基于ASPENPLUS平台的生物质氧气气化制备合成气的模拟精.docx
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基于ASPENPLUS平台的生物质氧气气化制备合成气的模拟精
第17卷第5期燃烧科学与技术
v01.17
No.5
2011年l0月
JournalofCombustionScienceandTechnology
Oct.20ll
基于ASPENPLUS平台的生物质氧气气化
制备合成气的模拟研究
李
斌1,陈汉平1,杨海平1,王贤华1,张世红1,代正华2
(1.华中科技大学煤燃烧圈家萤点实验室,武汉430074;2.华东理上大学洁净煤技术研究所,上海200237)
摘要:
利用AsPENPLUs软件建立了生物质氧气气化制备合成气模型,并对各种影响因素进行了深入分析,结果表明。
随着02当量比的增加,合成气的体积分数与产率均先增大后减小,且在当量比为O.16时,合成气的体积分数和产率均达到最大值,分别为97.63%和1.6lm3瓜g,此妒(H2)/缈(cO)也有最大值O.98;高温和低压对制备合成气有利,在加压条件下,合成气体积分数和产率达到平衡组成时的温度提高;水蒸气与生物质之比由O增加到1.5时,妒(H2)/妒(C0)的值由O.98快速上升至3.06,而缈(02)/妒(C02)的值由l:
O变化到l:
5时,妒(H2)/妒(CO)的值由0.98快速下降至0.50.
关键词:
生物质;氧气气化;合成气中图分类号:
TK6
文献标志码:
A
文章编号:
1006—8740(2011)05-0432-05
Modeling
and
SimulationofoxygenGasificationofBiomassfor
SyngasGasProductionBased
on
ASPENPLUS
LIBinl,CHENHan.pin91,YANGHai.pin91,WANGXian-hual,
ZHANGShi_hon91,DAIZheng-hua2
(1.StateKeyLaborato叮ofCoalCombustion,HuazhonguniVers时of
Scienceand
Technology,Wuhan
430074。
China;
2.InstituteofCleallCoalTechnology,EastChinaUnivers时ofScience
andTechnology,Shanghai200237,China)
Abstract:
AmodelofoxygengasificationofbiomassforsyngasgasproductionwasbuiltusingASPENPLUS,andtheefrectsOfvariousfactors
on
gasificatiOncharacteristicswereanalyzed.TheresultsshOwedthat,astheoxygen
biomassequivalenceratioincreases,
boththe
s”thesisgasconcentrationandtheyieldincreasefirstandthende-
crease
andtheybothreachthemaximumvaluesof97.63%and
1.6lm’/kgrespectiVelyattheequiValenceratioof
0.16,
andtheratioofhydrogentocarbonmonoxideaIsoreachesthemaXimumValueofO.98.Hightempemtureand
lowpressurearebeneficialforsyngaspmduction,
andunderpressurizedconditions,
thetempemmre,
at
whicha
baIancedconcentrationandyieldofsyngas
can
beachieVed,
increases.Asthemassratioofsteamtobiomassin—
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umeratioofoxygen
to
carbondioxidechangesfrOml:
0to
1:
5,
andtheratioOfhydmgentocarbonmonoxide
decreasesf.rom0.98to0.50rapidly.
Keywords:
biomass;oxygengasification;syngas
收稿日期:
基金项目:
作者简介:
通讯作者:
2011.02.17.圜家重点基础研究发展计划(973计划)资助项目(2007CB210202);困家自然科学基金资助项日(50806027.50930006);华中科技大学研究生科技创新基金资助项目(HUST:
HF.07.17.20lO.121);华中科技大学博士学位论文创新基金资助项目.
李斌(1985一
),男,博上研究生,libinl98520@126.com.
陈汉平.hp.chen@163.com.
