向　鵬，吳躍明，祁　超，韓中合，吳智泉

(1.電站設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(華北電力大學(xué))，河北 保定 071003； 2.大唐安徽發(fā)電有限公司，安徽 合肥 230071)

0　引言

能源短缺、環(huán)境污染和氣候變化對(duì)人類生存提出了巨大挑戰(zhàn)，走清潔、高效的發(fā)展道路，必須改善能源結(jié)構(gòu)，減少煤炭等化石能源的消費(fèi)，增加非化石能源在能源消費(fèi)中的比重。作為可再生能源，生物質(zhì)具有作為燃料的諸多優(yōu)點(diǎn)[1]，如揮發(fā)分高、固定族低、碳反應(yīng)性高、灰分少、含硫量低等，且在我國(guó)資源豐富，目前可轉(zhuǎn)換為能源的潛力約4.6億 t標(biāo)準(zhǔn)煤[2]，具有廣闊的發(fā)展前景。生物質(zhì)燃料作為可再生能源的一種，其CO2排放為中性[3]，因此生物質(zhì)發(fā)電的碳排放是按照“零排放”計(jì)算的，這對(duì)于燃煤機(jī)組降低煤耗和減少碳排放有重要意義。

現(xiàn)階段生物質(zhì)的利用形式主要包括直接燃燒、與煤混燃、氣化和水解液化[4]。生物質(zhì)氣化燃?xì)馔ㄈ脲仩t爐膛，與燃煤耦合發(fā)電，是生物質(zhì)利用的重要技術(shù)及發(fā)展方向，具有發(fā)電效率高，對(duì)燃煤鍋爐影響小，生物質(zhì)電量監(jiān)管簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)[5]。為了實(shí)現(xiàn)中國(guó)能源的轉(zhuǎn)型，并達(dá)到2030年非化石能源發(fā)電量占比不低于50%的目標(biāo)，大力發(fā)展燃煤生物質(zhì)耦合發(fā)電是必然的選擇[6]。

生物質(zhì)氣化-燃煤耦合發(fā)電是將生物質(zhì)通入氣化爐產(chǎn)生燃?xì)?，再將燃?xì)馔ㄈ肴济哄仩t里與煤混燃，以減少燃煤量[7]。目前國(guó)內(nèi)對(duì)于生物質(zhì)氣耦合燃煤發(fā)電的研究還處于示范階段，并且研究?jī)?nèi)容主要集中于生物質(zhì)氣化發(fā)電技術(shù)方案及相關(guān)經(jīng)濟(jì)效益[8-9]和生物質(zhì)氣燃燒對(duì)燃煤鍋爐的影響[10]等方面。為分析燃?xì)鈱?duì)鍋爐燃燒及換熱性能的影響，燃?xì)饨M分及熱值、溫度氣化指標(biāo)是關(guān)鍵。建立基于熱化學(xué)平衡的生物質(zhì)氣化模型，計(jì)算得到不同氣化條件下的理論燃?xì)饨M分和氣化指標(biāo)，分析燃?xì)饨M分和氣化指標(biāo)與氣化劑當(dāng)量比和水分的變化趨勢(shì)曲線。為氣化過程控制提供參考，同時(shí)也為生物質(zhì)氣化-燃煤耦合系統(tǒng)設(shè)計(jì)和優(yōu)化奠定基礎(chǔ)。

