近百年间全球变暖趋势非常明显,人们焚烧化石燃料，如石油，煤炭等，或焚烧秸秆时会产生大量的二氧化碳，温室效应不断积累，导致水资源短缺、生态系统退化、土壤侵蚀加剧、生物多样性锐减、臭氧层耗损、大气成分改变等等方面,对人类的生存和社会经济的发展构成了严重威胁,引起了世界各国政府和公众的广泛关注。为积极应对节能优先的能源政策,对能源生产、输送、加工、转换到最终利用的全过程实施节能管理，积极开发可再生能源技术以及高效、洁净、低排放的煤炭利用技术和氢能技术,重点突破可再生能源发电技术以及生物质液化、气化技术,转变经济增长模式。
其中生物质能以其储量丰富、分布广泛、环境友好等优点成为最有发展前景的可再生能源之一。传统的生物质处理方法包括填埋、焚烧、气化等，其中生物质气化技术具有传热传质效率高、温度控制方便、混合特性好等优点，并且生物质气化具有环保性和较高的经济效益，逐渐发展为近年来最广泛应用的生物质处理技术之一。生物质气化是一个涉及大量复杂多相物化过程的过程。具体来说，生物质转化为合成气，包括氢、一氧化碳和甲烷。这些高热值的合成气具有广泛的工业应用（如通过燃烧产生热能和机械能，也可作为合成其他液体燃料的原料）。
本文利用Fluent软件对生物质气化过程进行模拟。将生物质热解产物简化为水蒸气与焦炭两种物质，建立三维等离子气化炉模型，将焦炭固定在气化炉底部，向炉内注入水蒸气，将等离子火炬初始温度设置为2000℃，研究对比不同水蒸气入口速率和不同等离子火炬初始温度下的合成气产率以及炉内各种气体压力、速度、离子浓度差、流场的分布情况，分析生物质气化的优缺点。
近几十年来，由于全球变暖加剧、化石资源枯竭、世界能源需求不断增长等因素的影响，可再生能源得到了广泛的研究。在许多现有的可再生能源选择中，生物质转化占所有可再生能源生产的70%以上，占世界总能源供应的10%。由于许多因素，生物能源是一种很有吸引力的替代能源：它是唯一可以用来产生热量的能量转换形式，由于其在许多国家的丰富性，通常成本较低；它是环境友好型的，因为它可以吸收燃料消耗过程中排放的部分二氧化碳，减少温室气体排放；它可以促进废物管理控制；最后，它可以在开发此类技术的地区促进区域和社会经济发展，主要为农村地区。生物量资源通常是农业或林业资源残留物，包括木材、甘蔗、玉米、小麦、大米和大豆废料。传统的生物质利用通常会产生非常低的效率和有害的排放物，从而导致健康问题。因此，要发展可持续的生物经济，不仅必须提高传统生物量转化的效率，而且必须发展现代可再生的做法。现代可再生生物量转化途径可包括生化或热化学途径。生物化学路线使用酶和微生物细胞，它们被添加到热量和化学物质中，将生物量转化为生物醇、生物柴油、生物原油和生物合成油。另一方面，热化学路线利用热量和催化剂将高碳材料转化为中间产品，如生物油和合成气。与生物途径不同的是，热化学转化过程是稳健和灵活的，因为它们可以接受多种原料。
气化是生物质热转化最有吸引力的选择之一，不仅对环境友好，而且与燃烧和热解相比，气化能提供更高的效率。气化是指在600-1500℃左右的温度下，在气化剂和低于氧化化学计量值的氧气存在下，将含碳固体或液体主要转化为可燃气体。如果气化是在较低的温度下进行的，则可燃气体称为产品气或生产气，可由氢、一氧化碳、二氧化碳、甲烷、低烃量和其他污染物组成。但是，如果发生炉气体经过清洗后处理，或者生物质气化发生在更高的温度下，则生成的气体混合物称为合成气或合成气，其主要成分可以是氢、一氧化碳、二氧化碳、水和较少的污染物。在这项工作中，术语“合成气”和“合成气”用于通过气化产生的所有气体混合物。合成气具有广泛的低附加值和高附加值应用，例如发动机或燃气轮机中合成气燃烧产生的电和热，以及分别用于合成有机酸、醇、酯和碳氢化合物的催化和生物催化过程。最近，通过生物量转化实现可持续能源生产越来越受到人们的关注。在热化学转化技术中，气化技术有趋势取代直接燃烧排放的对环境造成威胁的空气污染物。
