基于組分輸運模型的生物質(zhì)等離子體氣化性能的數(shù)值分析

袁文華 劉俊呈 張愛國

（邵陽學(xué)院 機(jī)械與能源工程學(xué)院，邵陽 422000）

生物質(zhì)氣化是在特定氣化劑環(huán)境下把生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為主要由氫氣和一氧化碳組成的合成氣的技術(shù)，是目前解決能源緊缺問題的重要手段之一[1]。近年來，生物質(zhì)氣化的手段除了傳統(tǒng)的技術(shù)方法以外，還開發(fā)了一些新技術(shù)，如超臨界水氣化、等離子體氣化等[1]。等離子體氣化技術(shù)目前主要用于處理有害垃圾[2]，如含有塑料[3]、污泥[4]、城市固體廢棄物[5]以及醫(yī)療廢棄物[6-7]等，把等離子體技術(shù)用來處理生物質(zhì)的研究還較少[8-9]。目前除了試驗研究以外，生物質(zhì)氣化模擬研究主要用ASPEN PLUS軟件進(jìn)行化工模擬[10-12]。但是，ASPEN PLUS的模擬只是針對結(jié)果，不能對氣化過程中的流體流動進(jìn)行模擬研究。Fluent軟件可以對流體流動的過程進(jìn)行模擬研究。張鵬威等[13]利用Fluent軟件模擬了生物質(zhì)-水蒸氣氣化過程。張映[14]使用Fluent軟件模擬了一種新型生物質(zhì)氣化爐的冷態(tài)流場和熱態(tài)氣化過程。

本研究基于Fluent軟件中的組分輸運模型，建立生物質(zhì)等離子體固定床氣化動力學(xué)模型，探討不同工作氣體流速與水蒸氣流速比（Vn2/Vsteam）對殘?zhí)忌煞植肌2生成分布、溫度分布以及H2摩爾分?jǐn)?shù)的影響，為完善生物質(zhì)等離子體氣化過程提供理論依據(jù)。在水蒸氣和氮氣的混合氣氛的使用中，水蒸氣做氣化劑可以提高合成氣中的H2含量。氮氣做等離子體工作氣體，可以有效構(gòu)建無氧環(huán)境，有效減少碳氧化物的生成，為今后開展相關(guān)研究提供了新思路。

1 模型建立

1.1 數(shù)學(xué)模型

1.1.1 動力學(xué)模型

生物質(zhì)氣化過程的計算流體力學(xué)模型的基本方程由質(zhì)量、動量、能量以及組分運輸守恒方程組成[15]：

式中：為密度，單位為kg·m-3；t為時間，單位為s；為瞬時速度，單位為m·s-1；P為氣體組分壓強，單位為Pa；μ為流體流動粘度，單位為Pa·s；H為流體比焓，單位為J·kg-1；T為溫度，單位為K；λ為流體的導(dǎo)熱系數(shù)，單位為W·m-1·K-1；Yf為組分f的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；D為組分f的擴(kuò)散系數(shù)；Rf為單位容積內(nèi)組分f的生產(chǎn)率，單位為kg·s-1·m-3；Sp為源項，單位為 N·m-3；SH為源項，單位為 J·s-1·m-3；SY為源項，單位為 kg·s-1·m-3。

1.1.2 化學(xué)反應(yīng)模型

生物質(zhì)氣化反應(yīng)是一個非常復(fù)雜的熱化學(xué)反應(yīng)過程，普遍認(rèn)為整個過程包含干燥、熱解、氧化和還原4個過程。這4個過程并非完全獨立[16]。通常，氣化劑包括空氣、O2、水蒸氣或CO2中的一種或者幾種。本文僅采用水蒸氣為氣化劑，所以整個環(huán)境幾乎沒有O2存在，可以不用考慮生物質(zhì)及其分解成分與O2的反應(yīng)。由于水蒸氣作為氣化劑，為了簡化反應(yīng)過程，主要考慮以下反應(yīng)：

生物質(zhì)→揮發(fā)分+固定碳

1.2 反應(yīng)器結(jié)構(gòu)