1　生物質(zhì)氣化模型

現(xiàn)階段生物質(zhì)氣化模型主要分為動(dòng)力學(xué)模型和熱化學(xué)模型[11]。動(dòng)力學(xué)模型以反應(yīng)動(dòng)力學(xué)為基礎(chǔ)，能清楚地反映和模擬氣化過程在不同時(shí)間、不同位置上的反應(yīng)情況[12]，是一種3維模型，具有普遍適用性。如李大中等[13]建立了包括熱分解、氣化以及可能存在的二次反應(yīng)3個(gè)過程在內(nèi)的整體生物質(zhì)氣化動(dòng)力學(xué)模型，比較全面地描述了整個(gè)氣化過程的動(dòng)力學(xué)特性。但動(dòng)力學(xué)模型涉及參數(shù)較多，且參數(shù)多是基于實(shí)驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)。不同生物質(zhì)氣化過程對(duì)應(yīng)不同的動(dòng)力學(xué)參數(shù)，針對(duì)特定生物質(zhì)、特定氣化條件的動(dòng)力學(xué)參數(shù)選取存在困難。動(dòng)力學(xué)模型現(xiàn)階段對(duì)動(dòng)力學(xué)參數(shù)有2種處理方式[14]：一是借用煤氣化的動(dòng)力學(xué)參數(shù)；二是當(dāng)氣化條件改變時(shí)，假設(shè)動(dòng)力學(xué)參數(shù)不變。這樣的處理方式加大了模型誤差。熱化學(xué)平衡模型是基于物料平衡、能量平衡和化學(xué)平衡建立的生物質(zhì)氣化計(jì)算模型。其假定氣化過程中的多個(gè)反應(yīng)在離開氣化反應(yīng)器時(shí)都達(dá)到了化學(xué)平衡狀態(tài)，利用該模型可以預(yù)測(cè)不同生物質(zhì)在不同氣化劑溫度和水分含量下的合成燃?xì)獬煞?、熱值、氣化效率、燃?xì)猱a(chǎn)率等氣化指標(biāo)。如蔣受寶等[15]建立了熱化學(xué)模型，得到氣化劑溫度、水蒸汽添加率與燃?xì)獬煞?、熱值、氣化效率等的關(guān)系。本文以熱化學(xué)模型為基礎(chǔ)，計(jì)算燃?xì)饨M分及氣化指標(biāo)。

1.1　熱化學(xué)平衡原理

熱化學(xué)平衡模型認(rèn)為氣化過程中所有的化學(xué)反應(yīng)都達(dá)到平衡，考慮對(duì)最終產(chǎn)氣組成起到關(guān)鍵作用的氧化還原反應(yīng)、水煤氣反應(yīng)、甲烷化反應(yīng)、變換反應(yīng)等化學(xué)反應(yīng)過程，通過對(duì)氣化過程的質(zhì)量平衡、能量平衡和化學(xué)平衡分析建模，從而求解得出反應(yīng)平衡時(shí)的氣化氣的組成成分、平衡溫度等指標(biāo)。模型假設(shè)如下：

1) 假定生物質(zhì)氣化氣的成分為H2、CO、CO2、H2O、CH4、H2S、O2、N2和焦油，焦油分子式假設(shè)為C6H6，它們都是理想氣體；

2) 氣化反應(yīng)在1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓(101 kPa)下進(jìn)行，空氣組成簡(jiǎn)化為21%O2、79%N2；

3) 氣化反應(yīng)時(shí)碳不能完全轉(zhuǎn)化，參與反應(yīng)的碳最終以CO、CO2、CH4和C6H6的形式進(jìn)入氣化氣中，未轉(zhuǎn)化的碳進(jìn)入灰渣中；

4) 假設(shè)生物質(zhì)中的氮全都參與到反應(yīng)中，并最終全部生成N2，與空氣中的N2一起混入氣態(tài)產(chǎn)物中，S的含量極少，假設(shè)所有的S都反應(yīng)生成H2S；

5) 假設(shè)生物質(zhì)中其他可燃元素不影響氣化過程，其燃燒產(chǎn)物不影響氣化產(chǎn)物的組成而直接進(jìn)入灰分中，氣化產(chǎn)生的氣體的排放均勻穩(wěn)定。

1.2　模型的建立過程

典型的生物質(zhì)化學(xué)式可表示為CHaObNcSd，根據(jù)前文假設(shè)，氣化過程的總反應(yīng)式為

(1)

