生物质能是可再生能源领域中资源量最大且零碳排放的一种能源，但是目前生物质的利用情况并不理想，由于技术经济原因，仍有大量生物质被露天焚烧。这种处理方式带来了严重的大气污染，研究表明生物质焚烧是产生雾霾现象的一个重要因素。研究如何清洁、高效、可持续地利用生物质能在解决能源危机、改善环境等诸多方面都具有重要的意义。本书提出的生物质与煤复合串行气化方法，为清洁、高效、可持续地利用生物质能提供了新途径。

本书介绍了生物质与煤复合串行气化系统的工艺流程，建立了该工艺的数学模型。第一个模型为面向工程应用领域的生物质与煤复合串行气化过程的热力学平衡模型，该模型预测精度较高且消耗较少计算资源。将模拟结果与实验结果相对比，验证模型的准确性后，对各操作参数对模拟结果的影响进行了分析并给出了最佳操作条件。第二个模型为面向科研、气化工艺设计领域的基于反应动力学、流体动力学和传质理论，并结合实测数据的生物质与煤复合串行气化过程的综合数学模型。建立该模型首先需要确定模型的整体框架，将需要研究的各子模型列出，包括干燥子模型、热解子模型、气化子模型、质量平衡子模型、能量平衡子模型等众多子模型，然后依据流体动力学、反应动力学、传质理论以及多区温度关联式对各子模型进行详细的研究，确定最准确的描述方法，形成一个完整的数学模型。通过模型模拟结果与实验结果相对比，验证模型的准确性，然后利用模型对生物质与煤复合串行气化过程进行详细的参数的敏感性分析，研究影响气化性能的指标参数，再给出最优的设计参数和操作条件。本书的研究内容和结论主要包括下面几个方面：

（1）本书提出了生物质与煤复合串行气化方法，在该气化方法中分为燃烧阶段和气化阶段，这两个阶段在同一炉内进行。本工艺气化工作流程如下：在燃烧阶段，空气阀和烟气阀处于开启状态，炉内通入煤，煤与空气发生燃烧反应放出热量。该阶段的目的在于提升炉内温度，当炉内温度升高到预定参数时，系统将关闭风机停止供应空气，相应阀门也会联动启闭：然后空气阀、烟气阀关闭，水蒸气阀、燃气阀打开，系统切换至气化阶段。在气化阶段，炉内通入生物质，炉底通入水蒸气，水蒸气首先与燃烧阶段未燃尽的煤焦发生气化反应，然后再与热解后的生物质焦发生气化反应，产生富含H2的中热值可燃气，由于气化反应是吸热反应，因此炉温会逐步下降。当炉温达到预设值时，系统又会切换至燃烧阶段以提升炉温。如此，两个阶段往复循环制取富氢燃气就是生物质与煤复合串行气化工艺。

相对于气化技术中常见的双流化床方案，该方案有更好的运行稳定性。该工艺中气化剂采用水蒸气，相比于富氧气化技术能减少初期投资和运行成本，而且所产气体为H2含量较高的中热值燃气，一方面，其产品能有效地提高燃气的热值；另一方面，也可作为合成气，在化工领域作为原料合成其他产品。该工艺可以克服生物质原料来源不稳定的问题。由于许多生物质原料存在季节性问题，而煤却不存在这方面的问题，因此当生物质原料短缺无法满足设备运行时，可以采用煤代替生物质。

（2）本书提出了双区温度关联式和多区温度关联式，分析实验测试数据得到了气化炉内不同区域温度变化规律，解决了模拟过程中使用常规的传热模型无法得到准确的气化炉温度分布的难题，而且在提高了模型模拟精度的同时，使模型得到了简化。

（3）本书建立了生物质与煤复合串行气化过程的热力学平衡模型。模型根据该工艺的特点分别设计了燃烧子模型和气化子模型，然后通过耦合形成热力学平衡模型。研究表明，模型模拟结果与实验数据总的变化趋势一致，实验值中有N2和O2的存在，这是由于有部分燃烧阶段的烟气掺混进入气化阶段所产生的燃气中。总的来说，该模型能很好地反映操作条件对所产气体组分的影响规律。该模型可以正确地反映炉内特性、运行工况和预测产气组分，因此在工程领域应用该模型可以快速地确定所需调节运行参数。(www.daowen.com)

（4）本书建立了生物质与煤复合串行气化过程的综合数学模型。模型中考虑了炉内的流体动力学，将气化炉分为燃烧子模型和气化子模型。这两个子模型分别被划分成密相区和稀相区进行模拟，其中，气化子模型中密相区又分为煤气化子模型和生物质气化子模型。密相区采用三相鼓泡床理论，把密相区分为气泡相、气泡云相和乳化相，分别考虑了气体固体在各相之间的流动和质量交换。稀相区采用Wen－Chen的扬析夹带模型结合环－核模型进行模拟，同样也考虑了气固流动。热解模型采用得到广泛应用的Merrick模型进行计算。气化炉内的温度采用本书提出的多区温度模型进行计算，该模型中包括了多个基于实测参数的不同反应区间的温度关联式。利用各均相反应和非均相反应的化学反应动力方程建立了燃烧反应模型和气化反应模型，其中最关键的焦炭气化过程采用JM模型。最后，综合上述模型建立质量平衡子模型、能量平衡子模型完成整个数学模型的建立。通过该模型可以得到在任意气化炉运行参数下气化炉内的状态参数，包括在不同气化时间和不同气化炉高度处的各物质组分。该模型不但可以为气化炉的运行提供参考，而且也能对气化炉的优化和设计起到指导作用。

（5）本书分析了气化温度、水蒸气与生物质的比例和生物质与煤的比例三个主要影响因素对气化过程和气化结果的影响，得出的具体结论如下：

温度对气化反应速率的影响要大于反应物浓度对气化反应速率的影响，研究温度对生物质与煤复合串行气化过程的影响是十分重要的。随着温度的升高，H2浓度增加；CO浓度随温度的升高而增加；CO2浓度随温度的升高而降低；CH4浓度略有下降。

在本工艺中采用水蒸气作为气化剂。S／B是影响气化效果的一个重要参数，对气化炉性能影响很大。随着S／B的增加，H2浓度变化不大；CO浓度降低；CO2和CH4浓度增加，而所产富氢燃气中的蒸汽量也随着S／B的增加而增加。S／B和气化温度T的选择应根据所产生气体的使用途径来确定，不同的用途对气体的需求不同，可能是更高的气体热值或是更高的H2浓度，依此来调整气化炉的运行参数。

一方面，本工艺依靠生物质和焦炭进行气化；另一方面，需要煤来提供相应的热量维持炉内的高温，充分合理地利用生物质这种可再生能源是本书研究的最根本问题。生物质与煤的比值（B／C）也影响所产富氢燃气的组分。随着生物质比例的增加，一方面，所产气体的H2浓度可以增加；另一方面，也提高了生物质处理能力，因此，应在生物质和煤复合串行气化工艺中尽可能提高B／C值。