公冶令沛（江蘇徐塘發(fā)電有限責任公司,江蘇 邳州221300）

增壓串行流化床生物質(zhì)氣化制取代用天然氣的模擬

公冶令沛
（江蘇徐塘發(fā)電有限責任公司,江蘇 邳州221300）

摘 要：眾所周知，天然氣是我國居民與工業(yè)不可或缺的能源之一，而隨著我國城市化進程和工業(yè)產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，天然氣資源也越來越緊缺。在這一背景下，生物質(zhì)氣化制取代用天然氣技術(shù)油然而生。本文試圖從另一個角度研究Biomass-to-SNG技術(shù)，即以Aspen Plus軟件為主要手段，對基于增壓串行流化床生物質(zhì)氣化一步法合成甲烷的工藝進行數(shù)值模擬研究，從而為今后開展生物質(zhì)氣化合成甲烷的試驗提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：增壓串行流化床；代用天然氣；生物質(zhì)氣化；數(shù)值計算

1 串行流化床生物質(zhì)氣化制取代用天然氣的模型及驗證

1.1 數(shù)值模型的構(gòu)建

建立串行流化床生物質(zhì)氣化制取代用天然氣的模擬流程圖（圖1）。

圖 1

生物質(zhì)氣化模型采用的是串行流化床技術(shù)，該技術(shù)被認為很適合Biomass -to-SNG。本文研究的串行流化床生物質(zhì)氣化系統(tǒng)如圖2所示，相應的試驗裝置位于東南大學能源熱轉(zhuǎn)換及其過程測控教育部重點實驗室。

圖2 串行流化床生物質(zhì)氣化系統(tǒng)的示意圖

發(fā)生在生物質(zhì)氣化反應器（Gasifier）中的主要反應有：

甲烷化過程用于將產(chǎn)物氣中的CO或CO2與H2反應生成甲烷，發(fā)生在甲烷化反應器（FBMR）中的主要反應式如下：

1.2 模型的驗證

當氣化反應器溫度為737℃，氣化壓力在0.1～1.5MPa范圍內(nèi)，甲烷化壓力為2MPa時，粗甲烷氣的組成如表1所示。經(jīng)過與本文的模擬值（也見表1）比較，模擬值與文獻值基本吻合，則證明可以利用所建的模型研究增壓串行流化床生物質(zhì)氣化制取代用天然氣的過程。

表1 模擬結(jié)果與文獻結(jié)果的比較

2 計算工況與輸入?yún)?shù)

表2 Biomass-to-SNG流程模擬的輸入值

本文計算的生物質(zhì)原料為江蘇省某地區(qū)的稻秸，其低位熱值為19.513MJ/kg，含水分14.4 wt %，固定碳64.6 wt %，揮發(fā)分15.2 wt %，灰5.8 wt %，等；從元素分析的角度來看，含C為40.9 wt %，含H為5.0 wt %，含O為32.71 wt %，含N為0.96 wt %，含S為0.15 wt %，等。串行流化床生物質(zhì)氣化制取代用天然氣流程的其它輸入值見表2。

3 結(jié)果與分析

3.1 甲烷產(chǎn)率的變化規(guī)律

甲烷產(chǎn)率是指甲烷化反應器中生成的甲烷與進入到氣化反應器中的生物質(zhì)之比，它是整個生物質(zhì)氣化制取代用天然氣的重要指標之一。

甲烷產(chǎn)率=

在甲烷化反應器溫度（Τm=300℃）和反應器壓力（pm= 0.3MPa）給定的情況下，當S/B=0.4時，不同氣化壓力pg下，氣化溫度Τg對甲烷產(chǎn)率的影響如圖4所示。由圖可見，不同氣化壓力下氣化溫度對甲烷產(chǎn)率的影響呈現(xiàn)相同的變化趨勢，即隨著氣化溫度的升高，甲烷產(chǎn)率隨之增大，且在氣化溫度較高時，氣化壓力對其影響較小，甲烷產(chǎn)率基本保持不變。這主要是因為相同氣化壓力下，提高氣化溫度有利于反應式（1）、（3）和（5）向正方向進行。在相同的氣化溫度下，隨著氣化壓力的提高，生物質(zhì)合成氣產(chǎn)量有所下降，故甲烷的產(chǎn)率也有所下降；而當氣化溫度大于一定數(shù)值時，氣化壓力對生物質(zhì)合成氣產(chǎn)量的影響已較小，故對甲烷產(chǎn)率的影響也較小。

圖5給出了當氣化溫度Τg=750℃時，不同氣化壓力pg下甲烷產(chǎn)率隨S/B的變化規(guī)律。如圖所示，不同氣化壓力下，S/B對甲烷產(chǎn)率的影響趨勢相似，即隨著S/B的增大，甲烷產(chǎn)率先提高，后略有下降，且S/B在0.4附近甲烷產(chǎn)率存在一最大值。這主要是因為對于相同的氣化壓力，S/B的增大意味著進入到氣化反應器中的水蒸氣量增多，與水蒸氣有關(guān)的反應將會深化，即反應式（1）、（2）和（5）將向正方向進行，則合成氣的產(chǎn)量提高，故隨后的甲烷產(chǎn)率也隨之增大；但是當進一步提高S/B（＞0.4）時，會導致氣化份額（即生物質(zhì)氣化系統(tǒng)在實現(xiàn)自供熱的情況下進入氣化反應器的生物質(zhì)占送入到整個系統(tǒng)中的總生物質(zhì)的質(zhì)量百分比）的下降、燃燒份額（1-氣化份額）上升，則合成氣產(chǎn)率下降，故甲烷產(chǎn)率反而下降。綜合的結(jié)果是，甲烷產(chǎn)率存在一最大值。而對于相同的S/B，氣化壓力的增大不能提高合成氣產(chǎn)率，故隨著氣化壓力的上升，甲烷產(chǎn)率略有下降。

