林業(yè)廢棄物氧氣—水蒸氣氣化的Aspen Plus模擬

[摘 要] 近些年來(lái)，隨著科技水平的發(fā)展，氧氣-水蒸氣氣化以其能量轉(zhuǎn)化率高、焦油含量少等種種優(yōu)點(diǎn)引起了相關(guān)專(zhuān)家和學(xué)者的廣泛關(guān)注，一些專(zhuān)家也進(jìn)行了相關(guān)的實(shí)驗(yàn)，分析影響氣化過(guò)程的因素。但是，由于各種客觀因素的顯著，這些實(shí)驗(yàn)存在成本高、設(shè)備復(fù)雜、誤差大、周期長(zhǎng)的缺陷，而模擬方法就可以在一定程度上彌補(bǔ)這些實(shí)驗(yàn)的不足，能夠?qū)ρ鯕?水蒸氣氣化的熱力學(xué)特征、反應(yīng)機(jī)理等規(guī)律進(jìn)行深入的研究。本文使用Aspen Plus軟件對(duì)林業(yè)廢棄物氧氣-水蒸氣氣化進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)。

[關(guān)鍵詞] 林業(yè)廢棄物 氧氣-水蒸氣氣化 Aspen Plus模擬

[中圖分類(lèi)號(hào)] X72 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A [文章編號(hào)] 1003-1650 （2013）05-0098-01

林業(yè)廢棄物氣化利用是解決現(xiàn)階段下環(huán)境危急以及能源危機(jī)的重要方法之一，常規(guī)氣化方式投入少、操作簡(jiǎn)單，但是其應(yīng)用范圍有限，近些年來(lái)，隨著科技水平的發(fā)展，氧氣-水蒸氣氣化以其能量轉(zhuǎn)化率高、焦油含量少等種種優(yōu)點(diǎn)引起了相關(guān)專(zhuān)家和學(xué)者的廣泛關(guān)注，一些專(zhuān)家也進(jìn)行了相關(guān)的實(shí)驗(yàn)，分析影響氣化過(guò)程的因素。但是，由于各種客觀因素的顯著，這些實(shí)驗(yàn)存在成本高、設(shè)備復(fù)雜、誤差大、周期長(zhǎng)的缺陷，而模擬方法就可以在一定程度上彌補(bǔ)這些實(shí)驗(yàn)的不足，能夠?qū)ρ鯕?水蒸氣氣化的熱力學(xué)特征、反應(yīng)機(jī)理等規(guī)律進(jìn)行深入的研究。Aspen Plus作為一種常用的化工設(shè)計(jì)和模擬軟件，已經(jīng)在煤燃燒氣化模擬中得到了廣泛的應(yīng)用，但是在林業(yè)廢棄物的氣化模擬方面還尚未得到普遍應(yīng)用，為了更好的對(duì)林業(yè)廢棄物氧氣-水蒸氣氣化實(shí)驗(yàn)進(jìn)行模擬，本文基于Aspen Plus軟件基礎(chǔ)上進(jìn)行林業(yè)廢棄物氧氣-水蒸氣氣化的模擬實(shí)驗(yàn)。

一、氣化模型

由于林業(yè)廢棄物中氧氣-水蒸氣的反應(yīng)機(jī)理十分復(fù)雜，因此，其化學(xué)動(dòng)力學(xué)的模型也較為復(fù)雜，通用性不足，但是其反應(yīng)的過(guò)程中包含著較多的多相平衡和化學(xué)平衡，那么就可以利用自由能量最小化原則來(lái)建立氣化模型。基于模擬方法的特征，需要假設(shè)廢棄物的顆粒均勻不存在溫度的梯度、反應(yīng)器中溫度恒定，可以穩(wěn)定的運(yùn)行，且不存在壓力損失，反應(yīng)可以在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到化學(xué)平衡、原料灰分和氣化床料不會(huì)參與化學(xué)反應(yīng)、氣化的產(chǎn)物不包括焦油組分，系統(tǒng)內(nèi)化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)化完全，不會(huì)對(duì)氣化反應(yīng)產(chǎn)生影響。

林業(yè)廢棄物氧氣-水蒸氣氣化的模擬圖如圖1，廢棄物的顆粒在會(huì)從裂解模塊到分離模塊再到氣化模塊中，反應(yīng)的顆粒粒徑位于0.25到1.0mm范圍內(nèi)，反應(yīng)器能夠?qū)⒃戏纸鉃閱畏肿踊曳趾徒M分，氣化模塊采用RGibbs反應(yīng)器，該反應(yīng)器能夠運(yùn)行水蒸氣和氧氣的氣化反應(yīng)，并可以將剩余能量的一部分排除，將另外一部分能量分流至裂解模塊之中，以便達(dá)到裂解所需要的溫度。

