第59卷第2期化學(xué)報(bào)Vol. 59 No. 22008年2月Journal of Chemical Industry and Engineering (China)February 2008總研究論文熱管式生物質(zhì)氣化爐的模擬王中賢,張紅,陳興元,莊駿(南京工業(yè)大學(xué)能源學(xué)院,江蘇南京210009)摘要:從化學(xué)反應(yīng)和傳熱兩個(gè)方面考慮,建立了生物質(zhì)間接供熱氣化模型,包括化學(xué)反應(yīng)和傳熱兩個(gè)子模型。化學(xué)反應(yīng)子模型可以預(yù)測(cè)產(chǎn)氣主要成分以及氣化反應(yīng)需要的熱量,而傳熱子模型則可以估算熱管的總熱阻和傳熱功率。在模型分析基礎(chǔ)上,開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)了熱管式生物質(zhì)氣化爐,并對(duì)化學(xué)反應(yīng)子模型進(jìn)行了驗(yàn)證。結(jié)果表明生物質(zhì)間接供熱氣化模型成功地預(yù)測(cè)了產(chǎn)氣主要成分,在利用熱管間接供熱的生物質(zhì)氣化產(chǎn)氣中氫氣含量在50%~60%之間,并且氣體熱值較高,可達(dá)10MJ·m關(guān)鍵詞:間接供熱;生物質(zhì)氣化;熱管;模型;熱值中圖分類號(hào):TK6文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):0438-1157(2008)02-0316-06Simulation of heat pipe biomass gasifierWANG Zhongxian, ZHANG Hong, CHEN Xingyuan, ZHUANG JunCollege of Energy, Nanjing University of Technology, Nanjing 210009, Jiangsu, China)Abstract: A mathematical model of indirectly heated biomass gasification was developed consisting ofchemical reaction and heat transfer submodels was developed. The chemical reaction submodel could predictthe main components of the product gas as well as the external heat required for biomass gasification. Theheat transfer submodel could estimate the total thermal resistance and heat transfer rate of heat pipe. Basedon the analysis of two submodels, a heat pipe biomass gasifier was designed. Experiments were carried outin the heat pipe biomass gasifier to validate the chemical reaction submodel. The results showed that thechemical reaction submodel was accurate for the prediction of the main components of the product gas. Thepercentage of hydrogen in the product gas was about 50%-60% and the heating value of the product gascould reach 10 MJ. m in the heat pipe biomass gasifierKey words: indirectly heated; biomass gasification; heat pipe; model; heating value引言到的燃?xì)庵械獨(dú)夂扛?