程相文，劉麗智

（華北理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，河北唐山063210）

　　摘要：為研究下吸式固定床氣化爐內(nèi)多相反應(yīng)流場(chǎng)的詳細(xì)信息及工藝參數(shù)對(duì)氣化過(guò)程的影響，采用Fluent軟件對(duì)其進(jìn)行二維數(shù)值模擬，在Lagrangian坐標(biāo)系下采用隨機(jī)軌道模型追蹤秸稈顆粒運(yùn)動(dòng)，基于P1模型模擬氣化過(guò)程的輻射傳熱過(guò)程。結(jié)果表明：空氣當(dāng)量比在0.28~0.30之間時(shí)氣化效果最佳；空氣當(dāng)量比小于0.28時(shí)，由于O2含量少，會(huì)出現(xiàn)揮發(fā)分燃燒不完全?爐內(nèi)溫度較低的現(xiàn)象；空氣當(dāng)量比大于0.30時(shí)，揮發(fā)分與焦炭燃燒完全，但過(guò)多的O2會(huì)稀釋可燃?xì)怏w；S/B（水蒸汽/秸稈質(zhì)量比）小于0.25時(shí)，處于水煤氣反應(yīng)速率的增加階段，CO隨S/B值的增加而增加；S/B大于0.25時(shí)，由于溫度過(guò)低，使得水煤氣反應(yīng)的反應(yīng)速率開(kāi)始下降，氣化爐內(nèi)CO含量隨S/B值的增加呈下降趨勢(shì)。

　　0引言

　　我國(guó)秸稈能源豐富，據(jù)調(diào)查研究數(shù)據(jù)顯示我國(guó)每年的秸稈農(nóng)作物廢棄物有十億噸，實(shí)施秸稈清潔能源利用工程，對(duì)于促進(jìn)能源系統(tǒng)的轉(zhuǎn)型具有重要的現(xiàn)實(shí)意義[1]，而加快清潔能源工程建設(shè)是一個(gè)十分重要的研究課題。固定床秸稈氣化爐在我國(guó)的應(yīng)用較為廣泛，其中固定床下吸式氣化爐操作方便且具有良好的工作穩(wěn)定性[2]，但在使用過(guò)程中，仍然需要解決系統(tǒng)效率低的問(wèn)題[3]。秸稈熱解氣化反應(yīng)十分復(fù)雜，采用數(shù)值模擬方法既可以很容易地獲得流場(chǎng)中的數(shù)據(jù)，又可以引導(dǎo)實(shí)驗(yàn)測(cè)量[4-5]。Fluent軟件主要用于分析流體流動(dòng)與傳熱特性等，能夠快速準(zhǔn)確地得到模擬結(jié)果[6-7]。但目前很少有人利用Fluent軟件對(duì)秸稈的燃燒和氣化進(jìn)行動(dòng)力學(xué)模擬分析。本文采用該軟件，對(duì)下吸式秸稈氣化爐進(jìn)行流場(chǎng)分析。

　　1模型的建立

　　本文模擬研究的氣化爐二維模型如圖1所示，該氣化爐模型高度為5m，寬度為3m，距氣化爐底部灰分出口1.2m處均勻分布有25個(gè)大小相等的圓形出氣孔。

　　氣化劑通過(guò)上部進(jìn)氣口進(jìn)入氣化爐內(nèi)部，秸稈顆粒從氣化爐頂部秸稈顆粒入口進(jìn)入，在高溫下發(fā)生干燥?熱解以及氧化還原反應(yīng)。產(chǎn)出的燃?xì)鈴臍饣癄t下方出氣孔排出，灰分及殘?jiān)鼜幕曳殖隹谂懦觥；曳殖隹谖挥诔鰵饪紫虏?，該設(shè)計(jì)可以減少燃?xì)庵械幕曳趾浚鸬絻艋細(xì)獾淖饔谩?/span>

　　本文基于Fluent軟件，在Lagrangian坐標(biāo)系下采用隨機(jī)軌道模型追蹤秸稈顆粒運(yùn)動(dòng)，基于P1模型模擬氣化過(guò)程的輻射傳熱過(guò)程，采用組分輸運(yùn)模型模擬化學(xué)反應(yīng)，對(duì)上述氣化爐內(nèi)流場(chǎng)特性進(jìn)行分析。

　　2模型計(jì)算結(jié)果分析與優(yōu)化

　　2.1顆粒脫揮發(fā)分模型比較

　　首先在其他條件相同的情況下，選用單步反應(yīng)模型與兩步競(jìng)爭(zhēng)模型模擬秸稈揮發(fā)分析出過(guò)程。圖2為不同熱解模型下溫度等值線(xiàn)云圖。由圖2可知：采用單步反應(yīng)模型相對(duì)于采用兩步競(jìng)爭(zhēng)模型時(shí)溫度最高點(diǎn)靠下，說(shuō)明使用單步反應(yīng)模型時(shí)著火過(guò)程靠后，并且使用單步反應(yīng)模型時(shí)爐體上部溫度分布不均勻，而使用兩步競(jìng)爭(zhēng)模型時(shí)氣化爐內(nèi)的溫度由內(nèi)到外層次分布均勻，更符合實(shí)際工作條件。因此，本文選用兩步競(jìng)爭(zhēng)模型模擬秸稈顆粒揮發(fā)分析出過(guò)程。