Y.Chai等研究学者[1]对Ni-CaO-C催化剂进行了加氢和不加氢实验，考察了原料配比、重整温度和注水流量等操作条件对制氢的影响。结果表明，Ni-Al2O3或Ni-CaO-C催化剂能有效地促进氢气的生成。Ni-CaO-C催化剂的制氢性能明显优于Ni-Al2O3催化剂。Ni-CaO-C的催化作用顺序为HDPEPPPS，与生物质混合时，原料中的塑料含量小于40%（HDPE和PP）和30%（PS），达到较高的制氢量。I.L.Motta等研究学者[2]概述了气化概念，并在模拟的基础上进行深入讨论，生物质水分和压力对几种流化床气化器不同参数影响的实验室和示范规模研究。A.Soria-Verdugo等研究学者[3]采用鼓泡流化床反应器对木质纤维素生物质进行了水蒸气气化，分析了反应器产气组成、焦油组成和温度分布。通过比较广泛应用于生物质气化的橄榄石床和海泡石颗粒产生的焦油，研究了海泡石颗粒的催化和吸附效果。发现海泡石具有较低的颗粒密度，影响了燃料和煤焦颗粒的受力，使其在气化过程中更均匀地分布在致密床层中。T.Qi等研究学者[4]采用综合粗颗粒模型（CGM）对鼓泡流化床生物质蒸汽气化过程进行了数值模拟。通过与离散元法（DEM）预测结果和实验室沸腾炉实验数据的比较，对CGM的流体力学性能和传热性能进行了评价。利用CGM研究了不同操作温度、不同蒸汽/生物质（S/B）比对气化过程和产品气组成的影响。发现了较高的温度有利于CO的生成，较高的S/B比有利于H2的生成，但抑制了CO的生成，对于主产物H2，CGM与实验相比最小相对误差为1%，最大相对误差小于4%。对于总产气量和H2产气量，最大相对误差小于7%。不同产品气体浓度的预测值与实验值吻合较好。同时也发现CGM方法在大大缩短计算时间的前提下，为流化床气化过程提供了可靠的预测。S.l.Yang等研究学者[5]采用CFD-DEM（计算流体力学离散元法）模型，考虑传热、均相和非均相化学反应，对生物质在三维鼓泡流化床中的气化过程进行了数值研究。结果表明，右侧壁生物量入口导致重要床层流体力学和气体浓度横向不对称分布。提高温度、蒸汽生物量比和当量比都会增大固相的气隙、流体力、碰撞力和分散系数，但对不同的均相反应速率有不同的影响。强烈的水平和垂直固体分散分别出现在床层的横向中心和侧壁。本文的研究结果为生物质气化鼓泡流化床的流体力学研究提供了有价值的见解，对生物质气化鼓泡流化床的运行、放大和优化具有一定的参考价值。S.S.Raza等研究学者[6]研究开发了两种不同原料的气化方法，即等离子体气化和常规空气气化。这两种方法都是基于非化学计量吉布斯能量最小化方法。该模型考虑了Masdar研究所废物能源实验室分析的不同类型的原料、氧化剂和等离子体能量输入，并对合成气成分进行了准确评估。根据产品气体组成和工艺效率计算了等离子气化和常规空气气化的结果。等离子体气化的结果表明，利用废轮胎材料和煤都可以获得较高的气化效率，并计算了等离子体气化的第二定律效率，学者根据研究结果发现与其它原料相比，等离子体气化对轮胎和煤的气化效率较高。等离子体气化的平均工艺效率约为42%。而常规气化的平均效率为72%。得出了只要考虑危险废物的处理，等离子体气化是一种可行的能源回收方案的结论。N.Mazaheri等研究学者[7]研究通过介绍理论/计算建模所需的基本知识和回顾气化过程的替代数值模型。简要概述了建立系统模型所需的知识，还讨论了以先进生物燃料为重点的生物质原料类型的重要性，并在建模部分重点讨论了木质颗粒，构建出了气化炉内化学平衡、动力学、传热传质模型，阐述了不同参数对气化炉内温度变化的影响并对这些模型进行了综合应用，为气化过程的建模提供了一条清晰的途径，为生物质气化过程的数值模拟提供了一个框架，以优化转化过程的效率。