可燃成分少,熱值一般為4~7M·m-32。而間接供熱氣化是將燃燒和氣生物質(zhì)氣化經(jīng)濟(jì)性高,是生物質(zhì)清潔利用的一化過(guò)程分開(kāi)進(jìn)行,產(chǎn)氣中不含氮?dú)?熱值較高,種主要形式,也是可再生能源技術(shù)發(fā)展的重要方般為中熱值氣體。本文基于間接供熱氣化的優(yōu)向。由于開(kāi)發(fā)可再生能源和環(huán)保的需要,生物質(zhì)勢(shì)以及熱管技術(shù)的特色,研究一種新型的熱氣化技術(shù)在國(guó)際上受到高度的重視,目前的生物質(zhì)管式生物質(zhì)氣化爐,它是將高溫?zé)峁芗夹g(shù)應(yīng)用到吸氣化一般都采用空氣燃燒的直接供熱氣化方式,得熱反應(yīng)的生物質(zhì)氣化中,實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)間接供熱氣2007—06-19收到初稿,2007-11-02收到修改稿聯(lián)系人:張紅,第一作者:王中賢(1977-),女,博士研究生dH中國(guó)煤化工CNMH GG基金項(xiàng)目:江蘇省科技成果轉(zhuǎn)化專項(xiàng)資金(BA2006012)。第2期上中賢等:熱管式生物質(zhì)氣化爐的模擬317·化。本文從化學(xué)反應(yīng)和傳熱兩個(gè)方面考慮,建立了Xe,p'o生物質(zhì)間接供熱氣化模型,包括化學(xué)反應(yīng)和傳熱兩個(gè)子模型,在模型分析基礎(chǔ)上,開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)了熱管式式中p為標(biāo)準(zhǔn)壓力,規(guī)定p-100P2,合并生物質(zhì)氣化爐,并對(duì)化學(xué)反應(yīng)子模型進(jìn)行了驗(yàn)證。式(7)~式(9)K? Xco, XH1化學(xué)反應(yīng)子模型Xux熱管式生物質(zhì)氣化爐中的生物質(zhì)氣化過(guò)程,是個(gè)復(fù)雜的反應(yīng)系統(tǒng),要研究這類反應(yīng)系統(tǒng)的機(jī)理式(10)和式(1)中的標(biāo)準(zhǔn)平衡常數(shù)與溫度有是很困難的。本文的化學(xué)反應(yīng)模型是以化學(xué)熱力學(xué)關(guān),可通過(guò)推導(dǎo)得到標(biāo)準(zhǔn)平衡常數(shù)的計(jì)算關(guān)為基礎(chǔ),研究氣化過(guò)程中的所有反應(yīng)都達(dá)到平衡時(shí)系式的燃?xì)獬煞值淖兓?。此模型雖然簡(jiǎn)單,但可以用來(lái)1.4平衡常數(shù)預(yù)測(cè)產(chǎn)氣主要成分以及氣化反應(yīng)需要的熱量物質(zhì)的比定壓熱容與溫度的關(guān)系式為1.1模型假設(shè)Cp,m=a+br+ct+dT3在化學(xué)反應(yīng)子模型中,做如下假設(shè)(1)燃料由C、H和O元素組成,而N和Svc,△d-等元素可以忽略;(2)產(chǎn)氣組成為CO、CO2、H、CH1則有△cp,m=△a+△hT|△cT2+△dI3和H2O;(3)氣化爐密封良好,沒(méi)有氣休泄漏Kirchhof等式為d(△,He)(4)在每一個(gè)計(jì)算步屮系統(tǒng)都達(dá)到熱力學(xué)(14)平衡積分得1.2質(zhì)量平衡△H=△T+r+4T+4r+1(15)根據(jù)質(zhì)量平衡,可分別得到C平衡、H平衡和O平衡方程式中I是積分常數(shù)。Van' t hoff 4等式為Nu I 2N2xn2+4Amt1+2Xn2°d(lnK°)△.H(16)燃料巾的碳是按轉(zhuǎn)化率=90%進(jìn)行反應(yīng)。