生物质定向气化制合成气-气化热力学模型与模拟 生物质定向气化制合成气-气化热力学模型与模拟

生物质定向气化制合成气-气化热力学模型与模拟

  • 期刊名字:化学物理学报
  • 文件大小:215kb
  • 论文作者:周密,阎立峰,王益群,郭庆祥,朱清时
  • 作者单位:中国科学技术大学生物质洁净能源实验室与选键化学重点实验室
  • 更新时间:2020-10-02
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论文简介

第18卷第1期化学物理学报Vol 18 No I2005年2月CHINESE JOURNAL OF CHEMICAL PHYSICSFeb.20051003-7713/2005/01069-6生物质定向气化制合成气一气化热力学模型与模拟*周密,阎立峰”,王益群,郭庆祥,朱清时〔中国科学技术大学生物质洁净能源实验室与选键化学重点实验室合肥230026)摘要:通过对气化炉内反应的热力学模型构建和模拟探讨了实现生物质定向气化为合成气(H2CO=2:1)的条件以便使用该合成气直接合成液体燃料一甲醇.在考虑气化过程中物质平衡、能量平衡和化学反应平衡的基础上建立了生物质气化模型并使用 PASICAL语言及其外挂 DELPH程序编写了FBGB程序拟生物质、水蒸气输入量与产气中各种气体组分含量之间的关系.通过模拟,发现水蒸气与生物质输入速率的比值〔S/B)是影响H2CO值的关键参数模拟结果显示当其它反应条件确定时,S/B与H2/CO呈线性递增关系通过调节S/B,H,与CO的比例可以得到控制关键词:生物质;气化;流化床;模型与模拟中图分类号:0664文献标识码:AModeling of Biomass Gasification to SyngasZhou Mi, Yan Lifeng, Wang Yiqun, Guo Qingxiang, Zhu QingshiBiomass Clean Energy Laboratory and Department of Chemical PhysicsUniversity of Science and Technology of China, Hefei 230026)Abstract Methanol and ethanol are the alternative fuels to gasoline in the future for they combust cleanly. Synthe-sis of them from biomass is an attracting and challenging subject. Much effort had been done to synthesize methanolby catalysts from H, and CO especially when the ratio of H, to CO is 2: 1( Syngas ) So if the Syngas can be obtained from biomass gasification the route of biomass to liquid fuels will be simple. The purpose of the thermodnamics modeling of biomass gasification reported here is to study the optimal condition for Syngas production. Aprogram named FBGB was written by PASICAL and DELPHI based on materials balance energy balance andchemical reaction balance in the gasifier. There are several variable parameters such as the biomass component, thequantity of air the velocity of input materials and the temperature in the gasifier which can be input. After calculation of fifteen values such as the quantities of the product gases both the heat values of the product gases and tarcan be obtained. Using the program the relationship of biomass input velocity the steam input velocity and thecomponent of product gas is simulated and it is found that the ratio of input velocity of steam to input velocity ofbiomass(s/B)is the key factor to the ratio of H, to CO. When other conditions are fixed, the ratio has a directproportion relationship to S/B. By adjusting S/B the ratio of H, to CO can be controlled to 2: 1 which is suitableto synthesize methanol. The comparision of the experimental rof the modeling and the中国煤化工programKeywords Biomass, Gasification, Fluid bed, ModelinCNMHGProject supported by the Chinese Academy of Science and State Ministry of Science and Technology**k Corresphak author, Email: Ifyan ustc. edu. cn Received 14 Novenber 2003: in final form 8 April 2004化学物理学报第18卷化床的产气情况模型结合实际情况进行简化湍流和气化炉几植物毎年通过光合作用可制造岀大量的生物何尺寸的影响被忽略主要考虑物质守恒、能量守恒质如果能够利用它来替代化石资源将是一种比较和化学反应平衡.