生物質蒸汽流化床性能的建模和實驗

1、生物質蒸汽流化床性能的建模和實驗摘要本文介紹了不同生物質蒸汽在流化床燃氣爐被用作煤氣化劑和硫化劑的性能調查。制造一個研究米糠氣化的性能裝置，這跟中國和印度等一些糧食生產(chǎn)過有特殊的關聯(lián)。部署了一個平衡的建模方法，用來預測已經(jīng)跟實驗結果作了比較的氣體成分。為了獲取跟實驗標準跟接近的結果，有必要對模型的建模系數(shù)進行適當?shù)男Ｕ?。此外，用該模型來預測生物質氣體的成分以及煤的基準性能。在本次研究中，氣化溫度為650到800，然而生物質蒸汽的比率(S/B)為0.75到2.00.隨著氣化溫度的升高，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)，生物質蒸汽的比率影響到總的產(chǎn)率。隨著蒸汽

2、的輸入，H2、CO2和CH4的產(chǎn)量增加，而CO的產(chǎn)量減少。在一些大型工業(yè)中心，空氣污染形勢非常嚴峻，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。令人擔憂的生命質量的惡化使隨著工業(yè)發(fā)展來逐漸提高的生活標準變得收效甚微。這個問題已變得如此嚴重，在過去的25年里，所有工業(yè)化國家和發(fā)展中國家都頒布了日益嚴厲的法律，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的污染物排放標準。因此，保護石油的限量供應、氣候變化以及對全球氣候變暖的日趨關注激發(fā)了人們探尋新能源特別是可再生能源的動力。氫能源是一種非常清潔的可替代碳氫化合物的燃料。從生物質氣體中提取氫也許是對生物質利用的一個更有小的方法。它

3、不會向大氣中排放增加二氧化碳的排放，因為當它被消耗時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，流化床技術得到了廣泛的利用1。一向實驗研究已經(jīng)被Miccio et al.實施2。生物質氣體的提取是在流化床的氣泡中，并展示了碳微粒的產(chǎn)生和轉換。最大量快速轉換碳的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。對流化床的溫度以及煤和空氣的比率跟氣體成分的關系也作了實驗研究。Corella et al. 4,5提供了一維建模和大氣循環(huán)生物質流化床氣化爐的結果。對

4、在能源氣體組成軸的側面、氣體的產(chǎn)量和焦油容量做了展示。Petersen和Werther 6對循環(huán)流化床氣化殘留的沉淀物作了調查。研究了氣體成分中空氣的溫度和比率對生物質氣化效率的影響。發(fā)現(xiàn)空氣比率是影響生物質氣化的最主要因素。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對在生物質氣化循環(huán)硫化床的實驗性結果和基于自由能量最小化技術的平衡模型的發(fā)展。對氣體成分中空氣的溫度和比率的影響作了調查。表明，平衡模型給出了對氣體組成的良好預測。Jayahetal. 9開發(fā)了一個平衡

5、模型，用來研究一個斯里蘭卡NERD中心設計向下通風的氣化爐的性能。首先對模型作了校準，然后用來調查芯片尺寸的影響、濕度、入口出空氣溫度和轉換效率。Pellegrini 10提供了一個基于化學平衡的氣化過程模型。一個參數(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，為了評估不可逆過程的進展，對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，來預測能遠氣體的成分。對木材中初始濕度容量的效應和熱值溫度也作了調查。Mountourisetal. 12也開展了對基于原諒平衡和平衡常數(shù)的平衡模型的研究。這個模型用來預測綜合氣體產(chǎn)量和能量和的運算。

6、從這些文獻中觀察，生物質氣化也許能利用現(xiàn)成的空氣、氧氣來開展。用空氣時，產(chǎn)熱值低 (47MJ/Nm3)，而用氧氣時產(chǎn)熱值高達1018MJ/Nm313。之所以氧氣沒有得到廣泛采納是因為氧氣生產(chǎn)成本高。最近，生物質氣化技術在很多領域引起了人們的興趣，因為生物質氣化能產(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)約時間。2.實驗調查 為了進一步研究生物質蒸汽流化床，設立了一個流化床氣化爐實驗室。實驗設備為直徑50mm，長度1200mm底部分布著金屬片的內置氣化爐管。氣化爐的實驗原理圖如所示。在目前的研究中，能源為米糠。世界上種植水稻的國家多達75個，其

