程相文，劉麗智

（華北理工大學機械工程學院，河北唐山063210）

　　摘要：為研究下吸式固定床氣化爐內多相反應流場的詳細信息及工藝參數對氣化過程的影響，采用Fluent軟件對其進行二維數值模擬，在Lagrangian坐標系下采用隨機軌道模型追蹤秸稈顆粒運動，基于P1模型模擬氣化過程的輻射傳熱過程。結果表明：空氣當量比在0.28~0.30之間時氣化效果最佳；空氣當量比小于0.28時，由于O₂含量少，會出現揮發分燃燒不完全?爐內溫度較低的現象；空氣當量比大于0.30時，揮發分與焦炭燃燒完全，但過多的O₂會稀釋可燃氣體；S/B（水蒸汽/秸稈質量比）小于0.25時，處于水煤氣反應速率的增加階段，CO隨S/B值的增加而增加；S/B大于0.25時，由于溫度過低，使得水煤氣反應的反應速率開始下降，氣化爐內CO含量隨S/B值的增加呈下降趨勢。

　　0引言

　　我國秸稈能源豐富，據調查研究數據顯示我國每年的秸稈農作物廢棄物有十億噸，實施秸稈清潔能源利用工程，對于促進能源系統的轉型具有重要的現實意義[1]，而加快清潔能源工程建設是一個十分重要的研究課題。固定床秸稈氣化爐在我國的應用較為廣泛，其中固定床下吸式氣化爐操作方便且具有良好的工作穩定性[2]，但在使用過程中，仍然需要解決系統效率低的問題[3]。秸稈熱解氣化反應十分復雜，采用數值模擬方法既可以很容易地獲得流場中的數據，又可以引導實驗測量[4-5]。Fluent軟件主要用于分析流體流動與傳熱特性等，能夠快速準確地得到模擬結果[6-7]。但目前很少有人利用Fluent軟件對秸稈的燃燒和氣化進行動力學模擬分析。本文采用該軟件，對下吸式秸稈氣化爐進行流場分析。

　　1模型的建立

　　本文模擬研究的氣化爐二維模型如圖1所示，該氣化爐模型高度為5m，寬度為3m，距氣化爐底部灰分出口1.2m處均勻分布有25個大小相等的圓形出氣孔。

　　氣化劑通過上部進氣口進入氣化爐內部，秸稈顆粒從氣化爐頂部秸稈顆粒入口進入，在高溫下發生干燥?熱解以及氧化還原反應。產出的燃氣從氣化爐下方出氣孔排出，灰分及殘渣從灰分出口排出。灰分出口位于出氣孔下部，該設計可以減少燃氣中的灰分含量，起到凈化燃氣的作用。

　　本文基于Fluent軟件，在Lagrangian坐標系下采用隨機軌道模型追蹤秸稈顆粒運動，基于P1模型模擬氣化過程的輻射傳熱過程，采用組分輸運模型模擬化學反應，對上述氣化爐內流場特性進行分析。

　　2模型計算結果分析與優化

　　2.1顆粒脫揮發分模型比較

　　首先在其他條件相同的情況下，選用單步反應模型與兩步競爭模型模擬秸稈揮發分析出過程。圖2為不同熱解模型下溫度等值線云圖。由圖2可知：采用單步反應模型相對于采用兩步競爭模型時溫度最高點靠下，說明使用單步反應模型時著火過程靠后，并且使用單步反應模型時爐體上部溫度分布不均勻，而使用兩步競爭模型時氣化爐內的溫度由內到外層次分布均勻，更符合實際工作條件。因此，本文選用兩步競爭模型模擬秸稈顆粒揮發分析出過程。

　　2.2空氣當量比（ER）對氣化性能的影響

　　圖3為氣化爐內的最高溫度和平均溫度隨空氣當量比變化圖。由圖3可知：空氣當量比小于0.28時，氣化爐內的最高溫度和平均溫度均隨著空氣當量比的增加而呈上升趨勢；當空氣當量比大于0.28時，氣化爐內的最高溫度和平均溫度均隨空氣當量比的增大而呈下降趨勢。

　　圖4為不同空氣當量比值下H₂沿爐膛軸向摩爾分數變化圖。由圖4可見：H₂沿氣化爐軸線方向的摩爾分數值隨空氣當量比的增大而減小，這是由于空氣當量比增大，爐內的O₂含量升高，促進了爐內2H₂+O₂→2H₂O反應的進行，消耗大量H₂。

　　圖5為不同空氣當量比值下CO沿爐膛軸向摩爾分數變化圖。由圖5可知：當空氣當量比為0.28?0.30時，CO沿氣化爐軸線方向的摩爾分數值相似且大于其他工況。這是由于O₂的增加使得焦炭燃燒更完全，增加了氣體中CO含量，同時焦炭燃燒反應放出大量的熱，促進了水煤氣反應的反應速率，也使得CO含量增加。

　　2.3水蒸氣/秸稈質量比（S/B）對氣化性能的影響

　　水蒸氣/秸稈質量比（S/B）是影響氣化爐工作性能的重要參數，S/B分別取0.21?0.23?0.25?0.27?0.29五種工況，氣化爐內的最高溫度與平均溫度隨S/B變化趨勢如圖6所示。由圖6可知：氣化爐內的最高溫度與平均溫度隨S/B的增大而減小。這是由于氣化爐內水蒸氣增加后，促進水煤氣置換反應的進行，該反應為吸熱反應，反應速率加快，吸收大量熱，導致爐內溫度降低。

　　圖7為不同S/B值下H₂沿爐膛軸向摩爾分數變化曲線。由圖7可知：氣化爐內H₂摩爾分數隨S/B的增加而增加。這主要是由于水煤氣置換反應的加快與水受熱分解生成H₂反應速率的加快造成的。

　　圖8為不同S/B值下CO沿爐膛軸向摩爾分數變化曲線圖。由圖8可知：S/B小于0.25時，CO摩爾分數隨S/B值的增加而增加，這是由于氣化爐內水分含量的增多促進了水煤氣置換反應的進行；S/B值大于0.25時，CO摩爾分數隨S/B值的增加而減小，這主要是由于水煤氣置換反應屬于還原反應，反應過程要吸收熱量，氣化爐內的溫度過度降低，導致水煤氣置換反應速率不再升高，同時過量水蒸氣的加入也稀釋了氣化爐內CO的濃度。

　　3結論

　　通過對數據的分析得出：空氣當量比在0.28~0.30之間時氣化效果最佳；空氣當量比小于0.28時，由于O₂含量少，會出現揮發分燃燒不完全，爐內溫度較低的現象；空氣當量比大于0.30時，揮發分與焦炭燃燒完全，但過多的O₂會稀釋可燃氣體。

　　水蒸氣秸稈質量比的增加，會加快水煤氣置換反應的反應速率，導致氣化爐內的溫度降低。S/B大于0.25時，由于溫度過低，使得水煤氣反應的反應速率開始下降，氣化爐內CO含量隨S/B值的增加呈下降趨勢。實際操作過程中，通入水蒸氣成本較高，而通入少量的水蒸氣有助于提高爐體內可燃氣含量。