20l
1年IO月李斌等:
基于AsPENPLus平台的牛物质氧气气化制备合成气的模拟研究
・433・
生物质定向气化制备合成气费托合成液体燃料是当前生物质气化技术发展的一个重要方向fi。
4J.常
规空气气化南于引入了大量惰性的N2稀释了可燃
气,使得合成气体积分数很低【5J.直接采用02为气化剂,可最大限度地提高产气中合成气的浓度,减轻后续费托合成的难度Ij'6J.液体燃料合成对氢碳比(妒(H2)/伊(CO))有一定的要求,如合成甲醇的氧碳比为2,而一般生物质气化产气的氧碳比并不能满足要求.已有研究报道,在气化剂中添加水蒸气和c02等可调声产气中的氢碳比,从而满足费托合成目标液体燃料的需求17J.考虑到AsPENPLus为大型化工流程模拟软件,且在生物质气化技术领域已有许多成功应用经验…4|,本丁作将以ASPENPLUS软件为平台,根据Gibbs自F}l能最小化原理,建一口事物质氧气气化模拟流程,研究02当量比、温度、压力等因素对
制备合成气特性的影响,并考察水蒸气、COz添加对气化结果的凋节特性,本文的研究结果可为实际的生
物质氧气气化制备合成气’r艺提供理论指导和数据支持.
1气化模型建立
生物质与灰分在AsPENPLUS软件中通常以非
常规组分形式输入,配合其【业分析与元素分析结
果,利用收率反应器(RYIELD)定义.本模型模拟中
所采用的生物质原料为木屑,其基本分析结果见表
1.为了准确模拟生物质氧气气化过程。
并简化气化
模拟流程,对模拟作如下假设:
①气化剂与生物质在炉内瞬间完全混合,气化反应器稳定运行,所有反应均达到化学平衡;②反应器内温度分布均匀,在反应过程中不考虑压力损失;③气化产物中气体成分仅考
虑H2、C0、C02、CH4、H20、N2、NH3、H2S和COS等
9种,生物质完伞转化,不考虑焦油含量;④生物质中的灰分为惰性组分,不参与气化反应.
表l模拟过程中所用木屑的基本分析结果
一I:
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34.Ol
J6.46
生物质氧气气化制备合成气的模拟流程如图1所示,模型包括4个单元模块、10个物流流股和2个
热流流股.采用RYIELD(收率反应器)模块实现生物质输入,气化过程则采用RGIBBs(平衡反应器)模块,根据Gibbs自由能最小实现化学和相平衡,采用SSPLIT子物流分流量模块实现气同严格分离,采用SEP(组分分流器)模块实现气汽完全分离.整个模拟
流程描述如下:
生物质经热解模块分解为单分子成分(C、H2、02、N2、s、c12和灰分),进入气化反应器与
02、水蒸气和C02等反应,出门产气经过两级分离分离出固体物流(灰分)和水汽,得到最终的干产气.
图l
ASPENP
LUS气化模拟流程
2影响因素分析
2.1
o:
当量比对气化结果的影响
图2所示为产气成分、合成气产率与妒(H2)/缈(CO)
的值随O:
当量的变化。
其中气化温度为850℃,乐力
为0.1MPa.由图可知,随着02当量比的增加,有更
多的O:
参与气化反应,导致产气中c0的体积分数
降低,而C02的体积分数增加;CH4体积分数则南
6.74%(当量比为o.1)迅速降至0附近;H2体积分数
则先增加而后降低,在02当量比为0.16时,有最大
体积分数为48.22%.这主要是由于在当量比较小时。
随着当量比增加,有更多的02与c结合,使得c出体积分数降低,而H:
体积分数增加;而在当星比较
大时,继续增加02当量比,则02会与H2结合生成
水,使得H2体积分数下降.在当量比为o.16时,合
成气的体积分数和产率均达到最大值,分别为97.63%和1.6lm3/kg.合成气的9(H2)/矽(CO)的值随着02当量比的增加也呈先增大后减小的趋势,在当
量比为0.16时有最大值O.98.在后续研究中,02当
量比均取为0.16.
.434.
燃烧科学与技术第17卷第5期
1.O
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圈2产气成分、合成气产率与9(H,),,(CO)
随0,当量比的变化
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0.2
2.2湿度和压力对气化结果的影响
图3所示为产气成分、合成气产率与9(H2)/≯(CO)的值随气化温度的变化。
其中气化压力为
0.1
MPa。
02当量比为0.16.由图可知。
随着温度增加。
产气中CO和H2的体积分数快速增加.而C02与CH4的体积分数则快速降低至0附近,温度约大于800℃后。
产气成分基本保持不变。
相应的合成气体积分数与产率及9(H2)/9(CO)的值也在温度约大于800℃后基本保持稳定.总体而育。
温度越高对制备合成气越有利.温度升高。
焦炭的C02还原反应加剧。
甲烷化反应向逆反应方向进行.CH4重整反应(干法重整与湿法重整)速度增加.从而使得CO和H2的体积分数增加而C02与CH4的体积分数降低,温度高于800℃后。
体系已经基本平衡.
