生物质气化模拟与生物燃气特性分析

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1、 生物质生物质气化气化模拟与模拟与生物燃气特性生物燃气特性分析分析 Numerical Study of Biomass Gasification and Analysis of Bio gas Characteristics 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 天津大学天津大学 或其他教育机构的学位或证 书而使用过的

2、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 天津大学天津大学 有关保留 使用学位论文的规定 特授权 天津大学天津大学 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 摘摘 要要 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

3、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 Aspen Plus 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

4、 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

5、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 关键词关键词 生物质气化 Aspen Plus 可替代性 燃气锅炉 ABSTRACT Fossil fuel is use

6、d for heating in winter in China the efficiency of this technology is low and a significant amount of greenhouse gases are discharged Compared with the traditional heating the bio gas which derived from biomass gasification for heating is efficient and green Meanwhile the biomass is abundant and wid

7、ely distributed Using bio gas for heating can save coal and protect environment At the moment bio gas which derived from biomass gasification is mainly used for cooking and not often used for heating due to its low calorific value and high tar content The biggest difference between bio gas heating a

8、nd traditional fossil fuel heating is the fuel of bio gas heating is obtained from renewable biomass In this study the biomass gasification model was built by Aspen Plus software The simulation about the major factors which influenced the gasification efficiency of biomass were investigated through

9、this model in order to determine the optimal condition of biomass gasification The results show that the optimal gasification condition is the reaction temperature interval 800 850 atmospheric pressure H2O C ratio 0 8 1 0 Ca C ratio 0 6 0 8 In addition in order to improve the calorific value of bio

10、gas and to better deal with the crude glycerin produced in the process of biodiesel production the process of co gasification of biomass and glycerin were also simulated in this paper The optimal condition is reaction temperature 800 850 G B ratio 1 0 1 2 H2O C ratio 0 8 1 0 pressure no more than 0

11、1 MPa The substitutability between bio gas and conventional gas was studied by analyzing the gas alternative indexes such as gas density gas caloric value theoretical air requirement Wobbe index burning velocity and combustion potential The difference among bio gas and natural gas artificial gas met

12、hane was discussed The research reveals that both the calorific value and combustible component content of bio gas is low which cause the non substitutability between bio gas and conventional gas Therefore other gasification agent should be chosen to instead of air in the actual gasification process

13、 so as to reduce the N2 content in bio gas A case was studied which is bio gas using winter heating in a scale of 100 households in Tianjin area The study about economics and carbon emissions of bio gas heating show that it achieveds a running cost saving of 21 000 RMB a and a carbon emission reduct

14、ion of 920 tons a At the end the Simulink software was used to simulate the combustion state of bio gas in gas fired boiler The furnace temperature was 880 970 and the thermal exposure was 0 57 0 79MW The key factor deciding the combustion performance is caloric value which was concluded from the st

15、udy of three different bio gases burning in gas fired boiler KEY WORDS Biomass gasification Aspen Plus Substitutability Gas fired boiler 目 录 第一章第一章 绪论绪论 1 1 1 研究背景 1 1 2 国内外研究现状 3 1 2 1 生物质气化应用及数值模拟研究现状 3 1 2 2 燃气可替代性研究现状 11 1 2 3 模块化仿真技术 12 1 3 研究意义与研究内容 14 1 3 1 研究意义 14 1 3 2 研究内容 14 第二章第二章 生物质气化及

16、生物质气化及 Aspen Plus 工艺模拟工艺模拟 16 2 1 生物质气化原理 16 2 2 生物质气化设备 18 2 3 农村生物质气化工艺及影响因素 21 2 4 生物质气化工艺与 Aspen Plus 模拟 23 2 4 1 Aspen Plus 软件介绍 23 2 4 2 Aspen Plus 模型建立 23 2 4 3 生物质气化物料组成与模拟条件 24 2 4 4 模型验证 25 2 4 5 模拟结果与分析 26 2 5 生物质与甘油共气化模拟 29 2 5 1 模拟条件与原料 29 2 5 2 模拟结果与分析 30 2 6 本章小结 32 第三章第三章 生物燃气可替代性理论研究与经济性分析生物燃气可替代性理论研究与经济性分析 34 3 1 燃气可替代性研究 34 3 1 1 常用燃气分类与特点 34 3 1 2 燃气可替代性研究方法 34 3 2 生物燃气特性分析 38 3 2 1 生物燃气成分 38 3 2 2 生物燃气热值与焦油成分分析 38 3 3 燃气可替代性研究 39 3 3 1 生物质燃气可替代性指标 39 3 3 2 生物燃气与常规燃气的可替代性研究分析