生物质气化气燃烧过程模拟研究
文献综述
1 本课题的研究背景及意义
随着经济发展，我国对能源需求量也随之增加。我国石油进口量与对天然气的需求在近十年大大增加。即便如此，我国现阶段能源主要还是依赖于煤炭，但煤炭在开采及使用过程中会出现许多问题，如温室效应、氮氧化物排放、雾霾等。尤其是在温室效应引起人们广泛关注的情况下，重视环境污染问题成为人们的一致意见。为改善能源结构，从可再生及不可再生能源角度看，需大力发展可再生能源。而在可再生能源中，需从长远角度出发，力求稳定持久的能源类型。针对于我国是一个农业大国，地域辽阔，人口众多。农村的生物质资源非常丰富。每年仅仅农村秸秆的数量就高达 6 亿多吨。又随着政府的号召，人们环保意识上升，限制秸秆焚烧并自觉保护环境。这使得生物质能在我国成为一大具有发展前景的能源。生物质能源具有低污染、分布范围广、可以再生以及容易燃烧[1]的优点。若将生物质能源合理开发利用，可减轻一部分能源压力。对生物质能开发利用既可以保护环境又可用于发电、供热，所以我国现提出发展生物质能拥有很大的好处。生物质能属于可再生清洁能源，对环境友好，是极具发展潜力的一种能源。
对生物质能的利用形式主要分为5种[2]：（1）生物质固化成型，是指将生物质在一定条件下进行机械变形和塑形变形，最终使得生物质原料不经过化学反应只是物理变形成为固体燃料；（2）生物质液化，即将生物质热裂解液化，产生液体产物即液体生物油；（3）生物质沼气，这是现在比较普遍的沼气。沼气的主要成分为甲烷（CH4），是由于微生物发酵而生成的可燃气体；（4）生物质水解，通过化学水解或者酶的作用将生物质（纤维，淀粉等）转化为多糖，然后水解生成乙醇；（5）生物质气化，即主要产生气体产物生物质气。生物质气化是将生物质在不完全燃烧的条件下，对其热裂解气化，转化为含有 CO，H2，CH4等可燃气体。生物质气的主要可燃成分为H2、CO 和少量低分子烃，其他成分为 N2、CO2以及 O2等。生物质气的热值低、成分也会随着原料不同以及裂解条件不同而变化，其低热值为4 500～5 500 kJ/m3，比天然气的热值低得多。
生物质气化产生可燃气是对生物质利用的主要形式之一。生物质中的挥发分含量一般会达到60%～80%，正是如此，在生物质气化过程中会有很多焦油产生。焦油含量高对生物质热值及反应速率、燃气质量等都有很大影响，而焦油却极难控制与处理。在本课题中，模拟生物质可燃气燃烧实验可根据模拟结果查看焦油在反应区内的反应情况。
在现在的技术条件下，生物质气化粗燃气经净化后仍无法实现焦油的彻底脱除。若采用传统燃烧方式，受燃烧过程不稳定、温度难以控制、燃烧效率低等因素制约，气态焦油无法燃尽。残存的焦油在降温温度场与湍流流场中，易与烟气中的颗粒物异质凝结成核，共同进入下游设备造成堵塞。因此，未燃尽的气态焦油、燃烧过程中生成的NOx以及CO造成了生物质燃气燃烧的多污染物排放问题。
生物质燃气在使用范围上已具有一定的推广度。气化获得的生物质燃气，在内燃机、燃气轮机、锅炉及斯特林发动机等装置中，通过燃烧方式转化为电能或热能，广泛应用于农村的生产生活。分布式生物质气化发电与供热技术在缓解秸秆焚烧、改善环境、推动农村用能结构调整方面具有独特优势和广阔应用前景。在选择燃烧方式方面，分级燃烧、耦合燃烧、无焰燃烧、富氧燃烧、烟气循环燃烧以及多孔介质燃烧等技术已日趋成熟。
生物质气化气作为流体，目前主要有三种研究方法：实验法、解析法、数值法[3] 。实验法是在大量的实验基础上结合理论研究建立经验公式。数值分析法是数学与计算机技术结合的一门学科，是利用计算机解决数学问题的理论和方法，是计算数学的一个重要分支[4]。
运用FLUENT模拟求解运算后得到结果，可用于定性或定量地分析生物质燃气燃烧过程。所生成的图形可通过分析、解释得到结论。本次模拟还可参照实验实例验证结果正确性。根据模拟结果，考虑当量比、入口速度燃烧工况等对生物质燃气燃烧与焦油、NOx与CO的排放特性的影响规律，提出更优化的方案来控制污染物的排放。
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