生物质与煤气化过程热力学分析

气化是最有潜力的生物质能和煤炭洁净高效转化技术，是多联产系统的关键技术和重要环节，气化产物的组成和相对含量关系着多联产系统的连续和稳定运行。对于气化多联产系统而言，其气化原料可能是煤、石油焦、各种有机垃圾或生物质等等，不同的气化原料元素组成、挥发分含量等指标都不尽相同，而为了保障多联产系统的连续稳定运行，又必须保证气化后的粗燃气在组成及相对含量一定；但由于气化原料本身性质以及气化过程的复杂性，目前对于气化过程的认识还不够深入和全面，对于气化操作参数对燃气组成的影响和调控也认识得不够明确。要保证气化产品组成和含量的相对稳定，必须针对性地调节气化操作参数，这就需要对生物质和煤气化过程进行深入分析，明确气化操作参数对于气化体系平衡组成的影响，得到能够与原料特性对应的操作参数与产气组成之间的函数关系，从而准确快捷地优化气化操作条件。 热力学平衡分析作为一种研究多组分多相复杂反应体系的重要方法，对于研究反应物没有具体化学分子式的复杂反应过程，了解温度、压力、气化剂用量等气化操作参数对气化体系平衡组成的影响，针对性地通过控制气化操作参数来调节气化产物的组成和相对含量，具有非常重要的理论和现实指导意义。 因此，本文选取了两种比较典型而又物化性质相差较大的气化原料——晋城无烟煤和交城秸秆作为研究对象，通过热力学方法研究气化操作参数对产气组成的影响规律。在对生物质和煤气化过程进行深入分析的基础上，基于Gibbs自由能最小化法原理，从生物质和煤的元素分析数据出发，应用CHEMKIN软件对生物质和煤的气化体系进行热力学平衡计算，分析并讨论了生物质和煤气化体系热力学平衡的特点，考查了气化温度、压力、当量比（ER，Equivalence Ratio）和水蒸气／原料重量比（S／M，Steam／Materal Ratio）等气化操作参数对气化产物的组成及相对含量的影响，并从能量利用率和元素利用率最大化角度，初步探讨了气化操作参数的优化。通过对生物质和煤气化体系的热力学平衡分析，为进一步认识生物质和煤的气化过程，了解操作条件对平衡组成的影响，有针对性地优化气化操作条件，提供初步的理论指导和基础数据。 通过热力学计算和分析，本文可以得到的主要结论如下： 1．生物质和煤气化体系热力学平衡组成的主要组分都是CH4、CO、CO2、H2、H2O、H2O（1）和C（s），当使用空气作为气化介质时，体系中还会存在一定量的N2。由于煤富炭少氢、氧的特点，相比于生物质气化，煤气化过程需要消耗更多的空气和水蒸气，但其气化过程、气化体系平衡组成，以及温度、压力等气化操作参数对其热力学平衡组成的影响，都与生物质气化体系类似。 2．温度、压力、当量比和水蒸气／原料重量比都是影响气化体系热力学平衡组成的重要因素。由于整个气化过程是一个强吸热且体积增大的过程，升高温度和降低压力都有利于气化的进行；空气（氧气）和水蒸气同作为气化介质，其用量都存在最优值，并且通过控制水蒸气的使用量，可以方便地调节气化燃气中CO和H2的比例。 3．生物质和煤气化体系是一个多组分多相的复杂反应体系，影响其热力学平衡组成的因素较多，并且各气化操作参数之间存在复杂的相互关系。例如，温度和压力对气化体系热力学平衡组成有着相反的影响趋势，并且通过热力学分析发现，适当升高气化温度，完全可以解决由于压力升高导致的可燃气体分率和炭转化率降低问题。 4．通过非线性回归分析，得到了一定空气和水蒸气使用量时，生物质气化的准平衡温度与压力的关系为：TE／K=1162.98+61.61×ln（p／MPa-0.00138） 通过该方程，可以准确快捷地确定生物质在不同压力条件下气化，使得气化产物中可燃气体分率达到最高的最佳气化温度。 5．不同温度和压力条件下，当量比ER与最佳水蒸气／气化原料重量比S／MO都具有很好的反比线性关系，并且在不同温度和压力条件下，当量比ER与最佳水蒸气／气化原料重量比S／MO的关系曲线都几乎平行，亦即各关系曲线的斜率非常相近，因此，通过将各曲线的斜率平均化，使得曲线的截距成为温度或压力的函数，然后通过非线性回归，得到了S／MO与ER和p，以及S／MO与ER和T的函数关系。以生物质空气-水蒸气气化为例，得到T=1173K时，S／BO与当量比ER及压力p的关系函数为：S／BO=-1.48×ER-7.88E-03×p2+9.10E-02×p+0.31 常压下S／BO与当量比ER及温度T的关系函数为：S／BO=-1.54×ER+1.29E03×exp（-T／74.10）+0.31 该方程可用于指导生物质在不同温度或压力条件下，进行空气（或氧气）-水蒸气气化时，为了使气化产物中可燃气体分率达到最高，所需要的空气（或氧气）使用量，以及对应的水蒸气需求量。 相比于通过实验手段摸索，根据Gibbs自由能最小化原理进行热力学分析，可以更准确快捷地计算出生物质和煤气化体系的平衡组成，并可以方便地考察温度、压力和气化剂用量及比例等操作参数对气化体系平衡组成的影响，能够为生物质和煤气化参数的确定提供参考依据。