本研究對象為固定床下吸式等離子體氣化爐，如圖1所示。該研究對象使用的氣化劑為水蒸氣，由水蒸氣進(jìn)口進(jìn)入氣化爐。等離子體工作氣體為惰性氣體——氮氣，其進(jìn)氣口與水蒸氣進(jìn)氣口對稱布置，且大小相等。生物質(zhì)顆粒從氣化爐頂部進(jìn)入。本模型使用玉米秸稈顆粒作為考察對象，其受重力作用自由下落。產(chǎn)生的合成氣從氣化爐下部排出，本文不考察灰分的影響。

圖1 等離子體氣化爐模型

1.3 邊界條件和求解器的設(shè)置

1.3.1 邊界條件

進(jìn)口均為速度入口，水蒸氣進(jìn)口速度為5 m·s-1，等離子體工作氣體進(jìn)口速度為1.5～6.0 m·s-1。出口壓強為101 325 Pa，環(huán)境溫度為300 K，水蒸氣溫度為800 K。生物質(zhì)進(jìn)口顆粒簡化為統(tǒng)一大小，為0.015 m，進(jìn)料量為0.5 kg·s-1。

1.3.2 求解器設(shè)置

壓力和速度的耦合采用SIMPLE算法，近壁面均設(shè)置為無滑移靜止壁面，壓力插值格式為Standard，物料模型采用組分輸運模型，輻射模型采用P1模型，湍流模型采用Realizable k-epsilon模型。

2 Vn2/Vsteam對生物質(zhì)等離子體氣化的影響

2.1 Vn2/Vsteam對出口殘?zhí)嫉挠绊懛治?/h3>

以氣化劑進(jìn)口和等離子體工作氣體進(jìn)口水平線所在截面為分析對象。圖2是不同Vn2/Vsteam下殘?zhí)嫉臐舛确植肌？梢钥闯觯琕n2/Vsteam為0.3～0.6時，在合成氣出口處有殘?zhí)汲霈F(xiàn)；Vn2/Vsteam為0.7～1.2時，出口處沒有殘?zhí)肌Ｓ捎诖藲饣癄t水蒸氣進(jìn)口與工作氣體進(jìn)口對稱布置，所以兩種氣體在氣化爐對稱中心處相撞，出現(xiàn)氣流的抬升作用，使得隨重力作用自由下落的生物質(zhì)顆粒在氣體相撞處停留時間加長，從而使生物質(zhì)顆粒完全分解成揮發(fā)分。當(dāng)流速比在0.3～0.6時，氣流相撞產(chǎn)生的抬升作用較小，生物質(zhì)顆粒的停留時間較短，生物質(zhì)顆粒未完全分解為揮發(fā)分，剩余的殘?zhí)碱w粒會在重力作用下到合成氣出口處；當(dāng)流速比大于0.6時，氣流相撞產(chǎn)生的抬升作用明顯加強，生物質(zhì)顆粒的停留時間增加，生物質(zhì)顆粒在到達(dá)合成氣出口前就被完全分解為揮發(fā)分。合成氣中出現(xiàn)殘?zhí)疾粌H會降低氣化效率，還會使在收集合成氣時增加處理費用。

