【摘 要】
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当前社会面临能源短缺和环境污染的双重压力,生物质能作为一种储量充足、环境友好、成本低廉和碳中性的可再生能源,在我国取得了突飞猛进的发展。气化技术作为一种重要的生物质能利用技术,越来越受到人们的重视,但是目前仍存在气化数值模拟指导稳定运行理论缺乏,运行参数对气化气影响机制不明晰,N、S类污染物排放重等问题。因此开展生物质气化与N、S类污染物生成的数值模拟研究对于生物质气化技术的发展和工业应用具有重要
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当前社会面临能源短缺和环境污染的双重压力,生物质能作为一种储量充足、环境友好、成本低廉和碳中性的可再生能源,在我国取得了突飞猛进的发展。气化技术作为一种重要的生物质能利用技术,越来越受到人们的重视,但是目前仍存在气化数值模拟指导稳定运行理论缺乏,运行参数对气化气影响机制不明晰,N、S类污染物排放重等问题。因此开展生物质气化与N、S类污染物生成的数值模拟研究对于生物质气化技术的发展和工业应用具有重要的理论意义。本文针对生物质气化特性,基于计算流体力学(CFD)理论和前期自主开发的BASIC(Bulk Accumulated Solids Incineration Code)代码,升级了生物质气化模型。模型基于计算流体力学和化学反应动力学,对生物质气化的干燥-热解-气化-固定碳氧化等过程进行建模,并引入相应的化学反应及其反应动力学模型,以及质量、动量和能量守恒方程。通过与实验结果进行对比,验证了模型的准确性。在此基础上,本文研究了进气温度、原料颗粒粒径和进气量等工况参数变化对生物质气化过程的影响,解析了CO、CO2、H2等气化气在不同工况条件下浓度的变化趋势。此外,针对气化气中含有N、S污染物的问题,本文深入研究了N类污染物NO、NH3、HCN和S类污染物H2S、SO2、COS在不同工况条件下的生成规律。上述工作为生物质气化的实际应用研究提供理论支撑。研究结果表明:(1)进气温度略高于生物质着火点温度(本文为530℃),颗粒粒径为6 mm,进气量为80 Nm~3/h时,气化效率较高,CO/CO2值最高为1.93,H2摩尔分数最高为19.0%;(2)随着进气温度从350℃增加至830℃,NH3和H2S的浓度分别增加了500ppmv和60ppmv,分别同比增加了27.0%和16.7%;温度的升高会导致NH3和H2S浓度的升高,因此在进气温度为530℃时,既能保证气化效率又可以降低N、S类污染物的浓度;(3)在原料的颗粒粒径为6 mm时,气化效率较高,CO的摩尔分数维持在27.5%,当颗粒粒径由18 mm减小至6 mm时,NH3和H2S的浓度分别降低了240ppmv和21ppmv,分别同比降低8.2%和8.8%;(4)随着进气量从30 Nm~3/h增加到80 Nm~3/h,气化效率升高,N、S类污染物的浓度降低,当进气量为80 Nm~3/h时,NH3和H2S的浓度分别降低至2550ppmv和242ppmv,分别同比降低15.0%和11.0%。
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