8.1.4.1 生物质气化炉特征
生物质气化是生物质有机物大分子在不完全燃烧条件下生成H2、CO、CH4等可燃性气体和CO2的热化学过程。气化炉分为等离子体气化炉、固定床气化炉和流化床气化炉。其中固定床气化炉根据生物质燃料给料方式的不同又分为上吸式固定床气化炉和下吸式固定床气化炉。由于上吸式固定床气化炉成本较低，运行稳定，国内技术发展相对成熟，因此本节选取的生物质气化炉类型为上吸式固定床气化炉。上吸式固定床气化炉的简化模型如图8-5所示。生物质燃料从气化炉上方进入炉内，空气或其他氧化剂从气化炉下部进入炉内。生物质进入炉内之后的反应可以大致分为四个阶段，即干燥阶段、热解阶段、还原阶段、氧化阶段。由于生物质含水量一般较大，生物质在进入气化炉前还需要经过干燥、破碎和切片等预处理。经预处理的生物质在气化炉中，先经干燥层在300℃左右环境下进行干燥；经干燥的生物质接着进入热解层，在600℃缺氧环境下发生热解反应，生成CO、H2等小分子气体以及少量焦油和水蒸气，同时也伴随着副产物焦炭和灰的生成；热解反应的部分产物随气流进入干燥层进而排出气化炉，热解反应的另一部分产物往下进入还原层，发生的主要反应为焦炭与氧气、蒸汽反应，生成H2、CO、CO2等气体；最后未转化的焦炭进入氧化层，在氧气充足的条件下燃烧，为热解反应提供所需热量。
图8-5 上吸式固定床气化炉的简化模型
8.1.4.2 生物质固定床气化炉气化过程模拟
进入生物质气化炉的氧气量会直接影响气化生成的燃气热值。根据已有文献结果，当气化当量比在0.25左右时，生物质空气气化所得燃气热值最高，所以本节所选取的气化当量比为0.25。假设气化产生的副产物焦炭由碳（C）和灰分（Ash）组成，由于生物质气化过程产生的焦油量很少，因此在计算过程中不计焦油的生成。生物质气化过程的模拟计算是基于质量平衡、能量平衡和整体的化学平衡而进行的。气化炉内生物质发生的主要反应有：
与煤相同，作为非常规组分的生物质在进入气化反应器之前也需要经热解转化成纯物质，此过程用RYield反应器进行模拟计算，产物组分由Fortran语句根据生物质燃料的元素分析和工业分析进行控制和计算。生物质气化过程是一个整体的化学平衡过程，所以本模型选取RGibbs模块模拟气化反应过程，气化反应在高温下接近化学平衡。假设生物质干燥之后的水分含量是已知的，所以我们选择RStoic模块用来模拟干燥过程（水分蒸发）。燃烧过程也是基于吉布斯自由能最小化原理，所以燃烧过程也使用RGibbs模块。结合上吸式固定床气化炉的结构特点，生物质固定床气化炉气化全流程模拟计算模型如图8-6所示。
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图8-6 生物质固定床气化炉气化全流程模拟计算模型
选取三种典型生物质——木屑、玉米秸秆和稻谷壳开展研究，燃料的元素分析和工业分析分别如表8-8和表8-9所示。
表8-8 生物质燃料元素分析（干燥基）
表8-9 生物质燃料工业分析
计算所得的三种生物质的气化产物如表8-10所示，该结果和大部分的文献所得数据相符。
表8-10 模拟所得的三种生物质气化产物成分
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