圖2 不同Vn2/Vsteam下殘?zhí)嫉臐舛确植?/p>

2.2 Vn2/Vsteam對H2濃度在爐內(nèi)分布的影響

CO+H2O→CO2+H2反應(yīng)是吸熱反應(yīng)，溫度對H2的生成有很大影響。圖3是不同Vn2/Vsteam下H2的濃度分布。可以看出，當(dāng)Vn2/Vsteam為0.3時，H2主要在水蒸氣氣流上部偏等離子體發(fā)生器一側(cè)產(chǎn)生，爐內(nèi)其余空間較均勻產(chǎn)生了小部分H2。這是由于Vn2/Vsteam為0.3時，水蒸氣流速遠(yuǎn)大于工作氣體流速，使得生物質(zhì)顆粒停留在氣流上方偏等離子體發(fā)生器的一側(cè)。同時，由于工作氣體流速較慢，爐內(nèi)其余空間溫度沒有氣流相撞處高，所以H2在溫度高處主要生成，故爐內(nèi)其余空間H2產(chǎn)生較少。當(dāng)流速比為0.4～0.6時，H2主要產(chǎn)生在等離子體發(fā)生器一側(cè)。這是由于水蒸氣流速大于工作氣體流速，等離子體工作氣體在這一側(cè)積聚，使得這一側(cè)的溫度高于爐內(nèi)其余空間。此時的工作氣體流速比在0.3時增加，使得爐內(nèi)下部空間的溫度增加，所以爐內(nèi)其余空間的H2濃度也有所增加。當(dāng)Vn2/Vsteam為0.7～0.8時，H2主要在爐內(nèi)中部偏水蒸氣進(jìn)口一側(cè)產(chǎn)生。這是由于水蒸氣流速與工作氣體流速相差不大，溫度在爐內(nèi)中部積聚，且工作氣體氣流不會被水蒸氣氣流沖散。隨著氣流碰撞及慣性的作用，工作氣體會成一股完整的氣流向爐體下部偏水蒸氣進(jìn)口的一側(cè)流動，所以H2的濃度在氣流碰撞處及工作氣體氣流中高于爐內(nèi)其余空間。當(dāng)Vn2/Vsteam為0.9～1.2時，H2主要在水蒸氣進(jìn)口一側(cè)產(chǎn)生。這是由于此時工作氣體流速已經(jīng)接近甚至高于水蒸氣流速，導(dǎo)致工作氣體的能量大于水蒸氣，所以工作氣體會沖向水蒸氣進(jìn)口一側(cè)，此時溫度會在這一側(cè)積聚，所以這一側(cè)H2濃度高于其余地方。

圖3 不同Vn2/Vsteam下H2的濃度分布

2.3 Vn2/Vsteam對H2摩爾分?jǐn)?shù)和溫度的影響

圖4是H2摩爾分?jǐn)?shù)和溫度在不同流速比下的變化趨勢。可以看出，隨著Vn2/Vsteam的增加，H2摩爾分?jǐn)?shù)和溫度都呈上升趨勢。其中：當(dāng)Vn2/Vsteam為0.2～0.4時，H2摩爾分?jǐn)?shù)略有上升，因為隨著工作氣體流速增加，爐內(nèi)溫度升高，但這時的溫度不能促進(jìn)CO+H2O→CO2+H2反應(yīng)正向進(jìn)行，所以H2濃度變化不大；當(dāng)Vn2/Vsteam從0.4增加到0.8時，H2摩爾分?jǐn)?shù)從0.001增加到0.014，此時溫度也從1 100 K左右增加到1 400 K左右，隨著工作氣體流速的增加，爐內(nèi)溫度提高，使得CO+H2O→CO2+H2反應(yīng)正向進(jìn)行，H2的濃度急劇增加；當(dāng)Vn2/Vsteam為0.8～1.2時，溫度從1 400 K左右增加到1 550 K左右，而H2濃度從0.014增加到0.018，可以看出此時溫度對反應(yīng)的影響已不大。

圖4 Vn2/Vsteam與H2摩爾分?jǐn)?shù)和溫度的關(guān)系

3 結(jié)語

本文研究了等離子體工作氣體進(jìn)口和氣化劑進(jìn)口水平對稱布置時，Vn2/Vsteam對生物質(zhì)等離子體氣化過程的影響：

（1）Vn2/Vsteam對殘?zhí)忌煞矫妫?dāng)流速比大于0.6時，生物質(zhì)基本全被分解為揮發(fā)分；

（2）Vn2/Vsteam對H2在爐內(nèi)生成分布方面有較大影響，如Vn2/Vsteam為0.3～0.6時，H2主要在等離子體發(fā)生器一側(cè)產(chǎn)生；Vn2/Vsteam為0.9～1.2時，H2主要在氣化劑進(jìn)口一側(cè)產(chǎn)生；Vn2/Vsteam為0.7～0.8時，H2主要在爐體中部產(chǎn)生；

（3）Vn2/Vsteam對H2濃度和爐內(nèi)溫度的影響方面，當(dāng)Vn2/Vsteam從0.4上升到0.8時，H2摩爾分?jǐn)?shù)從0.001上升到0.014。