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1.61.4
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田3产气成分、合成气产率与9(Ha),9(C0)
随气化沮度的变化
图4所示为产气成分、合成气产率与9(H2)/9(CO)的值随气化压力的变化。
其中气化温度为850℃。
02当量比为0.16.由图可知。
随着压力增加。
产气中CO和H2的体积分数降低,相应的合成气体积分数与产率下降。
而C02与CH4的体积分数则上升。
且9(H2)/9(CO)的值也快速下降.因此。
加压不利于
制备合成气,压力升高,甲烷化反应加剧。
从而使得
CO和H2被大量消耗.
田4产气成分、合成气产率与9(H1),9(C0)
随气化压力的变化
图5所示则为气化温度与压力对合成气体积分数与产率的关联影响结果.其中02当量比为0.16.由图可知.高温和低压对制备合成气有利.在加压条件下.合成气体积分数和产率达到平衡组成(基本稳定)时的温度提高。
如压力由0.1MPa增加至
1
MPa时,温度由约800℃上升至1100℃左右.考
虑到加压条件下.生物质气化效率和强度增加。
而且更有利于气化产物的后续利用。
因此.实际过程中可在适当提高温度的条件下进行加压气化.
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圈5不罔气化压力下合成气体积分数与产率随气化温度
的变化
2.3水蒸气添加对气化结果的影响
图6所示为水蒸气添加对产气成分、合成气产率与9(H2)/9(CO)的影响。
其中气化温度为850℃.压力为0.1MPa.02当量比为0.16.由图可知。
随着水蒸气/生物质比的增加。
产气中H2体积分数略有增加。
CO体积分数快速下降.而C02体积分数不断上升。
合成气的体积分数由于C02体积分数上升而下降。
合成气的产率则先增加而后基本趋于稳定.这主要是由于水蒸气添加量的增加导致水汽重整变换反应加剧.CO被大量消耗,而C02和H2均增多,使得总的合成气产率变化不大.而合成气体积分数有一定下降.但合成气中的9(H2)/9(CO)却显著提高.当水蒸气与生物质之比由0增加到1.5时,9(H2)/妒(CO)的值由0.98上升至3.06.在水蒸气与生物质之比为
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20l1年10月
事斌等:
蔫予ASPENPLUS平台的生物质氧气气化制备合成气的摸拟研究
・435・
O。
75时,9(H2)细(CO)的值为2.03,比较适合甲醇的
合成.
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与产率均先增大后减小。
且在当量比为0。
16时。
合成
气的体积分数和产率达到最大值,分别为97.63%和
1。
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m3/lcg。
此时妒(H2)/9(CO)有最大值O。
98.(2)离温和低压对制备合成气有利。
且在加压条
件下。
合成气体积分数和产率达到平衡组成时的湿度
提高。
(3)水蒸气和C02添加均可最著调节合成气的矽(H2)/矽(CO)的值.水蒸气与生物质之比由O增加到1.5时.缈(H2)/矽(CO)的值由O.98上升至3。
06。
矽(O:
)/妒(C02)由l:
0变化到l:
5时.妒(H2),矽(CO)的值由O.98快速下降至0.50.朋6:
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萨尹(H1)7p(c动
参考文献:
随水燕气,生物质的变化
y呵^嗽:
2.4
CQ添加对气化结果的影响
图7所示为气化剂(02)中添加C02(即02/C02
气化)对产气成分、合成气产率与矽(H:
)/9(CO)的影
响.其中气化温度为850℃,压力为O.1MP矗.02驾营比为O,16。
由图可知,随着C02添加量的增加。
产℃中C02体积分数增加.H2体积分数降低。
CO体积-数变化不大。
合成气产率则先略有增加而后基本保
t不变,丽合成气体积分数则由予C02体积分数的
加而下降.这主耍是由于C02添加量增加导致水管整变换反应的逆反应加剧。
C02与H2反应生成和H20。
使得H2被大量消耗。
而生成了CO.从而摹合成气的伊(H2)/9(C0)的值快速下降.当2)仞(C02)由l:
0变化到l:
5时,9(H2)/))的值由O.98快速下降至O.50.由此可以看出。
的添加有利予C0生成。
并减少合成气中的H2瓮。
可降低合成气的9(H2)/妒(CO)的值.
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