气化炉被简化为一个圆柱体(图好的选择.目前世界上有众多的研究机构正在进1)假设生物质颗粒在气化炉中均匀分布.如图如何将储存在生物质内的太阳能转化为人们日常生所示生物质从入口A通入,入口B被用来注入已活中可以使用的能源形式的研究-3],如汽车燃料混合均匀的空气和水蒸气产气由出口C排出等.对生物质进行气化,可将生物质转化成可燃气体如CH4、CO、H2等.甲醇和乙醇是理想的绿色燃Product gas料它们可以通过生物质转化得到因此只要找到将生物质转化为乙醇的高效途径,问题将简化很多6将生物质转化为乙醇主要有两种方法生物法和热化学法8].生物法通常指的是利用微生物对生物质发酵的过程热化学法可以分为液化和气化两种10]气化就是在相对较高的温度下直接将生Air+H,0物质转化为小分子气体如CO、H2、CH4、H2O等图1模型中气化炉的几何结构目前通过使用催化剂将C0和H合成为甲醇的技Fig. I The geometry of the gasifier术已经比较成熟"-13.因此从理论上说通过合适的途径用生物质合成甲醇是完全可以做到的美国3化学反应模型国家可再生能源实验室正在研究用此法合成甲醇,他们的目标是让合成的甲醇成本低于汽油并在汽气化炉内反应复杂设一个合理的反应流程车上使用14151非常必要.在本模型中整个反应流程被虚拟分为四生物质气化是一个复杂的过程要分析这一过个区程需要考虑众多的化学反应、物质和能量平衡6]干燥区∶在本区中生物质被加热脱水干燥.干FBGB程序正是综合考虑了这些问题而编写出来燥后的生物质和水蒸气将参加下一个区的反应.可的通过程序的模拟可以预测反应的结果建议反以描述这个区的反应式为应的最优条件并提出对反应炉的改进意见.本工作CH O.xH,0-CHO +xH,O通过模拟结果与实验数据的比较验证了FBGB程热解区:在本区中,已干燥的生物质被高温分序的精确性提出控制产气中H,Co为2的最优反解为CO、H2焦碳、焦油等物质焦炭参加燃烧区的应条件并分析了水蒸气与生物质输入速率的比值反应,CO和H2参加气化区的反应.认为焦油不再(S/B)一重要参数对产气中气体组分的影响参加反应并将在反应结束后被取出气化炉.可以描述这个区的反应式为2模型简介CH,O,→→CO+H2+CO,+CH4+H,O+tar+char由于流化床气化炉系统非常复杂对炉内生物燃烧区:在本区中焦炭与O2进行反应.假设质气化过程进行模拟是一项困难的工作完全地反在本区中进行的是完全燃烧为全炉的继续反应提应生物质称在炉内的分布以及由于炉体的不规化区“中国煤化工的反应式绿与气映出反应炉内的实际情况需要考虑到执的几何问题这使得模型求解需CNMHGCO要解大量的非线性耦合偏微分方程.目前尚无得到101 kPa, 1073 K, ArHm1073K=-337 6 kJ/mol普遍认可的模型主要是因为缺乏足够的实验数据气化区:燃烧区中残存的焦炭在本区中与水蒸来证实,且不同的研究者关注的细节也有所不气进行反应CO和水蒸气也将进行反应并达到平同-0.本左骅计的这个模型主要是用于预测流衡平衡时各气体的量就是最终产气的量可以描述第1期周密等:生物质定向气化制合成气一气化热力学模型与模拟71这个区的反应式为StarC+H2O→5C.0+H101 kPa, 1073K, ArHm 1073 K=220. 5 kJ/molSolution反应的平衡常数为lnK=-1.48+528.6×10°T-2-1.078×10T--4.658×10-4T+0.0505lnTmetersCO+H2O→CO2+H101 kPa, 1073K, ArHm1073K=-560 J/mol反应的平衡常数为Steam Temp T >Air TempK。=(1.303×10T+7.17×10-4)-1.30064 Fluidized Bed Gasification of Biomass程序结合 Felicia Fock的假设21),设计出 FluidizedBed gasification of biomass(FBGB)程序以预测生物质气化产物程序可以输入若干参数值如生物质元素组分、空气和水蒸气的输入速率以及炉内反应温度等.模拟后可以得到15个需要获得的值如产Pyrolysis zone气各组分的量、产气和焦油的热值等4.1求解过程Gasification zoneFBGB程序内核有一个主程序MAIN,个用来求解二次方程的子程序 SOLUTION.主要思想是根据前面的假设对各分区进行分别模拟,直至燃烧区内焦炭完全气化跳岀递归程序提交模拟结果.流程图如图2.Get values such as quantities of product4.2用户界面gas, heat value of product gas and tarFBGB程序使用 PASICAL语言编写,并使用DELPH设计可视化用户界面如图3所示图2FBGB程序流程图Fig. 2 The flow chat of program FBGB4.3几点假设生物质气化过程中会产生灰份但在FBGB程89mm上部直径152mm生物质采用多种木质序中假设生物质完全被氧化没有灰份灰份的主要混合,以红杉为主.按照混合物中的元素比例,用成分是P、K、Ca的氧化物这些元素在生物质中的cH1,On,作为生物质的分子式保持水蒸气的输入含量比重较小可以忽略不计所以假设生物质仅含速率V不变调节生物质输入速率V从2.2至C、H、O元素灰份也忽略不计232410.51kg/h,S/B值S/B=V,/V,V为水蒸气输入流化床与固定床有所不同流化床内的物质是速率,V为空气的输入速率)相应由1.1升至47被通入的空气充分流化然后送出气化炉的所以假实验中没有通入O2仅通入N2作为流化剂保持N2设所有的焦炭会被完全气化25输入速率恒定,为0.6m3/h.