積分得1.3化學(xué)平衡K=k(△dhr+T+合7+7-)+氣化反應(yīng)過(guò)程中C與水蒸氣的反應(yīng)(R1)、Boudouard反應(yīng)(R2)以及甲烷生成反應(yīng)(R3)式中J是積分常數(shù)對(duì)燃?xì)庾罱K組成起關(guān)鍵作用,因而選取這3個(gè)反應(yīng)當(dāng)溫度一定時(shí),有下列關(guān)系作為化學(xué)平衡計(jì)算的基礎(chǔ)△Gn=-RTnK式(18)表示了標(biāo)準(zhǔn)半衡常數(shù)K°與反應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)摩H2O亠C—CO+H2(4)爾反應(yīng)吉布斯函數(shù)△G的關(guān)系R2化學(xué)反應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)摩爾反應(yīng)焓△,I和標(biāo)準(zhǔn)摩爾C+CO(5)反應(yīng)吉布斯函數(shù)△,C可分別由參加反應(yīng)各物質(zhì)的R3標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成焓△H"和標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成吉布斯函數(shù)C+2H,--CH6)298K時(shí)有標(biāo)準(zhǔn)平衡常數(shù)分別為中國(guó)煤化工。m(19)XCNMHG由式(12)~式(20)可求得積分常數(shù)I和了,從而可獲得標(biāo)準(zhǔn)平衡常數(shù)與溫度的關(guān)系·318·化工學(xué)報(bào)第59卷表1稻草的元素分析和工業(yè)分析Table 1 Ultimate and proximate analysis of strawUltimate analysisProximate analysisHeating valueFixed carbon/MJ·kg-132.3174.62336.98.7616.4261.6513.18l.46表2水蒸氣/燃料比對(duì)結(jié)果的影響Table 2 Effect of steam to biomass ratio on resultsSteam to biomass ratio H,/%co/%CO2/%CH4/%Heating value/MJ·m0.60.628.77×1000.9062.12.23.1014.78158×10-16577.2063.039.3563.6318.0018.373.50×101.5反應(yīng)需要的熱量對(duì)生物質(zhì)氣化爐中的氣化過(guò)程進(jìn)行能量分析,可得氣化反應(yīng)需要的熱量H, a co∑△H12mX+∑-,XTCHa x CO,qe-q,m(21)式中n是系統(tǒng)熱效率,T是燃?xì)獬隹跁r(shí)的溫度,qm是隨物料進(jìn)人氣化爐的熱量,qsm是隨水蒸氣進(jìn)入氣化爐的熱量。60065070075080085009501.6化學(xué)反應(yīng)子模型的求解式(1)~式(3)和式(10)、式(11)5個(gè)圖1溫度對(duì)產(chǎn)氣主要成分的影響方程中有5個(gè)未知數(shù),組成一組非線性方程組,采Fig. 1 Effect of temperature on main components用 Newton-Raphson方法,在 Matlab界面中編of product gas (steam to biomass ratio=0. 8)程實(shí)現(xiàn)模型的求解。根據(jù)式(21)可計(jì)算氣化反應(yīng)需要的熱量。模型中用稻草作為物料,其工業(yè)分析和元素分析如表1所示1.7化學(xué)反應(yīng)子模型結(jié)果化學(xué)反應(yīng)子模型主要研究床層反應(yīng)溫度和水蒸氣/燃料比對(duì)產(chǎn)氣主要成分和熱值的影響,反應(yīng)溫度在650~900℃之間,以5mol·h-燃料進(jìn)行氣化,水蒸氣/燃料比取0.4、0.6、0.8和1.0。通600650700750800850900950過(guò)能量平衡關(guān)系式計(jì)算得到氣化反應(yīng)需要的熱量模擬結(jié)果如表2、圖1和圖2所示圖2氣體熱值隨溫度的變化表2是床層溫度在900℃時(shí),水蒸氣/燃料比2 Effect of對(duì)結(jié)果的影響?？