大量的蒸汽抑制CO的產(chǎn)生。不同與CO，CO2的產(chǎn)量如圖7所示，隨著S/B的增加，CO2的產(chǎn)量也增加。6.結(jié)論摘要在此次研究中，采用米糠在流化床燃?xì)鉅t中進(jìn)行氣化實(shí)驗(yàn)。經(jīng)過分析，利用平衡模