气化气热值与气化炉效率关系分析

图6-30　木质燃料气化炉的效率和气化气热导率与空气当量比的关系

一种有效的气化炉自动控制方法是通过控制气化气的导热系数来优化气化炉的冷空气效率。这种方法的原理是气化炉的效率与气体中的氢含量成正比。如图6-30所示，基于木质燃料实验，将气化炉的部分效率、气化气导热率与空气当量比的关系作图，可以看到气化炉的效率与氢含量以及导热系数密切相关。在这个例子中，最大效率和热导率对应的空气当量比在0.36～0.41之间，与气体氢摩尔分数成比例。因此，除了指示燃料气体中氢含量的热导率信息外，空气当量比还提供了有关气化炉效率水平的有用信息。可以看出气化气的热导率小于氢气的，但比其他主要的气化气成分（CO、CO2、N2、CH4和H2O）的高出近一个数量级。

表6-25列出了常见气化气的主要气体成分的热导率，并以空气的热导率作为参考。可以看出，气化气的总热导率与氢含量成比例变化。导热系数检测器（TCD）和气体导热系数测量技术已经得到了广泛应用。TCD通常与分离装置（如气相色谱柱）结合使用，以检测和量化单个气体化合物。

表6-25　气化气主要成分的热导率和空气的热导率（单位：W/（m·K））

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例如，考虑燃烧木质燃料的鼓风绝热气化炉。如图6-31所示，所计算出的主要气体成分（例如H2、CO2和CO）的平衡摩尔分数以及氮的平衡摩尔分数会根据空气或氧化剂当量比的变化而变化（在这种情况下，气化气被干燥到50℃的露点温度下，以除去水分）。根据每种气体成分的加权平均热导率计算出的热导率绘制的关系曲线如图6-32所示。由于H2的热导率比其他气体成分的高一个数量级，因此总热导率信号与H2的摩尔分数成比例变化。

图6-31　可变化学计量条件下的气化气成分

尽管气体的热值可能是发动机应用中的重要控制参数，但它并不是表征H2含量或气化炉效率的指标。从图6-32可看出，气化气的热值与添加的空气量成比例地降低，这是由于空气的添加稳定地增加了氮的浓度并稀释了高能化合物，例如CH4、CO和H2等。在该示例中，总热效率在空气当量比为0.34时为最大值。

图6-32　木质燃料气化炉的效率和气化气热值与空气当量比的关系