芍?dú)怏w的熱值隨著水蒸氣/燃料of product gas (steam to biomass ratio=0. 8)比的增加呈降低趨勢(shì),這是由于燃?xì)庵锌扇汲煞謸?.8CO含量的減少所引起的。而氣化需要的熱量隨水中國(guó)煤化工.8時(shí),產(chǎn)氣主要成蒸氣/燃料比的增加呈增長(zhǎng)趨勢(shì),則是因?yàn)镃與水分CNMHG氣化溫度的升高,蒸氣的還原反應(yīng)加強(qiáng),而這一反應(yīng)是吸熱反應(yīng)。所CH4含量較低,CO、H2含量呈增長(zhǎng)的趨勢(shì),而以水蒸氣/燃料比不宜選擇過(guò)大,本文中一般選CO2含量減少。這是因?yàn)榉磻?yīng)R1和R2均是吸熱第2期王中賢等:熱管式生物質(zhì)氣化爐的模擬319·反應(yīng),根據(jù) Arrhenius定律,溫度的升高,有利于系數(shù)和輻射傳熱系數(shù)之和,A是熱管冷凝段表面反應(yīng)向正方向進(jìn)行。圖2是水蒸氣/燃料比為0.8積。這里h采用文獻(xiàn)[12]中得到的傳熱經(jīng)驗(yàn)關(guān)時(shí),氣體熱值隨溫度的變化圖。由圖可知,隨溫度聯(lián)式Na=0.655Re6進(jìn)行近似計(jì)算的升高,氣體熱值增加,這是因?yàn)闇囟鹊纳?燃熱管冷凝段(蒸發(fā)段)管壁導(dǎo)熱熱阻可按常規(guī)氣中可燃成分增加,而不可燃成分減少。的圓管壁導(dǎo)熱公式計(jì)算n(D。-D)2傳熱子模型(23)傳熱子模型是運(yùn)用熱管的熱阻網(wǎng)絡(luò)模型0n(D。一D)(24)2rkm Le來(lái)估算熱管的總熱阻和傳熱功率,根據(jù)氣化反應(yīng)需式中kn1是管壁金屬熱導(dǎo)率。要的熱量來(lái)計(jì)算需要的熱管數(shù)目熱管冷凝段(蒸發(fā)段)吸液芯傳熱熱阻r32.1熱管描述(r)也可看成是通過(guò)圓管壁的導(dǎo)熱熱阻熱管是一種典型的依靠自身內(nèi)部工作介質(zhì)相n(D-D。)(25)變實(shí)現(xiàn)熱量傳遞的傳熱元件,具有很高的導(dǎo)熱性、2rkvL。優(yōu)良的等溫性、熱流密度可變性以及熱二極管等優(yōu)7=n(D-D。)(26)點(diǎn)。碳鋼水熱管是以碳鋼為殼體、水為工作液體式中k是充滿液體的吸液芯的熱導(dǎo)率,可通過(guò)的兩相閉式熱虹吸管,其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜,能式(27)計(jì)算得到大規(guī)模為工程采用。而高溫?zé)峁苁且砸后w金屬(鉀、鈉、鋰、汞等)為介質(zhì),不銹鋼或其他耐熱ekr(27)鋼為管殼,能在500~1200℃高溫環(huán)境中工作的式中ε是吸液芯的固體分?jǐn)?shù),并且有熱管。B=1+(,/)(k,k)(28)2.2熱管的熱阻網(wǎng)絡(luò)模型式中k,13和k:分別是固體吸液芯和液體工作介單根熱管的熱阻網(wǎng)絡(luò)模型是將熱管分成不同熱質(zhì)的熱導(dǎo)率。k可采用文獻(xiàn)[14]中的公式k阻組成的網(wǎng)絡(luò),把熱阻的總熱阻看成各個(gè)部分的熱124.67-0.11381T+5.5226×10-5T2-1.1842阻之和。如圖3所示,r1是熱管冷凝段和氣化床層10-8T進(jìn)行計(jì)算,式中的T是熱管內(nèi)工作介質(zhì)的之間的傳熱熱阻,r2(r8)是熱管冷凝段(蒸發(fā)溫度。段)管壁導(dǎo)熱熱阻,r3(r)是熱管冷凝段(蒸發(fā)氣液交界面上的傳熱熱阻r4(r6)和蒸汽流段)吸液芯傳熱熱阻,r(r6)是氣液交界面上的動(dòng)熱阻n5一般較小,可忽略不計(jì)。則單根熱管的傳熱熱阻,r是蒸汽流動(dòng)熱阻。以下對(duì)各個(gè)熱阻進(jìn)傳熱功率計(jì)算如下行分析式中T是熱管蒸發(fā)段溫度,T是氣化爐床層溫度,這里近似認(rèn)為T(mén)=T。