基于CFD的生物质气化过程仿真研究
摘要：生物质能源得到越来越多的关注，与其他化石能源相比，具有明显的清洁与可再生性优势主，生物质气化是重要的生物质能源利用技术。然而，生物质气化过程包含了十分复杂的物理化学变化，仅通过试验方法无法获取气化过程内部温度场、浓度场信息，借助仿真技术可以更好地深入研究气化过程。本文研究目的是利用Fluent软件以模拟复杂气化过程温度场与浓度场，使我们能够更加直观准确的了解生物质气化过程。
关键词：生物质气化；Fluent；过程仿真；温度场特征；浓度场特征
1.1 研究背景
能源是人类文明得以存在和发展的坚实基础。当今世界，随着世界科学技术和经济社会的快速发展，人类对能源的需求也越来越大。中国能源总消费量巨大，同时能源需求还在不断的增加。并且我国能源消费结构也不合理，煤炭消费占总能源消费的70.4%。与发达国家相比，石油和天然气消费量依然偏低。虽然最近几年我国的能源消耗的增长速度有所放缓，但是高能耗所带来的资源消耗和环境污染问题一直都没有得到根本性的解决。
众所周知的是，我国是一个工业大国。长期以来中国经济始终坚持不断权衡降低能源消耗和实现可持续发展两者之间的矛盾，国家为了持续改善能源消耗现状，提出了坚持“节约优先”等八项能源可持续发展方针，促进能源可持续生产和利用，构建清洁、安全、稳定、经济的现代化能源产业体系，努力以能源的可持续发展为经济社会的可持续发展提供保障。可再生能源在中国发展迅速，但总量依旧很小。为此，中国积极开展多种可再生能源的推广应用。中国在生物质能利用方面还有很长的一段路要走，如何清洁高效的利用生物质能，是我们的探索目标。
随着我国经济的快速发展,环境空气质量同时也面临着威胁,大气环境形势已经进入复合型污染阶段,其中由燃煤所带来的大气污染愈发严重。为改善燃煤所引发的空气质量危机,各省市大力发展天然气能源,然而由于天然气资源缺乏,各地接连发生天然气资源供应不足的困境。生物质能源以其来源广、可再生、零排放、环境友好等优点逐步进入人们的视野,以生物质燃料作为城市能源供应,一方面可以杜绝我国农村地区广泛存在的农作物秸秆焚烧污染现象,另一方面可有效的缓解能源危机,优化能源结构,是我国大力鼓励与扶持的新型可再生能源[5]。但是,在我国生物质能发展过程中也面临着相关环保标准体系不完善等短板,为生物质能在我国快速稳健的发展带来了隐患。
1.2 生物质气化原理与技术
生物质气化指的是生物质燃料在高温的条件下与一系列的气化剂（空气、氧气、空气/水蒸气、氧气/水蒸气）发生不完全氧化反应，将生物质燃料转化为气体燃料的过程[6]。在能源利用过程中，我们不难发现生物质的运送是生物质利用急需解决的一个问题，而将生物质气化后变成了气体燃料就可以有效解决这一问题。气体燃料易于管道输送、燃烧效率高、燃烧过程易于控制、燃烧器具比较简单、无颗粒物排放，因此是品位较高的燃料。生物质气化的能源转换效率较高，设备和操作简单，是生物质主要转换技术之一。
生物质气化是生物质热解、热解产物燃烧以及燃烧产物还原等众多复杂反应的集合[7]。对于不用的气化装置、工艺流程、反应条件和气化剂种类，反应过程不完全相同，我们实验中通常采用下吸式固定床气化炉，空气作为气化剂。四个阶段如下：
- 燃料干燥
燃料进入气化炉之后，首先被加热析出表面水分[8]。干燥过程的温度通略微高于100℃。该过程是一个简单的物理变化过程，生物质燃料的化学组分没有发生变化，过程较缓慢且期间燃料温度基本保持稳定。
- 热解
温度升高到150℃以上时，燃料开始热解，析出挥发分，随着温度的升高，反应也会越发的剧烈。在气化装置内发生的热解不是一个独立热解的过程，随着温度逐渐升高，与氧反应使温度迅速提高，加速热解。热解是中间过程，燃料析出的挥发分与留下的木炭为下一阶段的反应做好了准备。该过程产物有C（s）、H2、CO、CO2、H2O、CH4。
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