基于組分輸運模型的生物質等離子體氣化性能的數值分析

袁文華 劉俊呈 張愛國

（邵陽學院 機械與能源工程學院，邵陽 422000）

生物質氣化是在特定氣化劑環境下把生物質轉化為主要由氫氣和一氧化碳組成的合成氣的技術，是目前解決能源緊缺問題的重要手段之一[1]。近年來，生物質氣化的手段除了傳統的技術方法以外，還開發了一些新技術，如超臨界水氣化、等離子體氣化等[1]。等離子體氣化技術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]以及醫療廢棄物[6-7]等，把等離子體技術用來處理生物質的研究還較少[8-9]。目前除了試驗研究以外，生物質氣化模擬研究主要用ASPEN PLUS軟件進行化工模擬[10-12]。但是，ASPEN PLUS的模擬只是針對結果，不能對氣化過程中的流體流動進行模擬研究。Fluent軟件可以對流體流動的過程進行模擬研究。張鵬威等[13]利用Fluent軟件模擬了生物質-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氣化爐的冷態流場和熱態氣化過程。

本研究基于Fluent軟件中的組分輸運模型，建立生物質等離子體固定床氣化動力學模型，探討不同工作氣體流速與水蒸氣流速比（Vn2/Vsteam）對殘碳生成分布、H2生成分布、溫度分布以及H2摩爾分數的影響，為完善生物質等離子體氣化過程提供理論依據。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，可以有效構建無氧環境，有效減少碳氧化物的生成，為今后開展相關研究提供了新思路。

1 模型建立

1.1 數學模型

1.1.1 動力學模型

生物質氣化過程的計算流體力學模型的基本方程由質量、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為流體的導熱系數，單位為W·m-1·K-1；Yf為組分f的質量分數；D為組分f的擴散系數；Rf為單位容積內組分f的生產率，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 化學反應模型

生物質氣化反應是一個非常復雜的熱化學反應過程，普遍認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，所以整個環境幾乎沒有O2存在，可以不用考慮生物質及其分解成分與O2的反應。由于水蒸氣作為氣化劑，為了簡化反應過程，主要考慮以下反應：

生物質→揮發分+固定碳

1.2 反應器結構

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，由水蒸氣進口進入氣化爐。等離子體工作氣體為惰性氣體——氮氣，其進氣口與水蒸氣進氣口對稱布置，且大小相等。生物質顆粒從氣化爐頂部進入。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置

1.3.1 邊界條件

進口均為速度入口，水蒸氣進口速度為5 m·s-1，等離子體工作氣體進口速度為1.5～6.0 m·s-1。出口壓強為101 325 Pa，環境溫度為300 K，水蒸氣溫度為800 K。生物質進口顆粒簡化為統一大小，為0.015 m，進料量為0.5 kg·s-1。

1.3.2 求解器設置

壓力和速度的耦合采用SIMPLE算法，近壁面均設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對生物質等離子體氣化的影響

2.1 Vn2/Vsteam對出口殘碳的影響分析

以氣化劑進口和等離子體工作氣體進口水平線所在截面為分析對象。圖2是不同Vn2/Vsteam下殘碳的濃度分布。可以看出，Vn2/Vsteam為0.3～0.6時，在合成氣出口處有殘碳出現；Vn2/Vsteam為0.7～1.2時，出口處沒有殘碳。由于此氣化爐水蒸氣進口與工作氣體進口對稱布置，所以兩種氣體在氣化爐對稱中心處相撞，出現氣流的抬升作用，使得隨重力作用自由下落的生物質顆粒在氣體相撞處停留時間加長，從而使生物質顆粒完全分解成揮發分。當流速比在0.3～0.6時，氣流相撞產生的抬升作用較小，生物質顆粒的停留時間較短，生物質顆粒未完全分解為揮發分，剩余的殘碳顆粒會在重力作用下到合成氣出口處；當流速比大于0.6時，氣流相撞產生的抬升作用明顯加強，生物質顆粒的停留時間增加，生物質顆粒在到達合成氣出口前就被完全分解為揮發分。合成氣中出現殘碳不僅會降低氣化效率，還會使在收集合成氣時增加處理費用。

圖2 不同Vn2/Vsteam下殘碳的濃度分布

2.2 Vn2/Vsteam對H2濃度在爐內分布的影響

CO+H2O→CO2+H2反應是吸熱反應，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Vn2/Vsteam為0.3時，H2主要在水蒸氣氣流上部偏等離子體發生器一側產生，爐內其余空間較均勻產生了小部分H2。這是由于Vn2/Vsteam為0.3時，水蒸氣流速遠大于工作氣體流速，使得生物質顆粒停留在氣流上方偏等離子體發生器的一側。同時，由于工作氣體流速較慢，爐內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，故爐內其余空間H2產生較少。當流速比為0.4～0.6時，H2主要產生在等離子體發生器一側。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積聚，使得這一側的溫度高于爐內其余空間。此時的工作氣體流速比在0.3時增加，使得爐內下部空間的溫度增加，所以爐內其余空間的H2濃度也有所增加。當Vn2/Vsteam為0.7～0.8時，H2主要在爐內中部偏水蒸氣進口一側產生。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口的一側流動，所以H2的濃度在氣流碰撞處及工作氣體氣流中高于爐內其余空間。當Vn2/Vsteam為0.9～1.2時，H2主要在水蒸氣進口一側產生。這是由于此時工作氣體流速已經接近甚至高于水蒸氣流速，導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口一側，此時溫度會在這一側積聚，所以這一側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摩爾分數和溫度的影響

圖4是H2摩爾分數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摩爾分數和溫度都呈上升趨勢。其中：當Vn2/Vsteam為0.2～0.4時，H2摩爾分數略有上升，因為隨著工作氣體流速增加，爐內溫度升高，但這時的溫度不能促進CO+H2O→CO2+H2反應正向進行，所以H2濃度變化不大；當Vn2/Vsteam從0.4增加到0.8時，H2摩爾分數從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，爐內溫度提高，使得CO+H2O→CO2+H2反應正向進行，H2的濃度急劇增加；當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的影響已不大。

圖4 Vn2/Vsteam與H2摩爾分數和溫度的關系

3 結語

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

（1）Vn2/Vsteam對殘碳生成方面，當流速比大于0.6時，生物質基本全被分解為揮發分；

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

（3）Vn2/Vsteam對H2濃度和爐內溫度的影響方面，當Vn2/Vsteam從0.4上升到0.8時，H2摩爾分數從0.001上升到0.014。