式中：xi(i=1,2，…，5)為1 mol生物質(zhì)氣化后的各種氣體組分的摩爾數(shù)；m為氣化劑當(dāng)量比 (equivalence ratio,ER)的函數(shù)；w為1 mol生物質(zhì)所含水分的摩爾數(shù)。

1.2.1氣化過程物質(zhì)平衡

實(shí)際氣化過程中，碳的轉(zhuǎn)化率不能達(dá)到100%，總有一部分碳在灰中或者沒有氣化而隨著氣化劑流出氣化爐，用ηC表示碳轉(zhuǎn)化率。

由總的化學(xué)反應(yīng)方程式(1)可得到以下的元素守恒方程：

1) C守恒方程。

x2+x3+x5=1×ηC/100

(2)

未反應(yīng)碳的30%轉(zhuǎn)化為焦油：

6x9=30%(1-ηC)

(3)

2) H守恒方程。

2x1+2x4+4x5+2x8+6x9=a+2w

(4)

3) O守恒方程。

x2+2x3+x4+2x7=w+b+2m

(5)

4) N守恒方程。

2x6=c+7.52m

(6)

5) S守恒方程。

x8=d

(7)

1.2.2氣化反應(yīng)的化學(xué)平衡

考慮氣化過程中發(fā)生的主要反應(yīng)為：

1) 氧化反應(yīng)，C+O2=CO2；

2) 還原反應(yīng)，C+CO2=2CO；

3) 變換反應(yīng)，CO+H2O=CO2+H2；

4) 甲烷化反應(yīng)，C+2H2=CH4；

5) 水煤氣反應(yīng)，C+H2O=CO+H2。

以上5個(gè)反應(yīng)中，氧化反應(yīng)、還原反應(yīng)、水煤氣反應(yīng)和甲烷化反應(yīng)是獨(dú)立反應(yīng)，而變換反應(yīng)可看成是水煤氣反應(yīng)和還原反應(yīng)的疊加復(fù)合反應(yīng)[16]。氧化反應(yīng)被認(rèn)為是極快完成的，所以選取變換反應(yīng)和甲烷化反應(yīng)這2個(gè)獨(dú)立反應(yīng)作為化學(xué)平衡計(jì)算的基礎(chǔ)，即有

氣化反應(yīng)和大多數(shù)化學(xué)反應(yīng)一樣，在原始物料之間進(jìn)行正反應(yīng)的同時(shí)，反應(yīng)生成物之間在反應(yīng)條件下也存在不同程度的逆反應(yīng)。由于平衡模型假定所有的反應(yīng)處于熱力學(xué)平衡狀態(tài)，因此可得到下面的方程：

對(duì)于一個(gè)確定的反應(yīng)，平衡常數(shù)K1、K2都是溫度的函數(shù)，在此選取經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)計(jì)算K1、K2，計(jì)算公式為

(12)

式中T為K氏溫度。

1.2.3氣化過程的熱量平衡

為分析氣化過程中的能量轉(zhuǎn)化情況，需要分析氣化過程的熱量平衡，建立熱平衡方程。考慮到氣化爐本身的散熱損失，在此引入反應(yīng)氣化爐性能的參數(shù)氣化效率，其定義為

(13)

根據(jù)能量守恒，系統(tǒng)輸入總能量等于輸出總能量，即有

(14)

式中：Qi=Qi1+Qi2，Qi1為生物質(zhì)原料的化學(xué)熱，Qi2為氣化劑的顯熱，與氣化劑入爐溫度有關(guān)；Qo=Qo1+Qo2，Qo1為生物質(zhì)氣化生成燃?xì)獾幕瘜W(xué)熱，與燃?xì)饨M分有關(guān)，Qo2為生物質(zhì)氣化燃?xì)獾娘@熱，與氣化溫度相關(guān)。

式中：LHV為生物質(zhì)原料低位發(fā)熱量；Cp,kq為氣化劑定壓比熱；m′為氣化劑質(zhì)量；ΔT′為氣化劑溫度與環(huán)境溫度的差值；LHVi為各燃?xì)饨M分的熱值，通過查表得出；Cp,i為燃?xì)飧鹘M分的定壓比熱容，可通過查表得出；mi為產(chǎn)生的燃?xì)獾馁|(zhì)量；ΔT為燃?xì)馀c環(huán)境溫度的差值。

