增压串行流化床生物质气化制取代用天然气的模拟

摘 要：众所周知，天然气是我国居民与工业不可或缺的能源之一，而随着我国城市化进程和工业产业的不断发展，天然气资源也越来越紧缺。在这一背景下，生物质气化制取代用天然气技术油然而生。本文试图从另一个角度研究Biomass-to-SNG技术，即以Aspen Plus软件为主要手段，对基于增压串行流化床生物质气化一步法合成甲烷的工艺进行数值模拟研究，从而为今后开展生物质气化合成甲烷的试验提供理论依据。

关键词：增压串行流化床；代用天然气；生物质气化；数值计算

1 串行流化床生物质气化制取代用天然气的模型及验证

1.1 数值模型的构建

建立串行流化床生物质气化制取代用天然气的模拟流程图（图1）。

生物质气化模型采用的是串行流化床技术，该技术被认为很适合Biomass -to-SNG。本文研究的串行流化床生物质气化系统如图2所示，相应的试验装置位于东南大学能源热转换及其过程测控教育部重点实验室。

发生在生物质气化反应器（Gasifier）中的主要反应有：

C+H2O?CO+H2+ΔHo；ΔHo= +130.414kJ/mol

（1）

CO+H2O?CO2+H2+ΔHo；ΔHo= -42.2kJ/mol

（2）

C+2H2?CH4+ΔHo；ΔHo=-74.9kJ/mol

（4）

CH4+H2O?CO+3H2+ΔHo；ΔHo=+205.31kJ/mol

（5）

甲烷化过程用于将产物气中的CO或CO2与H2反应生成甲烷，发生在甲烷化反应器（FBMR）中的主要反应式如下：

CO+3H2?CH4+H2O+ΔHo；ΔHo=-206kJ/mol

（6）

CO2+4H2?CH4+2H2O+ΔHo； ΔHo=-165kJ/mol

（7）

2 计算工况与输入参数

串行流化床生物质气化制取代用天然气流程的其它输入值见表2。

3 结果与分析

3.1 甲烷产率的变化规律

甲烷产率是指甲烷化反应器中生成的甲烷与进入到气化反应器中的生物质之比，它是整个生物质气化制取代用天然气的重要指标之一。

甲烷产率=

（8）

在甲烷化反应器温度（Tm=300℃）和反应器压力（pm= 0.3MPa）给定的情况下，当S/B=0.4时，不同气化压力pg下，气化温度Tg对甲烷产率的影响如图4所示。由图可见，不同气化压力下气化温度对甲烷产率的影响呈现相同的变化趋势，即随着气化温度的升高，甲烷产率随之增大，且在气化温度较高时，气化压力对其影响较小，甲烷产率基本保持不变。这主要是因为相同气化压力下，提高气化温度有利于反应式

（1）、

（3）和

（5）向正方向进行。在相同的气化温度下，随着气化压力的提高，生物质合成气产量有所下降，故甲烷的产率也有所下降；而当气化温度大于一定数值时，气化压力对生物质合成气产量的影响已较小，故对甲烷产率的影响也较小。

3.2 生物质碳转化率的变化规律

生物质碳转化率是指粗甲烷气中的含碳量与送入到整个系统中生物质的含碳量之比，其定义式如下：

生物质碳转化率=

（9）

生物质碳转化率越高，则证明有更多的生物质转化成粗甲烷气体。图5和6分别给出了不同气化压力下，气化温度和S/B对生物质碳转化率的影响。

4 结论

（1）不同气化压力下气化温度对甲烷产率的影响呈现相同的变化趋势，随着气化压力的提高，甲烷的产率有所下降，且在气化压力较高时，不同气化压力对甲烷产率的影响较小。

（2）不同气化压力下，随着气化温度的上升，碳转化率逐渐增大，且在气化温度>750℃时，维持在一较大的数值；碳转化率随着S/B的增大而增大，并在S/B>0.4时，碳转化率维持一较大值；当气化温度较低时，在相同气化温度下，气化压力越高，碳转化率反而越低，而在气化温度较高时，气化压力对碳转化率的影响不是很明显；当S/B较小时，气化压力越高，则碳转化率越小，且在S/B较大时，气化压力对碳转化率的影响并不是很显著。

（3）对于串行流化床生物质气化制取代用天然气系统，为获得较高的甲烷产率和碳转化率，适宜的气化温度在750℃左右，S/B值在0.4左右，而气化压力则不宜太高。