7、中印度的米糠總產(chǎn)量大約為22萬噸每年15。因此，米糠成為中國和印度等一些國家的自然而然的選擇。不同生物質最終和最近的分析如Table1所示。用水蒸氣作為流化劑和氣化劑，促進生產(chǎn)氣體中氫氣的百分比。用沙子作為床的物料，尺寸從0.3至0.5不等。將反應物至于電熔爐中，給氣化過程供熱。爐中氣化溫度由溫度監(jiān)管員控制。飽和過熱蒸汽由蒸汽發(fā)生器制取，供應氣化爐的底部。通過水冷機給氣化爐供應米糠。米糠的流化之所以很難達到是因為它并不是顆粒或片狀的。因此，在反應物中添加沙粒來確保適當?shù)牧蚧^程。在分析之前，必須把氣體色譜儀校正在測量范圍內。在實驗過程中，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)

8、氣的便于分析。3.模型假設生物質中只含有C、H和O三種元素。定義化學分子式為ChxOy?？偟臍饣匠淌饺缦滤荆簒和y單位為生物質中含碳原子氫原子和氧原子的的數(shù)量。w為單位干生物質粉塵中水分子的摩爾數(shù)， m為單位干生物質粉塵中添加的水分子的摩爾數(shù)。等號左邊為輸入反應物。等號右邊，和為5種未知生成氣體的數(shù)量。5個方程式求5個未知數(shù)。 碳平衡氫平衡氧平衡假設所有的反應滿足熱力學平衡方程。反應方程如下：布杜阿反應： 水煤氣反應： 平衡方程（5）和（6）可以跟氣水轉換方程結合如下：氣水轉換方程： 甲烷反應方程式： 假設所有氣體為理想氣體，所有反應在大氣壓下進行。因此，平衡參數(shù)為溫度的函數(shù)，如下所示：氣

9、水p轉換反應方程的平衡參數(shù)表述為：xi為氣體“i”在混合氣體中的摩爾分數(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)，為反應方程的標準吉布斯函數(shù)。不同氣體和的系數(shù)值如下所示：4.模型校準和修正 對任何模型在數(shù)值運算的結果進行適當?shù)膹秃耸且粋€重要的部分。因此，對來自模型的實驗數(shù)據(jù)（表3）結果作比較很有必要。用RMS值來估算每系列數(shù)值的誤差： N為數(shù)據(jù)點的個數(shù)。從表3中觀察，模型數(shù)據(jù)低于H2、CO和CH4的預測實驗值并超出CO2的預測值。實驗和模型的平均RMS誤差值為3.33631。造成偏差的可能原因為化學或者熱力學平衡不能達到燃氣爐的要求范圍。因此，為了介紹過程中

10、的運動效應，不同的研究者對他們的平衡模型做了修正。例如，Jarungthammachote和Dutta 17就采取了一個策略。平衡參數(shù)K1和K2分別乘以一個系數(shù)。為了符合實驗結果，K1和K2的校正系數(shù)分別為0.71和0.93 。修正后模型的結果如下表所示（表2）。從表2觀察可知，RMS值從3.33631減小到2.615117。所以可知修正模型更接近實驗數(shù)值。因此，修正模型的校正系數(shù)的精確度更符合進一步的預測。 5. 結果討論修正模型可以用來預測不同生物質氫的產(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，H2和CO的百分比增加。Shenetal. 18也觀察到

11、了這一趨勢。這是因為，更高的溫度反應物促進吸熱，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)量跟溫度的關系在高溫區(qū)域呈微拋物線狀，并達到穩(wěn)定水平。由圖2可知，相對其他生物質，煤的CO的百分比較高。對與生物質氣體，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。從表3可以明顯看出，煤的CO2產(chǎn)量相比比其他生物質為最低。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。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S/B的值為1.25時，H2的產(chǎn)量多于50%。由圖6可知，CO隨S/B值的增長發(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.結論摘要在此次研究中，采用米糠在流化床燃