得出氣化效率如下：

(19)

2　模型計(jì)算

2.1　不同種類生物質(zhì)分子式的計(jì)算

對(duì)于1 mol的生物質(zhì)CHaObNcSd有

(20)

式中MC、MH、MO、MN、MS分別是生物質(zhì)原料的C、H、O、N、S的元素分析值。

2.2　氣化過程氧氣量的計(jì)算

根據(jù)碳和氫氣完全燃燒的化學(xué)方程式，1 mol生物質(zhì)CHaObNcSd完全燃燒需要的O2量為(1+0.25a-0.5b)mol，其中0.5b是1 mol CHaObNcSd中所含有氧的摩爾數(shù)，所以實(shí)際氣化過程的氧氣摩爾數(shù)為

m=(1+0.25a-0.5b)ER×85%

(21)

式中ER為氣化劑當(dāng)量比。此處使用空氣作為氣化劑，ER=實(shí)際供給的空氣/完全燃燒的理論空氣量，通入氧氣量的85%完全參與反應(yīng)，剩下的以O(shè)2的形式隨燃?xì)馀懦觥?/p>

2.3　生物質(zhì)原料濕度計(jì)算

原料濕度為生物質(zhì)中水分含量與生物質(zhì)質(zhì)量的比值：

(22)

所以式(1)中的反應(yīng)物中水的摩爾數(shù)為

(23)

2.4　碳轉(zhuǎn)化率ηC的計(jì)算

相關(guān)論文及實(shí)驗(yàn)表明生物質(zhì)氣化的碳轉(zhuǎn)化率和氣化劑當(dāng)量比是相關(guān)的，因此根據(jù)文獻(xiàn)[17]的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合出碳轉(zhuǎn)化率和氣化劑當(dāng)量比的關(guān)系：

(24)

2.5　氣化反應(yīng)溫度的計(jì)算

對(duì)于不依靠外界供熱的氣化裝置，它的氣化反應(yīng)溫度與通入的氣化劑的量相關(guān)，即氣化溫度與氣化劑當(dāng)量比有關(guān)，因此在求解物質(zhì)平衡和熱量平衡的方程組計(jì)算燃?xì)饨M分的同時(shí)可以求出氣化反應(yīng)溫度T。

2.6　模型求解流程

設(shè)定合適的溫度取值范圍，采用Visual Basic程序編程迭代甲烷摩爾量以確定反應(yīng)程度，通過熱平衡法與質(zhì)量守恒方程計(jì)算各類生物質(zhì)在不同物

料濕度、氣化劑當(dāng)量比下，生物質(zhì)氣化氣的組成成分及氣化指標(biāo)，模型計(jì)算流程如圖1所示。

圖1　氣化模型計(jì)算流程圖Fig.1　Flow chart of gasification model calculation

3　計(jì)算結(jié)果

實(shí)驗(yàn)測(cè)得了6種實(shí)際可用生物質(zhì)的工業(yè)分析與元素分析，生物質(zhì)樣化驗(yàn)結(jié)果如表1所示。將6種生物質(zhì)按照等比例混合作為入爐生物質(zhì)燃料，通過氣化模型，計(jì)算出不同水分、不同氣化劑當(dāng)量比下氣化結(jié)果及各指標(biāo)的變化規(guī)律。

