摘 要

为了探究生物质气化过程中不同因素的影响情况，优化生物质气化过程，本文通过化工模拟软件Aspen Plus，建立生物质高温蒸汽气化模型，通过实验数据验证模型的可靠性。

本文主要研究了我国常见的秸秆类、壳类、木质类3类，共计13种生物质的气化指标。选择氢气产率较高的三类生物质：棉杆、碧根果壳、竹子，进行单因素敏感性分析，探究反应温度、水蒸气与生物质质量比（S/B）、反应压力三种因素对主要气化指标的影响情况。结果表明：反应温度的增大使得气化效率提高，气体热值下降，在650℃左右到达最低，继续提升反应温度，气体热值小幅度升高。随着S/B的提高，气体热值持续下降，气化效率快速上升，在S/B=0.75左右输入的水蒸气足量，继续增加S/B气化效率小幅度下降。控制其他因素不变，提高反应压力，气体热值逐渐上升，而气化效率逐渐下降。

通过正交实验研究反应温度、S/B、反应压力三种气化因素及其交互作用对气化过程的影响显著性，并确定氢气产率最高的优化方案。结果表明影响氢气产率的主次因素为S/Bgt;反应温度gt;反应压力gt;反应温度*S/Bgt;反应温度*反应压力gt;S/B*反应压力。反应温度、反应压力以及S/B都对氢气的产率产生了非常显著的影响，最优的工艺参数为温度为800℃，S/B=2，反应压力为0.1MPa。

关键词：生物质气化；Aspen Plus；敏感性分析；正交实验

Abstract

In order to explore the influence of different factors in the biomass gasification process and optimize the biomass gasification process ,this paper uses Aspen Plus ,a chemical simulation software , to establish a biomass high temperature steam gasification model ,and verify the reliability of the model through experimental data. The simulation method can overcome the limitation and complexity of the experiment , and the results can be used for reference in engineering optimization.

This paper mainly studies the gasification indexes of 13 kinds of biomass , including straw , shell and wood. Three kinds of biomass with high hydrogen yield , i.e. cotton stalk , green root shell and bamboo , were selected for single factor sensitivity analysis to explore the influence of reaction temperature , water vapor to biomass mass ratio (S/B) and reaction pressure on the main gasification indexes. The results show that with the increase of reaction temperature , the gasification efficiency is improved , and the gas calorific value is decreased , reaching the minimum at about 650 ℃. With the increase of reaction temperature , the gas calorific value is increased slightly. With the increase of S/B , the calorific value of the gas continues to decrease , and the gasification efficiency increases rapidly. When the amount of water vapor input at S/B = 0.75 is sufficient ,the gasification efficiency of S/B continues to increase and decreases by a small margin. When the reaction pressure is increased , the calorific value of the gas is gradually increased , while the gasification efficiency is gradually decreased.

The effects of three gasification factors (reaction temperature , S/B , reaction pressure) and their interaction on the gasification process were studied by orthogonal experiment , and the optimal scheme of the highest hydrogen yield was determined. The results show that the primary and secondary factors affecting hydrogen production are S/B gt; reaction temperature gt; reaction pressure gt; reaction temperature*S/Bgt; reaction temperature*reaction pressure gt; S/B*reaction pressure. Reaction temperature , pressure and S/B all have a very significant impact on the hydrogen yield. The optimal process parameters are 800 ℃ , S/B = 2 , and reaction pressure is 0.1MPa.

Key Words：biomass gasification； Aspen Plus； sensitivity analysis； orthogonal experimen

目 录

第1章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 生物质能源概况 1

1.2.1 生物质能源资源情况及特点 1

1.2.2 生物质能源利用方式 2

1.3 生物质气化基本原理 2

1.3.1 生物质气化原理 2

1.3.2 生物质气化分类 4

1.4 生物质气化过程数值模拟 4

1.4.1 Aspen Plus在生物质气化模拟中的应用 5

1.4.2 国外内研究现状 6

1.5 研究技术路线与目标 9

第2章 生物质高温蒸汽气化模型的构建及验证 10

2.1 引言 10

2.2 气化过程主要反应 10

2.2 固定床气化模型的构建 10

2.2.1 模型的选择 10

2.2.2 吉布斯（Gibbs）最小自由能原理 11

2.2.3 物性方法的选择 12

2.2.4 建立模型的假设条件 12

2.2.5 气化流程图 12

2.3 模型验证及误差分析 13

2.3.1 模型参数输入 13

2.3.2 验证材料与条件 14

2.3.3 模拟结果与实验值的比较 15

2.3.4 误差分析 15

2.4 本章小结 16

第3章 生物质气化过程的影响因素分析 17

3.1 引言 17

3.2 13种生物质气化特性 17

3.2.1 生物质原料分析 17

3.2.2 生物质种类对气化的影响 19

3.3 反应温度对生物质气化的影响 21

3.3.1 反应温度对产气组分和气体产率的影响 21

3.3.2 反应温度对H₂/CO和CO/CO₂的影响 23

3.3.3 反应温度对气体热值和气化效率的影响 23

3.4 水蒸气与生物质质量比（S/B）对生物质气化的影响 24

3.4.1 S/B对产气组分和气体产率的影响 24

3.4.2 S/B对H₂/CO和CO/CO₂的影响 26

3.4.3 S/B对气体热值和气化效率的影响 26

3.5 反应压力对生物质气化的影响 27

3.5.1 反应压力对产气组分和气体产率的影响 27

3.5.2 反应压力对H₂/CO、CO/CO₂的影响 29

3.5.3 反应压力对气体热值、气化效率的影响 29

3.6 基于正交试验分析的优化研究 31

3.7 本章小结 33

第4章 结论与展望 34

致 谢 36

参考文献 37

第1章 绪论

1.1 引言

在全球工业化进程不断加深，世界人口持续增加的背景下，能源需求量也在快速增加，过度利用煤、石油气、天然气等不可再生的传统能源，对环境造成了巨大的影响和破坏，也不利于人类的持续发展。据文献预测，人类能源需求将在2050年翻两倍，到本世纪末将翻三倍^[1-2]。因此寻找可持续、对生态环境破坏小、并且可以被人类高效利用的替代能源，是缓解能源与环境问题的重要措施之一。

在我国经济迅猛发展的同时，也给自然环境造成了较大的破坏，烟雾和灰尘等恶劣天气的频率大大增加，严重影响了人民的健康状况。尽管我国在过去的一段时间，陆续出台了许多较为严格的环保法规，限制了发电厂、汽车、工厂等排放系统的排放水平，环境问题得到了一定程度上的改善。但我国的能源结构并没有发生较大的改变，对能源的需求量仍然在快速增加。与世界能源结构相比，中国能源消费结构中占据最主要地位的仍然是会产生较多污染的煤炭，占到了67%，而相对清洁的天然气占比仅为5%^[3]。因此通过大力发展清洁能源技术，推广清洁能源应用，增加清洁能源所占据的比重，改变我国的能源结构，才是解决生态和环境问题的根本方法。

1.2 生物质能源概况