李振伟等研究学者[8]将气化过程与化学循环技术相结合，为生物质转化提供了一条有前途的途径，以期在不进行空气分离的情况下获得高质量的合成气。采用计算流体力学方法，研究了在鼓泡流化床（BFB）燃料反应器中，铁基氧载体和连续进料对生物质气化的影响。分析了两相混合和分离行为对气体成分分布的影响。发现随着温度的升高，CO、H2的浓度增加，煤气产率和气化效率提高，而烃类和CO2的浓度降低，是因为温度升高有利于吸热反应的进行。提高生物质的进料速度，可以获得更高的气化效率和更有价值的合成气，但由于O、C燃料比相对较低，碳转化效率较低。含10-50%蒸汽的气化气氛也显著提高了氢气浓度、煤气产率和气化效率。梁容线]，利用Fluent软件对生物质气化过程进行了模拟，通过数值模拟研究了随着初始温度的改变对气化最终温度的影响情况，对最终气化产物与二氧化碳占比的关系进行分析，得出了在一定温度范围内初始温度的变化对气化装置中最终的温度影响不大；在一定范围内给定壁面合适的温度时，有利于一氧化碳和氢气的生成以及加入适量比例的二氧化碳有利于一氧化碳和氢气的生成，同时可以减少气化过程中生成的二氧化碳的结论。陆杰等研究学者[10]在鼓泡流化床装置为基础上建立生物质气化的三维数值模型，发现了当量比增大时，CO和H2的浓度先增后减。富氧浓度升高时，CO和CO2浓度迅速增大，H2浓度略有下降，产气率和碳转化率逐渐减小。在低当量比下，产气热值较低，焦油含量较高。
气化是利用碳基原料最有效的能量转换技术之一。气化炉的设计和运行要求了解气化过程、气化炉结构、气化炉尺寸、原料尺寸、原料特性以及用于生物能源生产的气化炉的运行参数。气化将含碳原料转化为气体燃料或化学原料，这些燃料或化学原料可进一步燃烧以释放能量，或可用于生产附加值化学品，例如氢。尽管气化和燃烧之间具有相对的相似性，但它们在处理产品气和产品气化学键内的可用能量方面有所不同。燃烧的区别在于通过破坏化学键释放能量。气化的主要功能是通过从碳氢化合物原料中剥离碳并添加氢来产生高氢碳比的气体。传统的气化过程遵循几个连续的步骤：（1）干燥，（2）热解，（3）气体、蒸汽和煤焦的部分燃烧，（4）燃烧产物的还原。气化是燃烧后的一步，利用还原区从燃烧产物中制取氢气和一氧化碳。为了准确地模拟热化学过程，需要对气化过程的每一步都有清楚的认识。在理想的完全气化过程中，合成气仅由CO和H2组成。
本文对干燥、热解、气体与蒸汽和煤焦的部分燃烧不作探讨研究，仅对热解产物气化还原这步进行深入研究，生物质热解产物仅考虑水蒸气与固定碳(液态)，其反应方程式为：
（3）以生物质颗粒为研究对象，基于CFD（ComputationalFluidDynamics）下的生物质气化模拟分析，对反应C(l)+H2O(g)→CO(g)+H2(g)从等离子浓度分布、速度分布及温度分布三部分对炉内的气化反应进行分析模拟。
本章对生物质气化的研究背景及意义进行了概述，对生物质气化的国内外研究现状进行了阐述，同时对本文主要研究内容进行了概述。其生物质气化的研究意义主要在于减少环境污染所导致的全球气候变暖和通过增加可再生能源利用方式来减缓化石资源枯竭以满足全球能源需求的不断提高这两大方面。其国内外研究现状主要是指通过气化介质来进行空气气化、氧气气化、水蒸气气化、氢气气化和热分解气化五种方式将生物质气化产生的合成气用于生物质气化供气和生物质气化发电两种用途。
本文选择基于压力的求解器，以欧拉双流体非稳态模型为基础并激活重力，设置参考方向负Y。分别对气相和液相建立连续性方程、动量方程、能量方程和组分输运方程。气相、液相建模时采用realizablek-ε湍流模型。.Reactions中勾选volumetric，选择入口扩散，选择混合组分。
当只有流场时S设为0，当存在异相反应时，在气相和液相之间存在质量、动量及热量交换。在本模型中，固定碳（固体碳在2000℃的高温下呈液态）与水蒸气发生反应使得液相变为气相，所以质量源项[11]为
式中:H,λ,Q口分别为焓、混合物热导率、气相和液相间的换热量;u为速度。
本文不讨论生物质干燥、热解过程，仅对热解产物中主要的有机物成分碳与注入的水蒸气发生的氧化还原应得到合成气（H2和CO）过程进行研究分析，该过程中的化学反应为