表1　生物質(zhì)樣化驗(yàn)結(jié)果Table 1　Testresults of biomass samples

圖2、3反映了在不同氣化劑當(dāng)量比條件下燃?xì)饨M分及氣化指標(biāo)的變化情況,本文中濃度測(cè)定是按照標(biāo)準(zhǔn)立方體積換算得來(lái)的。由圖可知，在其他條件不變時(shí)，氣化劑當(dāng)量比越大，氣化產(chǎn)率和氣化效率越高，燃?xì)鉄嶂翟降?。從具體燃?xì)饨M分來(lái)看，氣化劑當(dāng)量比越大，N2和O2、CO2占比增大，H2和CO的占比減小，CH4的比例先升高后下降。這是由于氣化劑當(dāng)量比增大，進(jìn)入氣化爐的N2和O2增多，N2在氣化爐中不發(fā)生反應(yīng)，隨燃?xì)馀懦?，O2增多可促使碳的氧化反應(yīng)更充分，生成更多的碳氧化物。從燃?xì)鉄嶂档慕嵌瓤紤]，氣化劑當(dāng)量比盡量取小，但于能量轉(zhuǎn)化的角度而言，氣化劑當(dāng)量比越大，生物質(zhì)能量轉(zhuǎn)化為燃?xì)饽芰坎糠衷蕉?，生物質(zhì)能量利用率越高。故在實(shí)際運(yùn)行時(shí)，根據(jù)不同目標(biāo)函數(shù)選取不同的氣化劑當(dāng)量比。

圖4、5反映了不同水分條件下燃?xì)饨M分及氣化指標(biāo)的變化情況。就燃?xì)饨M分而言，水分升高，H2、CO2和H2O的比例升高，CO、O2、N2和焦油的比例下降，CH4的比例先升高后下降。水分升高，燃?xì)鉄嶂岛蜌饣氏陆?，氣化產(chǎn)率升高。一般情況下，氣體燃料熱值越高，鍋爐對(duì)其利用效率越高，這是由于燃料熱值越高，爐膛燃燒溫度越高，鍋爐效率越高，故從鍋爐效率方面考慮，生物質(zhì)水分越低越好。生物質(zhì)進(jìn)入氣化爐前，可采用烘干、圧縮成形等方式減少生物質(zhì)水分含量，提高燃?xì)鉄嶂怠?/p>

圖2　不同氣化劑當(dāng)量比下燃?xì)饨M分Fig.2　Gas composition under different gasifying agent equivalence ratios

圖3　不同氣化劑當(dāng)量比下氣化指標(biāo)Fig.3　Gasification index of different gasifying agent equivalence ratios

圖4　不同水分下燃?xì)饨M分Fig.4　Gas composition under different moisture contents

圖5　不同水分下氣化指標(biāo)Fig.5　Gasification index under different moisture contents

4　結(jié)論

本文將6種實(shí)際生物質(zhì)燃料混合作為入爐生物質(zhì)燃料，基于質(zhì)量、能量和化學(xué)平衡建立生物質(zhì)氣化模型，并根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)對(duì)氣化模型進(jìn)行修正，對(duì)不同水分、不同氣化劑當(dāng)量比下氣化結(jié)果及各指標(biāo)的變化規(guī)律進(jìn)行分析。結(jié)果表明：

1) 在其他條件不變時(shí)，氣化劑當(dāng)量比越大，氣化產(chǎn)率和氣化效率越高，燃?xì)鉄嶂翟降汀?/p>

2) 水分越高，燃?xì)鉄嶂岛蜌饣试降?，氣化產(chǎn)率越高，從鍋爐效率方面考慮，生物質(zhì)水分越低越好。生物質(zhì)進(jìn)入氣化爐前，應(yīng)減少生物質(zhì)水分含量以提高燃?xì)鉄嶂怠?/p>

3) 從燃?xì)鉄嶂档慕嵌瓤紤]，氣化劑當(dāng)量比和水分盡量取??；但于能量轉(zhuǎn)化的角度而言，氣化劑當(dāng)量比越大，生物質(zhì)能量轉(zhuǎn)化為燃?xì)饽芰坎糠衷蕉?，生物質(zhì)能量利用率越高。故在實(shí)際運(yùn)行時(shí)，根據(jù)不同目標(biāo)函數(shù)選取不同的氣化劑當(dāng)量比。

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向　鵬