本书所研究的生物质与煤复合串行气化过程中，气化阶段是产生富氢燃气的过程，也是本工艺最重要的过程。气化剂水蒸气进入炉内首先与燃烧阶段未燃尽的煤焦炭颗粒发生气化反应，所产气体以及未反应的水蒸气再与生物质焦炭颗粒发生气化反应。这里涉及焦炭与气体之间的非均相反应和气体之间的均相反应，准确地对这些化学反应进行描述是本工艺数学模型的核心。

1.均相反应

在生物质与煤复合串行气化过程中主要涉及的均相反应是水煤气反应（Shift Reaction）。高温的碳和水蒸气发生反应生成CO，然后CO再与水蒸气作用，发生以下反应：

该反应实际上是在焦炭颗粒表面进行的均相反应，很少在气相中进行，在400℃以上即可发生，在900℃时与水蒸气分解的速率接近。理论上当反应温度超过1 400℃时该反应的速率很快，但是由于原料特性的限制，一般气化炉的温度都不能达到该值。该反应具体的反应速率如下：

式（4.83）中，r6为反应速率：

式（4.84）中，k为反应速率常数：

keq为该反应的平衡常数：

2.非均相反应

焦炭气化过程的机理十分复杂，也有大量的学者对其做了研究，表4.4为焦炭气化过程动力学模型，可以发现模型的形式差异较大，并没有一个通用的模型适合每一种气化炉。

表4.4　焦炭气化过程动力学模型

经过研究发现，其中的JM模型运用于本工艺的数学模型中可以取得较准确的结果，该模型是Johnson根据在热天平装置上进行的几百次实验提出的一个经验动力学关系式。这个模型假定焦炭在含H2－H2O的气氛中可能发生相互独立的三个气化反应：

式（4.87）～式（4.89）中，r7、r8、r9分别为R7、R8、R9的反应速率。

根据JM模型，将以上三个反应的总的碳转化速率用以下方程表示：

式（4.90）～式（4.92）中，ρo为焦炭的密度（kg／m3）；MC为焦炭中碳的质量份额；mwC为碳的摩尔质量（kg／kmol）；α为动力学参数。其表达式如下：

式（4.94）中，pi为第i种气体的分压力（bar）。

在JM模型中常用到压力参数，但是由于压力值是不易测量的参数，因此本书将其转化为易测量的摩尔浓度进行表述。假设参加气化反应的气体为理想气体，以下等式成立：(www.daowen.com)

式（4.95）中，Ci为第i种气体的摩尔浓度（kmol／m3）；pi为第i种气体的分压力（kPa）；R为普适气体常数（R＝8.31 kJ／（kmol·K））；Tg为气体温度（K）。

由于JM模型中采用了不好测量的压力pi作为参数，其单位为bar。由于气化炉运行时处于微正压状态，因此可将炉内气体视为理想气体处理，所以本书中考虑将不好测量的压力参数转化为好测量的浓度参数进行计算，而在理想气体转化的公式（4.95）中，pi的单位是kPa，所以需要将公式（4.95）进行一定的变形：

将式（4.96）代入式（4.94）中得到

fL为相对活性因子，它依赖于煤焦类型和煤焦预处理温度。

式（4.98）中，Tf为炉膛温度（K）；TP为焦炭颗粒温度（K）；f0 L为相对反应因子，该参数与焦炭的种类有关，其表达式为：

式（4.99）中，Y为原煤（daf）的含碳量。

K7为R7的反应速率常数，其表达式为：

K8为R8的反应速率常数，其表达式为：

K9：R9的反应速率常数，其表达式为：

Keq，7为R7的平衡常数，其表达式为：

Keq，8为R8的平衡常数，其表达式为：

Keq，9为R9的平衡常数，其表达式为：

KT为气化阶段非均相反应的总的反应速率常数，其表达式为：