在模型中考慮的反應(yīng)主要有以下幾種：

C+O2=CO2

C+CO2=2CO

C+H2O=CO+H2

C+2H2O=CO2+2H2

CO+H2O=CO2+H2

CH4+H2O=CO+3H2

二、 模型的驗(yàn)證

為了驗(yàn)證模型的可靠性，下面使用S/F表示氣化時(shí)水蒸氣參與反應(yīng)廢棄物的質(zhì)量比，其中，氣化效率的計(jì)算方式為：

根據(jù)分析可以得出，模擬氣體產(chǎn)率、產(chǎn)氣組分以及氣化效率會(huì)隨著S/F的變化趨勢(shì)產(chǎn)生變化，其中CO和CO2模擬結(jié)果的吻合度良好，H2在S/F較高的情況下吻合度良好，此外，整個(gè)模型對(duì)于氣體的產(chǎn)率有著較好的預(yù)測(cè)度，由于模型中不會(huì)考慮到焦油的組分，但是在實(shí)際的反應(yīng)過(guò)程中焦油的氣化會(huì)導(dǎo)致CH4和H2產(chǎn)量減少，這就在一定程度上導(dǎo)致模型對(duì)CH4和H2預(yù)測(cè)度偏高，尤其是在S/F較小的情況下，焦油的產(chǎn)量會(huì)更高，模擬誤差就會(huì)更大，在相關(guān)的文獻(xiàn)報(bào)道中也出現(xiàn)過(guò)類(lèi)似的情況，雖然經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的模擬可以真實(shí)的反應(yīng)出裝置中的工作情況，但是從多相平衡和化學(xué)平衡的角度來(lái)看，模擬實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蚋玫姆磻?yīng)出實(shí)際情況的變化，能夠用于研究林業(yè)廢棄物的氣化規(guī)律中。

三、模擬結(jié)果和分析

1.氣化溫度對(duì)結(jié)果的影響

在量比為0.22，0.1MPa，S/F為0.435時(shí)，模擬結(jié)果顯示，在氣化溫度的升高下，CO和H4的含量會(huì)逐漸增加，CH4和CO4的含量會(huì)逐漸減少，氣化效率和氣體產(chǎn)率也會(huì)逐漸增加，這就在一定程度上加劇Boudouard反應(yīng)，烴類(lèi)和半焦裂解的程度也會(huì)加深，CO4和CH4會(huì)逐漸轉(zhuǎn)化為H4和CO，雖然水煤氣反應(yīng)能夠生成CO4，但是生成CO4和CO反應(yīng)平衡常數(shù)有著一些不同之處，溫度升高時(shí)更多的水煤氣會(huì)生成CO，這就導(dǎo)致氣體產(chǎn)率和熱值升高，氣化的效率也會(huì)不斷的增加。在800℃時(shí)，氣化效率、氣體產(chǎn)率、H4的產(chǎn)量會(huì)達(dá)到最大值，隨著溫度的繼續(xù)升高，氣化的效率不會(huì)發(fā)生太大的變化。

2.氣化壓力對(duì)結(jié)果的影響

氣化壓力會(huì)對(duì)氣化過(guò)程產(chǎn)生重要的影響，在量比為2.22，溫度為800℃，S/F在0.435時(shí)，模擬結(jié)果顯示，在壓力的增加下，CO2、CH4含量會(huì)逐漸增大，H2、CO含量會(huì)逐漸減小，同時(shí)氣化的效率和氣體產(chǎn)率也會(huì)有所下降，這與其他專(zhuān)家學(xué)者研究的結(jié)果不謀而合，根據(jù)相關(guān)的原理，CH4水蒸氣的反應(yīng)是一種體積增加的過(guò)程，在壓力增加時(shí)，CO和H2會(huì)不斷的生成CH4，求其根本原因是由于在加壓時(shí)，Boudouard反應(yīng)受到了一定程度的抑制，這就會(huì)減少CO2的消耗，同時(shí)，水煤氣的反應(yīng)雖然能夠生成CO2和CO，但是在加壓的過(guò)程中，生成更多的是CO2，CO的生成會(huì)受到一定程度的抑制，根據(jù)相關(guān)的定理，在加壓時(shí)，CO2可以全部溶在水中，此時(shí)，CH4濃度就會(huì)逐漸的升高，氣體的熱值也會(huì)增加，從這一層面可以說(shuō)明，加壓可以在一定程度上提升廢棄物氣化產(chǎn)物中CH4的含量。

參考文獻(xiàn)

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