玉米秸秆气化特性研究

第３２卷第１期　２０１１年２月　华北水利水电学院学报　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　ＮｏＡｈ　Ｃｈｉｎａ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｗａｔｅｒ　Ｃｏｎｓｅｒｖａｎｃｙ　ａｎｄ　Ｈｙｄｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ　Ｐｏｗｅｒ　Ｖ０１．３２　Ｎｏ．１　Ｆｅｂ．２０１１　

文章编号：１００２—５６３４（２０１１　ＪＯ１—００４６一Ｏ４　

玉米秸秆气化特性研究　

张小桃，黄明华，王爱军，张　燕　

（华北水利水电学院，河南郑州４５００１１）　

摘要：基于ＡｓｐｅｎＰｌｕｓ模拟平台，对含水率分别为１０％，２０％和３０％玉米秸秆气化过程进行模拟．计算了空　燃比在１—２范围内变化时，气化过程的主要性能指标：合成气成分、合成气低位热值、碳转化率和气化效率．　并把气化剂空气温度从２５℃提高到２５０℃对玉米秸秆气化过程进行优化．结果表明：在空燃比小于１．６时，　合成气低位热值和气化效率得到明显提高，大于１．６时，优化前后差别不大．此结论对生物质气化技术提供了　有益的参考．　关键词：玉米秸秆；气化特性；ＡｓｐｅｎＰｌｕｓ软件；过程优化　

随着我国经济的快速发展和农民生活水平的提　高，农作物秸秆不再作为农户的传统燃料和肥料，出　现了大量剩余．为了不误农时，农民在收种季节常常　将农作物秸秆推进河道中或在田野直接焚烧，不仅　污染了河水和空气，而且还严重浪费了宝贵的资　源…．秸秆气化技术的研究是秸秆资源合理利用的　

基础．笔者在建立常压气化炉模型的基础上，基于　ＡｓｐｅｎＰｌｕｓ模拟平台，以温度为２５℃的空气为气化　

剂，对含水率分别为１０％，２０％和３０％时秸秆气化　进行仿真．分析了合成气成分、低位热值、气化效率　

和碳转化率随空燃比（空气质量与生物质质量比）　的变化关系．通过提高气化剂温度来优化气化过程，　提高气化效率．　

１生物质气化　

生物质气化技术是最近几年发展比较迅速的一　

种生物质热化学处理技术，它可将低品位的固体生　物质原料转化为高品位的洁净气体燃料．气化反应　

分为气化物质中挥发分的析出（热解阶段）和残余　焦碳的气化（生成的焦碳气化阶段）两个阶段．　热解过程是生物质在缺氧条件下的热分解过　

程．在加热条件下生物质中的挥发分不断析出，最后　剩余焦炭和灰渣．热分解过程中的产物除了ＣＯ：、　

ＣＯ、ＣＨ　、不饱和芳香烃化合物（像ｃ：Ｈ　和ｃ　Ｈ　），　还有水蒸气、Ｈ　、Ｏ：和Ｎ　．其中Ｈ　、ＣＯ、ＣＨ　和ｃ　Ｈ　

是可燃气体，ＣＯ：和Ｎ　是不可燃气体．　焦炭气化过程发生在氧气富足区域，可以用以　下化学方程式描述：　

氧化反应　２ｃ＋０２－－２Ｃ０　Ｔ，　ｃ＋Ｏ２＝＝Ｃ０２　Ｔ，　２Ｃ０＋０２－－２Ｃ０２　ｔ．　还原反应　ｃ＋ＣＯ２－－２Ｃ０　Ｔ．　甲烷化及气体重整　ｃ＋Ｈ２０一ｃＯ　Ｔ＋Ｈ２　Ｔ，　

ｃ＋２Ｈ２一ＣＨ４下，　ＣＯ＋Ｈ：０＝＝ｃＯ２　Ｔ＋Ｈ２　Ｔ，　２Ｃ０＋２Ｈ２一ｃＨ４　Ｔ＋ＣＯ２　Ｔ．　

２气化模型　

选取取材方便、储量丰富的玉米秸秆作为生物　质气化原料．其工业分析和元素分析见表ｌ　．　

收稿日期：２０１０—１１—１２　基金项目：郑州市科技发展计划项目（０７４ＳＣＣＧ３２１０８—５）．　通讯作者：张小桃（１９６７一），女，河南温县人，副教授，博士，