生物质气化是一种热化学反应，气化产生的合成气体主要为H2和CO两种成分，可用于燃气发电或作为生产动力，具有可再生以及环境友好的良好属性，减缓了秸秆等其他农作物燃烧对环境产生的污染同时增加了秸秆等农作物的利用效果。目前我国在该技术方面主要研究有流化床、固定床以及直接干馏热解三种工艺类型。固定床气化工艺大多采用氧气、空气等为气化剂，气流方式有上吸式、下吸式以及平吸式，特点是气化炉设备结构简单、便于操作、能够实现多种不同的生物质原料的热解气化、成本投资少等。流化床气化工艺的气固两相接触混合充分，停留时间短暂，床内的压力降低较高，加热较快，气化反应发生的速度快，生成的可燃气产率高，炉内温度高且保持不变，可燃气中焦油含量较固定床气化工艺小，但出炉的可燃气中灰分较多，适合于大型的工业供气系统，但结构复杂，设备成本投资较多。生物质气化过程就是指生物质高分子在高温条件下和气化剂水蒸气、氧气空气等发生反应变成小分子清洁可燃气体的过程。生物质气化大致分为两个过程：（1）生物质的干燥过程（2）热解过程（2）氧化及还原过程。
生物质原料的各种物理化学特性在生物质气化过程中起着举足轻重的作用。据观察，该工艺最终产品的质量在很大程度上取决于生物量的类型。文献[12]报道了不同生物质材料气化的不同研究，并对其进行了总结。在一些研究中，对生物质原料进行了干燥、致密化、成型等预处理，以提高最终产品质量。然而，生物质材料的干燥也发生在气化炉反应器内部，但更多的水分会导致能量损失，降低产品质量。根据生物质的性质，水分含量的存在通常从5%到35%不等，在大约100℃的温度下转化为蒸汽。由于燃烧区的传热，生物质的干燥发生在燃料仓部分。但是，由于温度较低，在干燥过程中，燃料的挥发性物质不会发生任何热分解。
由文献[12]可知热解是生物质燃料在缺氧/空气条件下热分解的一个复杂过程。它的发生释放出固体木炭、液体焦油和气体，其比例取决于所使用的生物质燃料的性质和工艺的操作条件。生物质热解主要包括干燥脱水、888集团官网入口过渡阶段、热解阶段和碳化阶段四部分。在热解过程中，干燥和组分分子量的降低同时进行，而水分在200℃以下被去除。当该温度升高到300℃时，生物质组分的主要非晶纤维素的分子量的降低开始于羰基和羧基的形成群体激进分子。一氧化碳和二氧化碳也在还原过程中形成。当温度升高超过300℃时，生成的结晶纤维素会随着煤焦、焦油和气体产物的形成而分解。半纤维素分解成可溶的聚合物，形成挥发性气体、煤焦和焦油。木质素在300到500℃的高温下分解，形成甲醇、乙酸、水和丙酮。
总的来说，大型生物质生物聚合物，如纤维素、半纤维素和木质素，会转化为碳（炭）和中等大小的分子（挥发物）。因此，生物质在125-500℃的温度范围内发生热解，并以焦油的形式冷凝碳氢化合物。在300℃以下发生的化学反应是放热反应，而超过300℃的化学反应称为吸热反应。因此，对于木炭制造，300℃的温度是足够的，不需要外部加热。但是对于高温热解过程，需要外部加热以最大化气体或液体燃料的产量，生物质热裂解技术凭借连续的工艺技术和工厂化的生产方式把以木屑、秸秆等废弃物为主的生物质转化为高质量的便于储存、便于运输、能量密度高而且使用方便的代用液体燃料（生物油）。与常规的化石燃料相比，生物油因其所含的S、N等有害成分含量极小，被看作21世纪的绿色燃料。我国的生物质热解技术现应用于生物质、生物质颗粒、木屑、木粉等燃烧机中。
在氧化过程中，生物质的挥发性物质在放热化学反应的作用下发生氧化反应，并与CO、H2、CO2、H2O等气体燃料产生峰值温度在1100～1500℃之间的热，这一阶段的气化过程非常关键，决定了最终产品的类型和质量。一些关键参数，如反应器内的压力和温度，气化剂（氧气、空气和蒸汽）的类型，对发生炉煤气的产量起着重要的作用。在最近的研究活动中，蒸汽被认为是最相关的气化介质之一，也有助于气体重整过程。然而，空气中产生的氮氧化物较多，对最终产品的加热特性影响很大。此外，氧作为理想的气化剂，在发电用煤气中也有报道。同时，燃烧区放热反应产生的热量也被用于生物质干燥和热解反应，产生挥发性物质，为还原反应提供热量。在这一区域，固体碳化燃料和空气中的氧气之间发生非均相反应，产生二氧化碳、一氧化碳和大量热量。氢还与氧结合生成水蒸气。其反应方程式主要有：
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