生物质气化模拟与生物燃气特性分析

生物质气化模拟与生物燃气特性分析NumericalStudyofBiomassGasificationandAnalysisofBio-gasCharacteristics学科专业：供热、供燃气、通风及空调工程研究生：刘宗攀指导教师：陈冠益教授天津大学环境科学与工程学院二零一二年十二月独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得天津大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。学位论文作者签名：签字日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解天津大学有关保留、使用学位论文的规定。特授权天津大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。（保密的学位论文在解密后适用本授权说明）学位论文作者签名：导师签名：签字日期：年月日签字日期：年月日摘要我国冬季采用化石燃料进行供暖，不仅能源效率低，而且排放大量的温室气体，污染环境。生物质气化供暖技术相比于传统供暖方式具有高效、环保的优点，同时我国的生物质资源储量丰富，分布广泛，如能很好地加以利用，不仅可以缓解我国冬季供暖时的煤炭需求量，也可以起到保护环境的作用。目前生物质气化主要用于生活炊事供气，在供暖方面应用较少，究其原因是由于生物燃气的热值低，焦油含量高。生物质气化供暖同传统化石燃料供暖的最大区别是生物质气化供暖的燃料为生物燃气。本文主要利用AspenPlus软件建立了生物质气化模型，模拟研究影响生物质气化效率的主要因素，并确定生物质气化过程的最佳工况点。研究发现：当反应温度为800~850℃、作用压力为常压、H2O/C为0.8~1.0，Ca/C为0.6~0.8时，气化效果较好。同时，为了提高生物燃气热值并能更好地处理生物柴油生产过程中产生的粗甘油，本文模拟研究了生物质与粗甘油共气化制取生物燃气的过程，得到的最佳工况点是：反应温度800~850℃、G/B为1.0~1.2、H2O/C为0.8~1.0、压力不大于0.1MPa。利用燃气密度、燃气热值、理论空气需要量、华白数、燃烧速度、燃烧势等燃气可替代指标对生物燃气与常规燃气的可替代性进行研究，并比较分析生物燃气与天然气、人工燃气、沼气的主要区别。结果发现：生物燃气中可燃成分少，燃气热值低，与常规燃气相比不具可替代性。在实际生物质气化过程中应选用其它种类气化剂来代替空气以减少生物燃气中N2的含量。对天津地区某100户居民利用生物质气化气进行供暖的案例进行经济性与“碳减排”研究后发现采用生物质气化供暖可节省运行成本2.1万元/年，减少碳排放920吨/年。最后，利用仿真软件Simulink对生物燃气在燃气锅炉中的燃烧情况进行模拟。炉膛内温度为880~970K，热辐射量为0.57~0.79MW。当对三种不同生物燃气在锅炉中的燃烧情况进行仿真时发现生物燃气的热值是决定其燃烧性能的关键因素。关键词：生物质气化；AspenPlus；可替代性；燃气锅炉ABSTRACTFossilfuelisusedforheatinginwinterinChina,theefficiencyofthistechnologyislowandasignificantamountofgreenhousegasesaredischarged.Comparedwiththetraditionalheating,thebio-gaswhichderivedfrombiomassgasificationforheatingisefficientandgreen.Meanwhile,thebiomassisabundantandwidelydistributed.Usingbio-gasforheatingcansavecoalandprotectenvironment.Atthemoment,bio-gaswhichderivedfrombiomassgasificationismainlyusedforcookingandnotoftenusedforheatingduetoitslowcalorificvalueandhightarcontent.Thebiggestdifferencebetweenbio-gasheatingandtraditionalfossilfuelheatingisthefuelofbio-gasheatingisobtainedfromrenewablebiomass.Inthisstudy,thebiomassgasificationmodelwasbuiltbyAspenPlussoftware.Thesimulationaboutthemajorfactorswhichinfluencedthegasificationefficiencyofbiomasswereinvestigatedthroughthismodelinordertodeterminetheoptimalconditionofbiomassgasification.Theresultsshowthattheoptimalgasificationconditionis:thereactiontemperatureinterval800~850℃,atmosphericpressure,H2O/Cratio=0.8~1.0,Ca/Cratio=0.6~0.8.Inaddition,inordertoimprovethecalorificvalueofbio-gasandtobetterdealwiththecrudeglycerinproducedintheprocessofbiodieselproduction,theprocessofco-gasificationofbiomassandglycerinwerealsosimulatedinthispaper.Theoptimalconditionis:reactiontemperature800~850℃,G/Bratio=1.0~1.2,H2O/Cratio=0.8~1.0,pressurenomorethan0.1MPa.Thesubstitutabilitybetweenbio-gasandconventionalgaswasstudiedbyanalyzingthegasalternativeindexessuchasgasdensity,gascaloricvalue,theoreticalairrequirement,Wobbeindex,burningvelocityandcombustionpotential.Thedifferenceamongbio-gasandnaturalgas,artificialgas,methanewasdiscussed.Theresearchrevealsthatboththecalorificvalueandcombustiblecomponentcontentofbio-gasislowwhichcausethenon-substitutabilitybetweenbio-gasandconventionalgas.Therefore,othergasificationagentshouldbechosentoinsteadofairintheactualgasificationprocesssoastoreducetheN2contentinbio-gas.Acasewasstudiedwhichisbio-gasusingwinterheatinginascaleof100householdsinTianjinarea.Thestudyabouteconomicsandcarbonemissionsofbio-gasheatingshowthatitachievedsarunningcostsavingof21,000RMB/aandacarbonemissionreductionof920tons/a.AttheendtheSimulinksoftwarewasusedtosimulatethecombustionstateofbio-gasingas-firedboiler.Thefurnacetemperaturewas880~970℃andthethermalexposurewas0.57~0.79MW.Thekeyfactordecidingthecombustionperformanceiscaloricvaluewhichwasconcludedfromthestudyofthreedifferentbio-gasesburningingas-firedboiler.KEYWORDS:Biomassgasification;AspenPlus;Substitutability;Gas-firedboiler目录第一章绪论..................................................................................................................11.1研究背景..........................................................................................................11.2国内外研究现状..............................................................................................31.2.1生物质气化应用及数值模拟研究现状................................................31.2.2燃气可替代性研究现状......................................................................111.2.3模块化仿真技术..................................................................................121.3研究意义与研究内容....................................................................................141.3.1研究意义..............................................................................................141.3.2研究内容..............................................................................................14第二章生物质气化及AspenPlus工艺模拟...........................................................162.1生物质气化原理............................................................................................162.2生物质气化设备......................................................................