主要从事能源开发与利用方面的研究　第３２卷第１期　张小桃，等：玉米秸秆气化特性研究　４７　

注：元素分析是在干燥、无灰分生物质成分基础上　

用ＡｓｐｅｎＰｌｕｓ建模时，用到的主要反应模块为　ＲＹｉｅｌｄ和ＲＧｉｂｂｓ　引，气化模型如图１所示．　

一一一一一一一－｛　：　一一一一一一　

图１生物质气化模型　

生物质原料和空气分别进入ＲＹｉｅｌｄ和ＲＧｉｂｂｓ　模块，其中生物质原料为非常规组分（ＮＣ）．ＤＥ—　

ＣＯＭＰ模块是将生物质原料（非常规物质，ＮＣ）分解　

为单元素分子和灰分，并将裂解热导人ＧＡＳＩＦＹ模　

块．ＧＡＳＩＦＹ模块运用最小Ｇｉｂｂｓ自由能的方法计算　

出气化炉出口合成气组成和温度．　

理想化模型的假设条件为　：①气化炉处于稳　定运行状态，所有参数不随时间发生变化；②气化剂　

与生物质颗粒在炉内瞬间完全混合；③生物质中的　

Ｈ，Ｏ，Ｎ，Ｓ全部转为气相，而ｃ随条件的变化不完全　转化；④气化炉内的压力相同，无压力降；⑤生物质　

中的灰分为惰性物质，在气化过程中不参与反应；　

⑥生物质的颗粒温度均匀，无梯度；⑦所有气相反应　

速度都很快，且达到了平衡；⑧气化过程中的热损失　

忽略不计．　

３模拟结果与讨论　

３．１合成气成分随空燃比的变化关系　

图２为含水率为１０％的玉米秸秆气化后合成　

气的成分随空燃比的变化．从图中可以看出Ｎ，含量　

５０　蠢　ｏ　

３０　２０　１０　｛Ｌ　０　＋Ｎ　２；－４１－ＣＯ；。．。Ｈ２；一ＣＨ４；　ＣＯ　２；．＋。Ｈ　２０　

１．０　１．１　１．２　１．３　１．４　１．５　１．６　１．７　１．８　１．９　２．０　空燃比　

图２合成气成分含量随空燃比的变化　单调递增；Ｈ：和ＣＨ　含量单调递减；ＣＯ含量先增　

大后减小；Ｈ　Ｏ含量先减小后增大；ＣＯ：含量的减小　

梯度则不断趋于平缓．　

为了研究水分对玉米秸秆气化合成气成分的影　

响，特比较含水率分别为１０％和３０％的玉米秸秆气　化合成气中主要气体成分ＣＯ、Ｈ　ＣＯ：和Ｈ　Ｏ随空　

燃比的变化，结果如图３所示．从图３可以看出，水　

分含量低的玉米秸秆气化后合成气中主要可燃成分　

ＣＯ和Ｈ：的总含量总高于含水分高的玉米秸秆气　化后合成气中ＣＯ和Ｈ：的含量，而ＣＯ　和Ｈ　Ｏ的　

总含量总小于含水分高的玉米秸秆气化后合成气中　

ＣＯ　和Ｈ：Ｏ的含量．可见干燥玉米秸秆原料，可使　

合成气中可燃成分增加．　

蛏　＋１Ｏ％（ＣＯ　２＋Ｈ　２）；＋１Ｏ％（ｃｏ　２＋Ｈ　２Ｏ）　

图３合成气中主要成分随空燃比的变化　

３．２合成气低位热值随空燃比的变化关系　

气体低位热值是指标准状态下，单位体积气体　

中可燃物热值的总和．生物质气化所得的气体燃料　

的低位热值由下式计算　

ＬＨＶ＝１２６ＣＯ＋１０８Ｈ２＋３５９ＣＨ４＋６６５Ｃ　Ｈ　，　

式中：ＬＨＶ为气体低位热值，ｋＪ／ｍ　；ＣＯ，Ｈ　，ＣＨ　，　Ｃ　Ｈ　分别为ＣＯ，Ｈ：，ＣＨ　及碳氢化合物的体积百　

分含量，％．　合成气低位热值随空燃比的变化关系如图４所　

示，在空燃比范围内，合成气热值是随空燃比的增大　

先增大后减小的，在同一空燃比下玉米秸秆含水量　

多的气化合成气热值低．这是因为随着空燃比的增　

加，ＣＯ和Ｈ：与Ｏ：反应生成ＣＯ　和Ｈ　Ｏ，从而使产　

气中可燃气成分下降，热值随之降低．结合图３，在　

同一空燃比下含水多的玉米秸秆气化，合成气中可　

燃成分含量少，故而合成气低位热值低．

　４８　华北水利水电学院学报　２０１１年２月　

霰　蟠　Ⅱ　

围４合成气低位热值随空燃比的变化　

３．３气化效率随空燃比的变化关系　气化效率是指生物质气化后生成气体的总热量　

与气化原料的总热量之比．它是衡量气化过程的主　要指标．　通常用下式来定义气化效率　

气化效率＝　笠　，　其中千冷气体率指单位质量的原料气化后所产生气　

体燃料在标准状态下的体积．　

图５给出了气化效率随空燃比的变化．气化效　率随空燃比的增加先增加后减小，含水率分别为　１０％，２０％和３０％的玉米秸秆，分别在空燃比为　１．６，１．４，和　１．３处达到最大值．气化效率受气体热　

