下吸式秸秆气化炉流场分析

程相文，刘丽智

（华北理工大学机械工程学院，河北唐山063210）

　　摘要：为研究下吸式固定床气化炉内多相反应流场的详细信息及工艺参数对气化过程的影响，采用Fluent软件对其进行二维数值模拟，在Lagrangian坐标系下采用随机轨道模型追踪秸秆颗粒运动，基于P1模型模拟气化过程的辐射传热过程。结果表明：空气当量比在0.28~0.30之间时气化效果最佳；空气当量比小于0.28时，由于O2含量少，会出现挥发分燃烧不完全､炉内温度较低的现象；空气当量比大于0.30时，挥发分与焦炭燃烧完全，但过多的O2会稀释可燃气体；S/B（水蒸汽/秸秆质量比）小于0.25时，处于水煤气反应速率的增加阶段，CO随S/B值的增加而增加；S/B大于0.25时，由于温度过低，使得水煤气反应的反应速率开始下降，气化炉内CO含量随S/B值的增加呈下降趋势。

　　0引言

　　我国秸秆能源丰富，据调查研究数据显示我国每年的秸秆农作物废弃物有十亿吨，实施秸秆清洁能源利用工程，对于促进能源系统的转型具有重要的现实意义[1]，而加快清洁能源工程建设是一个十分重要的研究课题。固定床秸秆气化炉在我国的应用较为广泛，其中固定床下吸式气化炉操作方便且具有良好的工作稳定性[2]，但在使用过程中，仍然需要解决系统效率低的问题[3]。秸秆热解气化反应十分复杂，采用数值模拟方法既可以很容易地获得流场中的数据，又可以引导实验测量[4-5]。Fluent软件主要用于分析流体流动与传热特性等，能够快速准确地得到模拟结果[6-7]。但目前很少有人利用Fluent软件对秸秆的燃烧和气化进行动力学模拟分析。本文采用该软件，对下吸式秸秆气化炉进行流场分析。

　　1模型的建立

　　本文模拟研究的气化炉二维模型如图1所示，该气化炉模型高度为5m，宽度为3m，距气化炉底部灰分出口1.2m处均匀分布有25个大小相等的圆形出气孔。

　　气化剂通过上部进气口进入气化炉内部，秸秆颗粒从气化炉顶部秸秆颗粒入口进入，在高温下发生干燥､热解以及氧化还原反应。产出的燃气从气化炉下方出气孔排出，灰分及残渣从灰分出口排出。灰分出口位于出气孔下部，该设计可以减少燃气中的灰分含量，起到净化燃气的作用。

　　本文基于Fluent软件，在Lagrangian坐标系下采用随机轨道模型追踪秸秆颗粒运动，基于P1模型模拟气化过程的辐射传热过程，采用组分输运模型模拟化学反应，对上述气化炉内流场特性进行分析。

　　2模型计算结果分析与优化

　　2.1颗粒脱挥发分模型比较

　　首先在其他条件相同的情况下，选用单步反应模型与两步竞争模型模拟秸秆挥发分析出过程。图2为不同热解模型下温度等值线云图。由图2可知：采用单步反应模型相对于采用两步竞争模型时温度最高点靠下，说明使用单步反应模型时着火过程靠后，并且使用单步反应模型时炉体上部温度分布不均匀，而使用两步竞争模型时气化炉内的温度由内到外层次分布均匀，更符合实际工作条件。因此，本文选用两步竞争模型模拟秸秆颗粒挥发分析出过程。

　　2.2空气当量比（ER）对气化性能的影响

　　图3为气化炉内的最高温度和平均温度随空气当量比变化图。由图3可知：空气当量比小于0.28时，气化炉内的最高温度和平均温度均随着空气当量比的增加而呈上升趋势；当空气当量比大于0.28时，气化炉内的最高温度和平均温度均随空气当量比的增大而呈下降趋势。

　　图4为不同空气当量比值下H2沿炉膛轴向摩尔分数变化图。由图4可见：H2沿气化炉轴线方向的摩尔分数值随空气当量比的增大而减小，这是由于空气当量比增大，炉内的O2含量升高，促进了炉内2H2+O2→2H2O反应的进行，消耗大量H2。

　　图5为不同空气当量比值下CO沿炉膛轴向摩尔分数变化图。由图5可知：当空气当量比为0.28､0.30时，CO沿气化炉轴线方向的摩尔分数值相似且大于其他工况。这是由于O2的增加使得焦炭燃烧更完全，增加了气体中CO含量，同时焦炭燃烧反应放出大量的热，促进了水煤气反应的反应速率，也使得CO含量增加。

　　2.3水蒸气/秸秆质量比（S/B）对气化性能的影响

　　水蒸气/秸秆质量比（S/B）是影响气化炉工作性能的重要参数，S/B分别取0.21､0.23､0.25､0.27､0.29五种工况，气化炉内的最高温度与平均温度随S/B变化趋势如图6所示。由图6可知：气化炉内的最高温度与平均温度随S/B的增大而减小。这是由于气化炉内水蒸气增加后，促进水煤气置换反应的进行，该反应为吸热反应，反应速率加快，吸收大量热，导致炉内温度降低。

　　图7为不同S/B值下H2沿炉膛轴向摩尔分数变化曲线。由图7可知：气化炉内H2摩尔分数随S/B的增加而增加。这主要是由于水煤气置换反应的加快与水受热分解生成H2反应速率的加快造成的。

　　图8为不同S/B值下CO沿炉膛轴向摩尔分数变化曲线图。由图8可知：S/B小于0.25时，CO摩尔分数随S/B值的增加而增加，这是由于气化炉内水分含量的增多促进了水煤气置换反应的进行；S/B值大于0.25时，CO摩尔分数随S/B值的增加而减小，这主要是由于水煤气置换反应属于还原反应，反应过程要吸收热量，气化炉内的温度过度降低，导致水煤气置换反应速率不再升高，同时过量水蒸气的加入也稀释了气化炉内CO的浓度。

　　3结论

　　通过对数据的分析得出：空气当量比在0.28~0.30之间时气化效果最佳；空气当量比小于0.28时，由于O2含量少，会出现挥发分燃烧不完全，炉内温度较低的现象；空气当量比大于0.30时，挥发分与焦炭燃烧完全，但过多的O2会稀释可燃气体。

　　水蒸气秸秆质量比的增加，会加快水煤气置换反应的反应速率，导致气化炉内的温度降低。S/B大于0.25时，由于温度过低，使得水煤气反应的反应速率开始下降，气化炉内CO含量随S/B值的增加呈下降趋势。实际操作过程中，通入水蒸气成本较高，而通入少量的水蒸气有助于提高炉体内可燃气含量。