圖3 不同氣化壓力pg下氣化溫度Tg對甲烷產(chǎn)率的影響（左）

圖4 不同氣化壓力pg下S/B對甲烷產(chǎn)率的影響（右）

3.2 生物質(zhì)碳轉(zhuǎn)化率的變化規(guī)律

生物質(zhì)碳轉(zhuǎn)化率是指粗甲烷氣中的含碳量與送入到整個系統(tǒng)中生物質(zhì)的含碳量之比，其定義式如下：

生物質(zhì)碳轉(zhuǎn)化率越高，則證明有更多的生物質(zhì)轉(zhuǎn)化成粗甲烷氣體。圖5和6分別給出了不同氣化壓力下，氣化溫度和S/B對生物質(zhì)碳轉(zhuǎn)化率的影響。

如圖5所示，當S/B為0.4時，不同氣化壓力下，隨著氣化溫度的上升，碳轉(zhuǎn)化率逐漸增大，且當溫度在較高數(shù)值（＞750℃）時，維持在一較大的數(shù)值（接近100%），這表明進入到氣化系統(tǒng)中絕大部分生物質(zhì)的碳都轉(zhuǎn)化成了氣體。這是因為氣化溫度對生物質(zhì)氣化過程具有積極的影響，隨著氣化溫度的上升，生物質(zhì)氣化過程也不斷深入，最后影響到甲烷化反應的進行。同時，還可以發(fā)現(xiàn)在氣化溫度較低時，氣化壓力的提高并不能增大碳轉(zhuǎn)化率，而在較高氣化溫度時，氣化壓力對碳轉(zhuǎn)化率的影響不是很明顯。因此，為獲得較大的碳轉(zhuǎn)化率，氣化溫度宜在750℃左右，而氣化壓力可取的較小。

圖5 不同氣化壓力pg下氣化溫度Tg對碳轉(zhuǎn)化率的影響（左）

圖6 不同氣化壓力pg下S/B對碳轉(zhuǎn)化率的影響（右）

圖6給出了當氣化溫度Τg為750℃時，不同氣化壓力下碳轉(zhuǎn)化率隨S/B的變化情況。不同氣化壓力pg下，隨著S/B的增大碳轉(zhuǎn)化率也增大，并在S/B大于0.4時，碳轉(zhuǎn)化率維持一較大值，且變化平緩。這是因為隨著S/B的增大，有水蒸氣參與的反應式（1）、（2）和（5）得到強化，生成的氣化產(chǎn)物增多，則隨后的甲烷化反應得到深化，故碳轉(zhuǎn)化率上升；而當S/B進一步增大，會導致氣化份額減小，即進入到氣化反應器中的生物質(zhì)量減少，故生成的氣化產(chǎn)物反而減少，這樣將導致碳轉(zhuǎn)化率的下降，兩者綜合作用的結(jié)果是碳轉(zhuǎn)化率維持在一較穩(wěn)定的數(shù)值。從氣化壓力的角度來看，盡管提高氣化壓力可以提高氣化份額，但是當S/B較小時，即進入到氣化反應器中的水蒸氣量較少時，則氣化反應器中的生物質(zhì)不能完全氣化，故碳轉(zhuǎn)化率較低，而隨著S/B的增大，這種情況會得到改善，故碳轉(zhuǎn)化率相應提高。

4 結(jié)論

（1）不同氣化壓力下氣化溫度對甲烷產(chǎn)率的影響呈現(xiàn)相同的變化趨勢，隨著氣化壓力的提高，甲烷的產(chǎn)率有所下降，且在氣化壓力較高時，不同氣化壓力對甲烷產(chǎn)率的影響較小。

（2）不同氣化壓力下，隨著氣化溫度的上升，碳轉(zhuǎn)化率逐漸增大，且在氣化溫度＞750℃時，維持在一較大的數(shù)值；碳轉(zhuǎn)化率隨著S/B的增大而增大，并在S/B＞0.4時，碳轉(zhuǎn)化率維持一較大值；當氣化溫度較低時，在相同氣化溫度下，氣化壓力越高，碳轉(zhuǎn)化率反而越低，而在氣化溫度較高時，氣化壓力對碳轉(zhuǎn)化率的影響不是很明顯；當S/ B較小時，氣化壓力越高，則碳轉(zhuǎn)化率越小，且在S/B較大時，氣化壓力對碳轉(zhuǎn)化率的影響并不是很顯著。

（3）對于串行流化床生物質(zhì)氣化制取代用天然氣系統(tǒng)，為獲得較高的甲烷產(chǎn)率和碳轉(zhuǎn)化率，適宜的氣化溫度在750℃左右，S/B值在0.4左右，而氣化壓力則不宜太高。

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