生物质超临界水制氢的数值模拟.pdfVIP

中国工程热物理学会 多相流 学术会议论文 编号：066051 生物质超临界水制氢的数值模拟 ’胥凯卢文强 中国科学院研究生院物理科学学院，北京，100049 Tel：010 Email：!望!g鱼g望曼垒曼：垒曼：曼望 摘要：本文对生物质在超临界水环境下气化制氢过程提出简化的两相流物理化学模型，并利用该 模型进行数值模拟。着重讨论了温度，颗粒半径对生成气体摩尔百分比，气化率的影响。数值结果表 明，颗粒的半径主要影响生物质颗粒气化分解的速率，而温度主要影响颗粒气化产物进一步生成氢气 的过程，对实际的制氢过程中的参数控制具有参考意义． 关键宇：生物质，超临界水制氢，两相流，数值模拟 1．引言 生物质制氢是在将生物质在超临界水中进行气化生成氢气。目前，该项研究主要以 实验手段为主，研究各种参数(温度，压力，催化剂等)对气化率，产氢率等结果的影 响。同时，由于生物质在超临界水环境下的化学反应过程十分复杂，因此对生物质制氢， 的反应机理的研究也在不断的深入。而由于问题本身的复杂性，几乎没有数值模拟结果 的相关报道。 本文将对生物质在超临界水环境下气化制氢过程提出简化的两相流物理化学模型， 并进行数值模拟。讨论温度，颗粒半径对生成气体摩尔百分比，气化率的影响。为实际 制氢过程中的参数控制提供一定的参考依据。 2．物理模型 生物质颗粒和超临界水的混合物以一定的速度不断的加入到反应器中，反应器为一 个轴对称的柱形容器，壁面通过电加热保持一定的温度。生物质在运动过程中受热气化， 同时生成的一氧化碳与水发生水汽转换反应。进一步生成氢气。由于超临界水的特殊物 性，使得生成的气体能够完全溶于其中。文献[1】对实验装置有详细的介绍。 由于生物质的质量分数和体积分数很小，因此把生物质颗粒看作是分散的相。单个 颗粒受热发生热解，是一个大小不变，疏松度逐渐增加，密度逐渐减小的过程。当密度 减d,N初始密度的2％后，认为颗粒已经反应完全。这2％可以理解为生物质中含有的不 参与反应的杂质等。 为颗粒是跟随超临界水一起流动，且流动为层流。实验中的温度和压力远远超过水的临 界点，水的物性变化不大。 3．化学反应模型 目前，关于生物质在超临界水环境下的化学反应动力学研究已经做了很多的工作【21， 对大概的反应过程有了一定的了解，但详细的反应过程及参数仍在研究当中。本文根据 已有的工作提出一个简化的计算模型：假设生物质颗粒的主要成分为纤维素(cellulose)， 在超临界水的环境下能够完全的迅速的转化为葡萄糖(glucose)【3】，而后进一步气化。 另外，在实验中一般含有C2H4，C2H6等多炭气体，但含量很少，因此不予考虑。葡萄糖气 化的反应机理已有人根据实验结果进行了总结【4，51，可用以下反应式表达： 、 C6H100s4-4．5H，O--h4．5CO，+7．5H，4-0．5CO4-CH。 … … L=-101胛土‘’一exp(-63．6±3．9／R疋)C。 同时，考虑生成的CO气体与水发生水汽转换反应： 1065 CO+H，0_CO，+H， (2) 该过程实际为一个可逆的过程，但是在超临界水环境下，水的浓度比其他组分的浓 度大的多，所以只考虑单向的反应。 4．控制方程与求解 ． 这里主要列出颗粒热解过程的控制方程，单个生物质颗粒看作是一个球对称的固体 颗粒，取内部的一个微元控制体，写出