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2008年8月农机化研究第8期

上吸式生物质汽化炉的建模和模拟

车丽娜，王维新，李鹏

(石河子大学a．机械电气工程学院；b．教务处，新疆石河子832003)

摘要：在生物质热解规律研究的基础上，建立了上吸式生物质汽化炉的数学模型。该模型充分考虑了炉内主
要的物理和化学反应过程及其交互作用。通过对汽化炉内生物质高温分解、燃烧、还原和干燥等汽化过程进行
模拟计算，得出炉层高度对燃气成分和炉内混合物温度的影响规律，为模型的进一步优化提供了理论依据。
关键词：生物质气化；上吸式气化炉；建模；模拟
中图分类号：S126文献标识码：A文章编号：1003—188X(2008)08—0055—02

反应1：C+CO，+-~2C0(一172600J／mol，)
0引言
反应2：C+H20¨CO+H2(一131400J／mo1)
生物质汽化是以生物质为原料，以氧气(空气、富反应3：C+2H2+-~CH4(+75000．J／mo1)
氧或纯氧)、水蒸气或氢气等作为汽化剂，在高温条件反应4：CH4+H2O¨CO+3H2(-206400J／mo1)
下通过热化学反应将生物质转化为可燃气的过程。这个模型假定了一个统一的交错组合区域及在
上吸式生物质汽化炉是目前适宜户用的小型生物质床和气体中可以忽略放射性变异的圆柱形汽化器。
汽化设备。上吸式汽化炉的主要特征是气体的流动根据摩尔能量的平衡规律推出如下的方程式(在这里
方向与物料的运动方向相反。清楚地了解汽化过程考虑的物质有N、cO、CO,CH、H0和H)：
中化学和物理变化及其之间的交互作用，是实现生物
质汽化炉最佳设计非常重要的一个基础J。本文通警=(一)(1)
过建立汽化炉数学模型，并进行模拟计算，来预测在dT
=一；一一pdv一~．Rxcx
稳定的操作下上吸式汽化炉所产的气体中混合物的

成分与炉内混合物的温度随炉层高度的变化规律。、(2)
1建模d1，∑nxCx∑R∑r△H

1。1模型假设出∑nxC+nRn
对汽化炉数学模型做了以下假设：一是该模型建
立在上吸式生物质汽化炉还原区稳定操作的基础上；)(号+)一cx)(3)
二是该模型假定进入空气中的所有氧气都被燃烧成式中一表示物质N、cO、CO、CH、H20或H；
CO和完全裂解的高温分解产物；三是以焦碳形式存c一摩尔热容(J／mol·K)；
在的固态碳被假定呈现在整个还原区；四是整个模型nx—物质的摩尔密度(m0l／／m)；

模拟处于稳定汽化状态，炉内各种参数不随时间变化一临界汽化速率(m／s)；
而变化。卜温度(K)；
1_2模型方程z一轴向距离(m)；
由于径向扩散远远大于轴向扩散，且炉内对流传R—物质合成速度(m0l／／m·S)；

热远远大于辐射传热，故忽略轴向扩散以及辐射传一
￡反应速度(m0l／／m·S)；
热。该模型应用如下的反应方案：
n一所有物质的的总和；
R一气体常数(J／mol·K)。
收稿日期：2oo7一i0—24
作者简介：车丽娜(1982一)，女，山东菏泽人，在读硕士，(E—mail)Qw=∑riQw(4)
[e-mail]。
—式中r一气体燃料的体积成分；
通讯作者：王维新(1958一)，男，山东潍坊人，教授，硕士生导师，(E—
mm1)wwx—[e-mail]。Q—燃气热值。

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1．3初始化条件果和试验数据，作出沿轴向的气相温度和固相温
空气汽化时，虽然得到的产气热值较低，但考虑度的变化曲线，如图2所示。
到其设备相对简单、容易得到、成本较低且安全易控
制，故该模型模拟中采用空气作为汽化剂。在该模型
中的初始场所是还原区的顶部和氧化区的底部。气
体来自氧化区，是热解气体、不具有燃烧性的CO和
惰性N的混合物。这些成分中每一种物质确切的比
例还依赖于空气流人汽化器的速度。进入汽化器的
空气是N，和0，的混合物。假定进入的空气中所有
0都参加反应，而剩余的N不参加任何反应。典型
的生物质热解产物被假设裂解成等量的CO、CH和
H，0。模型最初的温度、压力和反应速度将是从氧化
区出来的气体的温度、压力和反应速度。在模拟中应0．(『l(J．(J(J．]00．00．{jfJ．400．cJ
用0．1005MPa的压力，并经过核实确定出口处的压力床层高度Z／m
图2炉层高度对炉内混合物温度的影响
在大气压之上。通过模型预测气体混合物以及炉内
从图2可以看出，气相温度和固相温度变化
混合物的温度随着炉层高度的变化规律。
趋势和大小基本吻合，证明了所建的数学模型基本上
2模拟计算结果及分析能反映秸秆固定床汽化的实际状况。

利用上述建立的数学模型，以谷壳作燃料为例进3结论
行计算，得到炉子出口处的燃气成分。燃气中0·、
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