生物质气化炉模拟与设计方法研究进展_中国煤炭行业知识服务平台

创新点

气化是生物质能源化利用的高效、清洁技术，而气化炉设计是影响生物质气化系统运行效果的关键因素之一。传统气化炉设计方法主要依靠设计者的设计经验，气化炉设计自由度和运行效率相对较低。近年来，气化炉模拟与设计方法不断发展，为其精细化设计带来突破。对此，本文系统总结了国内外生物质气化炉的种类、设计参数与研究现状，综述了生物质气化炉前沿模拟与设计方法，并对生物质气化炉模拟与设计领域未来发展方向进行了探讨，以期为本领域技术革新与应用提供借鉴参考。

作者简介

陶俊宇讲师

陶俊宇，1992年10月生，于天津大学环境科学与工程学院获学士、博士学位，现任天津商业大学环境能源+X创新实验室副主任，入选第八届中国科学技术协会青年人才托举工程。从事固废处置与利用、生物质能源化领域研究，取得特色成果。以第一或通讯作者在ES&T等环境能源领域高水平期刊发表论文30余篇，其中SCI中科院一区期刊论文20余篇；获2022年度天津市科学技术进步一等奖（排名第7）；担任国际期刊Carbon Research青年编委（2022.01 ~ 2025.12）、国家基金委生物质能发展战略研讨会学术秘书（2023.07.29 ~ 2023.07.30）、第4届国际生物质/废物能源与环境会议学术秘书（2023.09.21 ~ 2023.09.23）；承担国家自然科学基金青年项目、科技部重点研发计划子课题、科技部国际合作项目任务、企业科技创新合作项目等；授权国际、国内发明专利14件，参编专著2部。

生物质气化炉模拟与设计方法研究进展

作者

宋子芸1，陶俊宇1,*，胡永杰2，夏晒歌2，颜蓓蓓2，李健2，周生权2，程占军2，陈冠益1

单位

1. 天津商业大学环境能源+X创新实验室/机械工程学院

2. 天津大学环境科学与工程学院

基金项目

1. 国家重点研发计划资助项目（2022YFD1601100）

2. 天津市自然科学基金重点资助项目（22JCZDJC00530）

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摘要

生物质作为一种一次能源和可再生能源，对我国能源领域的低碳、可持续发展具有重要意义。气化是生物质能源化利用的高效、清洁技术，而气化炉设计是影响生物质气化系统运行效果的关键因素之一。本文系统总结了国内外生物质气化炉的种类、设计参数与研究现状。首先介绍了各种生物质气化炉模拟方法，包括传统经验模型、人工神经网络等方法，这些模拟方法对于深入理解气化过程中的关键参数非常重要。其次，本文讨论了生物质气化炉的设计方法，包括经验设计法、半经验设计法和反向设计方法等方面的研究，这些设计方法的发展旨在提高气化炉的效率和增加生产的可持续性。最后，本文强调了生物质气化炉模拟与设计方法在推动可再生能源领域的重要性，并对生物质气化炉模拟与设计领域未来的发展方向进行了探讨，以期为本领域技术革新与应用提供借鉴参考。

研究背景

化石能源是人类目前依赖的主要能源，且需求量日益增加。然而化石能源不可再生且储量有限，其使用也带来了严重的环境污染与碳排放问题，因此亟待开展清洁可再生能源替代的研究生物质能具有与化石燃料接近的燃烧特性,且具有可再生性与零碳排放性,是最有希望在未来替代石油的新型能源之一。

气化是生物质能源化利用的重要方式，通过干燥、热解、氧化和还原气化四个步骤，将生物质转化为可燃气产物。上述过程均发生在气化炉内，因而气化炉的设计水平会显著影响生产合成气的质量。生物质气化炉的原理如图1所示。传统的气化炉设计通常是根据工程经验制造具有所需规模的气化炉，然后调整运行参数使其符合原料和设计目标。这种基于经验的生物质气化炉设计方法存在两方面瓶颈：(1)不同的生物质原料具有不同的化学成分和燃料性能，因此根据某特定的生物质原料设计的气化炉可能对其他原料难以达到高运行效率；(2)生物质气化项目具有不同的设计目标，因此规模相近的生物质气化项目可能具有差异显著的设计需求。上述瓶颈使得传统经验设计所得的生物质气化炉往往难以达到高水平的效果。近年来，为了使气化炉设计满足生物质原料与设计目标的需求，越来越多的研究者采用理论模型或经验模型对气化炉炉体供风系统、水蒸气介质循环反应系统、净化器等结构的参数进行模拟与优化设计。

模型的建立有助于解析炉内的流动、燃烧、传热和污染物排放等过程，可以预判运行参数对气化炉性能的影响，对系统进行优化，提高燃烧效率并减少污染物的排放，进而减少气化炉运行和投资费用；模型的建立有助于明晰气化炉动态运行及变负荷运行的特性，从而优化对气化炉运行过程的控制；模型的建立有助于气化炉的大型化发展，降低大型气化炉设计的实验成本。从建模原理的角度，气化模型可以划分成两种类型：一种是理论模型，另一种是经验模型。其中理论模型包括动力学模型、热力学模型、网络模型等，经验模型则以人工神经网络模型为主。此外，也有部分前沿研究将两类模型结合，构建半理论-半经验模型，以期取得更好的预测精度。

通常来说，建模是气化炉设计的第一步，理论模型也为描述气化炉基本运行机制和性能提供了重要依据。模拟水平高的气化炉模型可以更准确地描述气化过程中的各种物理、化学和热力学现象。精确的模拟结果有助于设计者更全面地了解气化炉的性能特征，提前发现潜在的问题，从而设计出更可靠、稳定的气化炉。而在设计生物质气化炉时，模型的预测结果通常需要与实验数据进行比较验证。实验数据可以用于改进和校准模型，确保模型的准确性和可靠性。通过反复的模型-实验循环，可以逐步优化气化炉的设计和操作参数。总体而言，生物质气化炉的设计与模型之间是相辅相成的关系。模型为设计提供理论指导和优化方向，而设计和实验数据的反馈也为模型提供验证和改进的机会，共同推动气化炉技术的进步与应用。

基于上述背景，本文总结了生物质气化炉的种类及其参数对性能的影响，介绍了国内外关于生物质气化炉的研究概况，概述了生物质气化炉的设计方法以及模拟方法的研究进展，探讨了目前气化炉设计和模拟上存在的瓶颈问题，并提出了可能的解决方法,以期为本领域技术革新与应用提供借鉴。

部分图片

图1 生物质气化炉的原理图

图2 生物质气化炉分类

图3 反向设计流程图

引文格式

宋子芸,陶俊宇,胡永杰,夏晒歌,颜蓓蓓,李健,周生权,程占军,陈冠益.生物质气化炉模拟与设计方法研究进展[J/OL].能源环境保护:1-13[2023-11-15].https://doi.org/10.20078/j.eep.20231104.

SONG Ziyun,TAO Junyu,HU Yongjie,XIA Shaige,YAN Beibei,LI Jian,ZHOU Shengquan,CHENG Zhanjun,CHEN Guanyi.Research advances in simulation and design of biomass gasifiers[J/OL].Energy Environmental Protection:1-13[2023-11-15].https://doi.org/10.20078/j.eep.20231104.

　　责任编辑：宫在芹

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