　　2.2空氣當(dāng)量比（ER）對(duì)氣化性能的影響

　　圖3為氣化爐內(nèi)的最高溫度和平均溫度隨空氣當(dāng)量比變化圖。由圖3可知：空氣當(dāng)量比小于0.28時(shí)，氣化爐內(nèi)的最高溫度和平均溫度均隨著空氣當(dāng)量比的增加而呈上升趨勢(shì)；當(dāng)空氣當(dāng)量比大于0.28時(shí)，氣化爐內(nèi)的最高溫度和平均溫度均隨空氣當(dāng)量比的增大而呈下降趨勢(shì)。

　　圖4為不同空氣當(dāng)量比值下H2沿爐膛軸向摩爾分?jǐn)?shù)變化圖。由圖4可見(jiàn)：H2沿氣化爐軸線(xiàn)方向的摩爾分?jǐn)?shù)值隨空氣當(dāng)量比的增大而減小，這是由于空氣當(dāng)量比增大，爐內(nèi)的O2含量升高，促進(jìn)了爐內(nèi)2H2+O2→2H2O反應(yīng)的進(jìn)行，消耗大量H2。

　　圖5為不同空氣當(dāng)量比值下CO沿爐膛軸向摩爾分?jǐn)?shù)變化圖。由圖5可知：當(dāng)空氣當(dāng)量比為0.28?0.30時(shí)，CO沿氣化爐軸線(xiàn)方向的摩爾分?jǐn)?shù)值相似且大于其他工況。這是由于O2的增加使得焦炭燃燒更完全，增加了氣體中CO含量，同時(shí)焦炭燃燒反應(yīng)放出大量的熱，促進(jìn)了水煤氣反應(yīng)的反應(yīng)速率，也使得CO含量增加。

　　2.3水蒸氣/秸稈質(zhì)量比（S/B）對(duì)氣化性能的影響

　　水蒸氣/秸稈質(zhì)量比（S/B）是影響氣化爐工作性能的重要參數(shù)，S/B分別取0.21?0.23?0.25?0.27?0.29五種工況，氣化爐內(nèi)的最高溫度與平均溫度隨S/B變化趨勢(shì)如圖6所示。由圖6可知：氣化爐內(nèi)的最高溫度與平均溫度隨S/B的增大而減小。這是由于氣化爐內(nèi)水蒸氣增加后，促進(jìn)水煤氣置換反應(yīng)的進(jìn)行，該反應(yīng)為吸熱反應(yīng)，反應(yīng)速率加快，吸收大量熱，導(dǎo)致?tīng)t內(nèi)溫度降低。

　　圖7為不同S/B值下H2沿爐膛軸向摩爾分?jǐn)?shù)變化曲線(xiàn)。由圖7可知：氣化爐內(nèi)H2摩爾分?jǐn)?shù)隨S/B的增加而增加。這主要是由于水煤氣置換反應(yīng)的加快與水受熱分解生成H2反應(yīng)速率的加快造成的。

　　圖8為不同S/B值下CO沿爐膛軸向摩爾分?jǐn)?shù)變化曲線(xiàn)圖。由圖8可知：S/B小于0.25時(shí)，CO摩爾分?jǐn)?shù)隨S/B值的增加而增加，這是由于氣化爐內(nèi)水分含量的增多促進(jìn)了水煤氣置換反應(yīng)的進(jìn)行；S/B值大于0.25時(shí)，CO摩爾分?jǐn)?shù)隨S/B值的增加而減小，這主要是由于水煤氣置換反應(yīng)屬于還原反應(yīng)，反應(yīng)過(guò)程要吸收熱量，氣化爐內(nèi)的溫度過(guò)度降低，導(dǎo)致水煤氣置換反應(yīng)速率不再升高，同時(shí)過(guò)量水蒸氣的加入也稀釋了氣化爐內(nèi)CO的濃度。

　　3結(jié)論

　　通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的分析得出：空氣當(dāng)量比在0.28~0.30之間時(shí)氣化效果最佳；空氣當(dāng)量比小于0.28時(shí)，由于O2含量少，會(huì)出現(xiàn)揮發(fā)分燃燒不完全，爐內(nèi)溫度較低的現(xiàn)象；空氣當(dāng)量比大于0.30時(shí)，揮發(fā)分與焦炭燃燒完全，但過(guò)多的O2會(huì)稀釋可燃?xì)怏w。

　　水蒸氣秸稈質(zhì)量比的增加，會(huì)加快水煤氣置換反應(yīng)的反應(yīng)速率，導(dǎo)致氣化爐內(nèi)的溫度降低。S/B大于0.25時(shí)，由于溫度過(guò)低，使得水煤氣反應(yīng)的反應(yīng)速率開(kāi)始下降，氣化爐內(nèi)CO含量隨S/B值的增加呈下降趨勢(shì)。實(shí)際操作過(guò)程中，通入水蒸氣成本較高，而通入少量的水蒸氣有助于提高爐體內(nèi)可燃?xì)夂俊?/span>