值和产气率的综合影响．结合图４—６可以发现在低　空燃比下干冷气体率增加起主要作用，气化效率增　

加；在相对高的空燃比下，合成气热值的降低起主要　作用，成为影响气化效率降低的主要因素．　

昌　褂　蛙　图Ｓ气化效率随空燃比的变化　

圈６千冷气体率随空燃比的变化　３．４碳转化率随空燃比的变化关系　碳转化率是指生物质燃料中的碳转化为气体燃　料中的碳的份额，即气体中含碳量与原料中含碳量　之比．　图７为碳转化率随空燃比的变化关系．如图７　

所示含不同水分的玉米秸秆气化，碳转化率均随空　燃比的增加而增加．结合图５可以发现，在达到最高　气化效率的空燃比下，３种不同含水量的玉米秸秆　

的碳转化率均达到９８％以上．　

１ＯＯ　

９Ｏ　祷　８０　

谨７Ｏ　６０　１．０　１．１　１．２　１．３　１．４　１．５　１．６　１．７　１．８　１．９　２．Ｏ　空燃比　

图７碳转化率随空燃比的变化　

４　优化模型　

在前面所建立模型的思路和基础上，对该模型　进行局部调整，实现气化合成气与进入气化炉的空　

气的换热，使空气温度由２５℃提高到２５０℃．优化　后模型如图８所示．以含水率１０％的生物质原料气　化为例，优化前后合成气热值和气化效率变化如图　

９所示．发现空燃比小于１．６时，优化后合成气热值　和气化效率均比优化前有明显提高；空燃比大予　１．６时，优化前后差别不大．　

图８生物质气化过程优化模型　

１．０　１．１　Ｉ．２　１．３　１．４　１．５　Ｉ．６　１．７　１．８　Ｉ．９　２．０　空燃比　

图９

优化前后合成气热值和气化效率随空燃比的变化　第３２卷第１期　张小桃，等：　玉米秸秆气化特性研究　４９　

５　结语　

用ＡｓｐｅｎＰｌｕｓ软件模拟玉米秸秆气化过程．主　要考察了空燃比在１—２范围内变化时，含水率分别　

为１０％，２０％和３０％的玉米秸秆气化的合成气成　分、低位热值，气化效率和碳转化率随空燃比的变　

化．并通过提高气化剂空气温度由２５℃提高到　２５０℃对气化过程进行优化．得到：　ａ．生物质原料含水率对生物质气化有很明显的　

影响．含水率分别为１０％，２０％和３０％的玉米秸秆　气化后，分别在空燃比为１．６，１．４和１．３时得到气　

化效率最大值，分别为７４．４％，６８．３％和６２．４％．　在最大效率下的合成气热值分别为５　２４５．５７，　４　８４９．５３，４　２８５．５３　ｋＪ／ｍ　，对应的碳转化率分别为　１００％，９８．８６％，１００％．同时发现，减少玉米秸秆的　

含水率，可使合成气中可燃成分ＣＯ和Ｈ：的总含量　增加．　ｂ．提高空气温度到２５０℃对气化过程进行优化　

后，在空燃比小于１．６时，可以有效提高玉米秸秆气　化的合成气低位热值和气化效率，空燃比大于１．６　

时，效果不明显．　

参　考　文　献　

［１］何张陈，袁林竹，耿凡．农作物废弃物与煤混燃发电的　技术经济性——基于江苏省混燃案例的调研［Ｊ］．能源　技术，２００８，２９（６）：３５６—３６１．　［２］马隆龙，吴创之，孙立，等．生物质气化技术及其应用　［Ｍ］．北京：化学工业出版社，２００３．　［３］Ａｓｐｅｎ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．Ａｓｐｅｎ　Ｐｌｕｓ　Ｕｓｅｒ　Ｇｕｉｄｅ［Ｍ］．ＵＳＡ：Ａｓｐ－　ｅｎ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２００６．　［４］Ａｓｐｅｎ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．Ｇｅｔｔｉｎｇ　Ｓｔａｒｔｅｄ　Ｍｏｄｅｌｉｎｇ　Ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ　ｗｉｔｈ　Ｓｏｌｉｄｓ［Ｍ］．ＵＳＡ：Ａｓｐｅｎ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２００６．　［５］张巍巍，陈雪莉，王辅臣，等．基于ＡＳＰＥＮ　ＰＬＵＳ模拟生　物质气流床气化工艺过程［Ｊ］．太阳能学报，２００７，２８　（１２）：１３６０—１３６４．　

Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｎ　ｔｈｅ　ＣｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉＣＳ　ｏｆ　Ｃ！ｏｒｎｓｔａｌｋ　Ｇａｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ　

ＺＨＡＮＧ　Ｘｉａｏ－ｔａｏ，ＨＵＡＮＧ　Ｍｉｎｇ—ｈｕａ，ＷＡＮＧ　Ａｉ－ｊｕｎ，ＺＨＡＮＧ　Ｙａｎ　（Ｎｏｒｔｈ　Ｃｈｉｎａ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｗａｔｅｒ　Ｃｏｎｓｅｒｖａｎｃｙ　ａｎｄ　Ｈｙｄｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ　Ｐｏｗｅｒ，Ｚｈｅｎｇｚｈｏｕ　４５００１　１，Ｃｈｉｎａ）