对每组实验均保持炉5结果与讨论内反中国煤化工5.1实验数据与结算结果的比较CNMHG所做的五组实验进行了模揪.图4显示广气中CU、H2、CH4、CO2体积分美国国家能源实验室〔夏威夷)的Tum等进行数的模拟值与实验值吻合得比较好说眀我们的模了一系列生物质气化的实验3他们采用的实验流型是可靠的但当SB较低时H2的模拟值比实验程、仪器均号B程序的假设较为吻合实验中使值大洏当SB较高时H1的模拟值与实验值基本用的气化炉由节0根不锈钢管组成流化床下部直72化学物理学报第18卷吻合.误差的产生原因可能是模拟时仅考虑产气中中国科技大学生物质洁净能源LBCE, USTCBiomass0 []on wet baseMoisture[90 [Kghl且 ement Composit ofPer I'「13:7s2n163cH94994Ho7400930.11cO237831Tat20939Bomasst Bom ass StorageGas Storageeeding System 5 Air CompressorVolume of Product Gas(Mf) 551Prodnct eas98Hent of Tar(AFAEcalculateWriters: Li feng YanMi ZhouQingshi Zhu图3FBGB程序的用户界面Fig 3 The user interface of FBGB烃占组分较高有很大关系.产气中各组分体积分数之和为常数100所以,H体积分数模拟结果的偏高造成CO体积分数模拟结果的偏低8~=多5.2影响H2CO的因素甲醇是工业生产中的重要原料.生物质气化的主要目的是将产气合成甲醇.合成甲醇的技术已经研究得比较深入,已可低温液相合成.反应方程式为1.01520253.03.540Ch OH +Co=HCOOCHHCOOCH +2H,=2CH, OH图4模拟值实心)与实验值(空心)比反应物是CO和H,反应进行需要H,与CO的摩尔Fig 4 Comparison between比为2.因此气化时应尽可能做到产气中H,与COsimulation( empty ) with varying S/B的摩尔比为2中国煤化工生物质CH1O1作为含有CO、H2、CO2、CH4在实验产气中还包括其它模CNMHG073K.保持生物质输气体如C2H2、C2H4、C2H6从文献26]知当S/B入速率V为22kg/h不变调节水蒸气输入速率V等于1.1时这些烯烃在产气中所占的总体积分数为0066-~3.3kg/h使得S/B由0.03变化至1.5为2.1%当S/B等于4.7时则为1.1%.由此可同时不通入O2保持N2输入速率为常数0.6m3/h见,S/B值较懲H2实验值比模拟值为低与此时烯使用FBGB程序可以模拟出不同V时,H2和CO的第1期周密等:生物质定向气化制合成气一气化热力学模型与模拟73体积分数H:CO比值.S/B与HCO的关系如图7如图5所示当S/B为0.03时产气中H2CO为0.75当S/B为0.7时产气中H2CO约为2.这表明通过调节S/B,可以得到一个H2:CO的期望值.实验是在V不变的情况下进行的模拟结果是在V固定的情况下得到的.它们都使得的S/B值发生变化.这两种变化的影响是否一样呢?为此我们考察了在一定H2CO比例时V与V的关系(003.4891)0.7.49.74)85g-COz图7S/B与H2:CO关系图30}1(00.36)(0.7,24.77)FiRelationship of S/B and H,: CO模拟结果表示随S/B的增大H2:CO也增大实验也证明了这一结论.与实验相比较模拟得到的0002040.6081012141.6H:CO值略偏高.误差的产生可能有以下几个原因:第一,FBGB程序假设生物质与所有通入的水蒸气反应事实上水蒸气不可能完全反应其中未图5S/B对产气组分的影响v=2.2kg/h)反应的部分将与产气一起被带出气化炉.这部分水Fig 5 Effect of S/B on the product gas(Vh =2.2 kg/h)蒸气所起到的作用与N2类似帮助流化反应炉内的如图6所示当H2:CO保持一定值时高的V物质但不参加反应简而言之部分水蒸气扮演了对应于高的v反之亦然高的/V对应于高的氢流化剂的角色.第二模型假设的生物质摩尔分气产率子量比水蒸气的要大.当S/B值变大时,水蒸气通入速率的增长要比生物质通入速率的增长大的多3000H,CO=2所以S/B等于4.7时的误差要比其等于1.1时的要。-H2CO=29大.第三如图4所示CO与H的模拟结果与实验a-H2CO-4.4数据吻合得较好.当S/B为4.7时CO的误差仅有→一H/CO=64H2CO=10.751.57%.而模拟H,CO时CO是分母CO的一个小误差会带来H2:CO的一个大误差6结论基于生物质流化床气化的反应平衡、物质平衡00400和能量平衡建立起了生物质气化的热力学模型.并V/(kgb)利用 PASICAI语言和 DELPH程序编写了模拟生物质气化的FBGB程序.使用该程序对生物质流化图6V,与V关系图H2:CO为常数)床定向气化的冬性讲行了模拟并使之与实验结果进equals constant in product gas中国煤化工序的准确性同时利用FBONMH9H2:C值的最佳反应由此可以做出结论在确定生物质种类、气化条件模拟结果表明,S/B值水蒸气通入速率V炉类型和反应温度的情况下SB与H2CO值呈一与生物质通入速率V之比)是决定H2:CO值的重对应关系可以通过调节S/B值,以获得需要的要参数S/B与H2:CO呈线性递增关系这使得定向气化成为可能即可以控制调节气化条件以使得74化学物理学报第18卷产气中的H,:CO比值为所期望之值.14 Mielenz J. 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