熱管的尺寸如表3所表3熱管尺寸heat outputTable 3 Dimensions for heat pipe圖3熱管的熱阻網(wǎng)絡(luò)模型D,/mFig 3 Thermal resistance model of heat pipe0.030.0270.0180.415熱管冷凝段和氣化床層之間的傳熱熱阻r可2.3中國(guó)煤化工由式(22)計(jì)算CNMHG的總熱阻和傳熱功率,計(jì)算結(jié)果如表4所示。由表可知熱管總熱阻主式中h是氣化床層中熱管冷凝段表面的對(duì)流傳熱要由熱管冷凝段和氣化床層之間的傳熱熱阻決定320化工第59卷表4熱管傳熱子模型的結(jié)果Table 4 Results of heat transfer submodelThermal resistant/K.W-lHeat transfer rate8.282×102.733×105.390×15.390×10-32.733×10-09,4單根熱管的傳熱量可以滿足氣化反應(yīng)所需。3熱管式生物質(zhì)氣化爐將高溫?zé)峁芤松镔|(zhì)氣化爐中,提供氣化反應(yīng)需要的熱量,由化學(xué)反應(yīng)子模型和傳熱子模型計(jì)算結(jié)果可知,單根熱管的傳熱量可以滿足氣化反應(yīng)20所需,因此本文設(shè)計(jì)了單根熱管的生物質(zhì)氣化爐,如圖4所示。單根高溫?zé)峁?尺寸如表3所示)垂00650700750850900950直布置在氣化爐中心線上,吸熱段附有圓形翅片以強(qiáng)化傳熱,高溫?zé)峁軐崃坑筛邷責(zé)嵩磦鬟f到床圖5試驗(yàn)結(jié)果與模擬計(jì)算的對(duì)比層內(nèi),以供生物質(zhì)氣化反應(yīng)所需。飽和水蒸氣經(jīng)過(guò)Fig 5 Comparison of model results熱后進(jìn)入床層,和生物質(zhì)發(fā)生氣化反應(yīng)。fuel gas4結(jié)論建立了生物質(zhì)的間接供熱氣化模型,包括化學(xué)反應(yīng)和傳熱兩個(gè)子模型distributor(1)由化學(xué)反應(yīng)子模型和傳熱子模型計(jì)算結(jié)果可知,單根熱管的傳熱量可以滿足氣化反應(yīng)所需因此本文設(shè)計(jì)了單根熱管的生物質(zhì)氣化爐(2)化學(xué)反應(yīng)子模型的模擬結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果能較好吻合,利用熱管供熱的生物質(zhì)氣化產(chǎn)氣中H2含量在50%~60%之間,產(chǎn)氣熱值較高,可達(dá)10MJ圖4熱管式生物質(zhì)氣化爐符號(hào)說(shuō)明Fig. 4 Heat pipe biomass gasifierA—換熱面積,m對(duì)單根熱管的生物質(zhì)氣化爐進(jìn)行試驗(yàn)研究,試a,b,c,d常數(shù)驗(yàn)結(jié)果與模擬計(jì)算對(duì)比見(jiàn)圖5。由圖可知模擬計(jì)算—比熱容,kJ·kg·K的H2、CO2和CH4的含量隨溫度的變化與試驗(yàn)結(jié)D—直徑,m果有著相同的變化趨勢(shì),而CO在溫度高于800℃△G一吉布斯函數(shù),kJ·kg后模擬值較試驗(yàn)值稍高。這是由于在800℃以上△H反應(yīng)焓,kJ·kgh—傳熱系數(shù),W·K1·m-2時(shí),CO與水蒸氣的變換反應(yīng)較易進(jìn)行,而模型中,J積分常數(shù)并沒(méi)有考慮這一變換反應(yīng),使得模擬值與試驗(yàn)值有定誤差。總體來(lái)看,模擬計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果能中國(guó)煤化工較好的吻合。利用熱管間接供熱的生物質(zhì)氣化產(chǎn)氣CNMHG中H2含量可達(dá)60%,產(chǎn)氣熱值較高,可達(dá)10N—反應(yīng)物i的物質(zhì)的量,molselt數(shù)第2期王中熱管式生物質(zhì)氣化爐的模擬p——系統(tǒng)壓力,Pausing a latent heq—傳熱量,WExperimental evaluations, Biomass 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