氣流床氣化動(dòng)力學(xué)模型的建立.doc

氣流床氣化動(dòng)力學(xué)模型的建立Idowu Adeyemi，ISAM janajreh waste-2-energy實(shí)驗(yàn)室，機(jī)械工程，馬斯達(dá)爾科技學(xué)院（MI），阿布扎比，阿拉伯聯(lián)合酋長(zhǎng)國(guó)在這項(xiàng)研究中，氣流床氣化爐（EFG）肯塔基煤和木材廢料已被研究用于基于Aspen Plus詳細(xì)的動(dòng)力學(xué)模型和實(shí)驗(yàn)診斷。實(shí)驗(yàn)在空氣吹大氣壓落管實(shí)驗(yàn)裝置爐中進(jìn)行了調(diào)查。得到驗(yàn)證開發(fā)方面在不同當(dāng)量比的出口的Aspen Plus模型。此外，對(duì)掃描電子顯微鏡（掃描電鏡）碳的圖像進(jìn)行了觀察，沿氣化爐，以確定的行為的原料進(jìn)行氣化和選擇合適的炭氣化模型。該模型考慮了通過水分釋放、揮發(fā)分燃燒和氣化的被動(dòng)加熱。它使調(diào)查氣化過程和運(yùn)行的敏感性研究變得切實(shí)可行，像電流平衡和高保真偶合化學(xué)熱流量模型是不充分的或更多的復(fù)雜性去使用。該模型較合理地在這項(xiàng)工作中獲得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)被用來進(jìn)行敏感性研究。在直徑和高度尺寸的增加導(dǎo)致CO和H2的摩爾分?jǐn)?shù)在氣化爐內(nèi)的長(zhǎng)度增加，而CO2和H2O呈現(xiàn)一個(gè)相反的趨勢(shì)。它還觀察到，和煤的基線相比，合成氣的生物質(zhì)廢棄物的摩爾分?jǐn)?shù)較低，這是由于其比煤的廢物生物量有較高的氧含量（43.62%）和較低的碳含量（49.41%）。1 簡(jiǎn)介 數(shù)百萬噸的固體生物質(zhì)廢棄物每年對(duì)我們的地球產(chǎn)生持續(xù)的嚴(yán)重的環(huán)境和生態(tài)的威脅。2009，根據(jù)廢物管理阿布扎比中心估計(jì)，阿布扎比酋長(zhǎng)國(guó)，阿拉伯聯(lián)合酋長(zhǎng)國(guó)的總固體廢物，是5756千噸。由于建筑熱潮在迪拜發(fā)生，因此建設(shè)部門貢獻(xiàn)了61%的總廢棄物。在當(dāng)前人口增長(zhǎng)、發(fā)展和產(chǎn)業(yè)化的趨勢(shì)下，這一趨勢(shì)往往會(huì)加劇。然而，大多數(shù)這些建筑廢料的木材，結(jié)束在了垃圾填埋場(chǎng)，對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重的破壞。這種廢棄物和其他垃圾一樣，如果隔離并妥善處理可以氣化而產(chǎn)生高經(jīng)濟(jì)價(jià)值的合成氣，從而解決廢物管理、碳排放的問題，促進(jìn)酋長(zhǎng)可再生能源的命令（7% ，2020）。 雖然有一些基于平衡的氣流床氣化Aspen Plus模型，但在文獻(xiàn)中詳細(xì)的基于動(dòng)力學(xué)的Aspen Plus 模型的開發(fā)卻非常少。這些模型有一部分包括文和川開發(fā)的與二氧化碳，氧氣和氫氣反應(yīng)的焦炭反應(yīng)速率表達(dá)式的一步熱解模型和氣態(tài)平衡的全球速率的工作。此外，葛偉德和伊朗用了一個(gè)類似的模型，他們把來自德士古夾帶不同飼料的三維中試裝置（煤液化殘?jiān)退簼{）的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和他們的結(jié)果相比較。在CSIRO的另一項(xiàng)研究中，Gartner等開發(fā)了一種Aspen Plus模擬的基于動(dòng)力學(xué)的氣流床氣化模型，為在吹氣加壓氣流床反應(yīng)器（PEFR）使用產(chǎn)品分布數(shù)據(jù)機(jī)的三元混合燃料氣化模擬（干燥褐煤提取殘?jiān)徒固浚Ｋ麄兊难芯渴请S著三澳大利亞煤的氣化，陽(yáng)離子的研究驗(yàn)證crc252，crc274，和crc299。李等也研究了利用Aspen Plus模擬在氣流床氣化爐的工作臺(tái)不同燃燒器類型和氧氣供給角度對(duì)燃燒器的氣體組成、碳轉(zhuǎn)化率和氣化爐溫度的影響。他們用來自韓國(guó)電子動(dòng)力公司研究所氣化爐的氧氣吹氣一噸每天的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)證明了他們模型。除了這些少數(shù)的研究，利用Aspen Plus模擬氣流床氣化的動(dòng)力學(xué)模型沒有其他作品。本研究旨在探討木材廢棄物的氣流床氣化模型和實(shí)驗(yàn)診斷，同時(shí)使用肯塔基煤炭作為基準(zhǔn)。實(shí)驗(yàn)是基于在馬斯達(dá)爾研究所的waste-2-energy實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的落管實(shí)驗(yàn)裝置。發(fā)達(dá)的Aspen Plus模型在焦炭氣化方面利用收縮未反應(yīng)芯模型。此外，該模型包括水分釋放，熱解、揮發(fā)分燃燒。氣化爐直徑、高度等參數(shù)的影響，關(guān)于氣體成分的燃料類型和氣化分類指標(biāo)（效率和轉(zhuǎn)換）也進(jìn)行了研究。2 原料特性 從阿布扎比的生活垃圾處理設(shè)施收集的肯塔基煤炭和木材廢料使用三種常規(guī)分析方法表征：近似法，元素法和彈式量熱法。近似分析法是利用DSC/TGA Q600熱分析儀進(jìn)行熱分析；最終再利用FLASH 2000 CHNOS分析儀進(jìn)行分析；并且用Parr 6100彈式量熱計(jì)進(jìn)行熱值的測(cè)定。收集樣品并攪拌至0.1毫米網(wǎng)孔尺寸以確?；旌暇鶆颍缓蟾鶕?jù)每一個(gè)實(shí)驗(yàn)的需要進(jìn)行裝盤。每個(gè)測(cè)試重復(fù)五次，以統(tǒng)計(jì)學(xué)形式接受的數(shù)據(jù)測(cè)量（見表1）?？纤菏菑暮淤Q(mào)易公司獲得的煙煤型，木材廢料是在阿布扎比垃圾填埋場(chǎng)收集的普通酚醛膜建筑模板。原料適合氣化水分和灰分含量的分?jǐn)?shù)均小于10%，如表1所示。 3 實(shí)驗(yàn)研究在馬斯達(dá)爾研究所的waste-2-energy實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)的大氣下降管式反應(yīng)器（DTR）是由一個(gè)絕緣不銹鋼矩形爐和封裝有缺口合金管的耐火墻內(nèi)的加熱模塊組成的。它可以達(dá)到1400K的壁溫、調(diào)節(jié)和控制氮和氧流量。氣化過程實(shí)際上是發(fā)生在氧化劑和氮?dú)夤?yīng)系統(tǒng)被注入氣流床的原料中并且當(dāng)原料通過粒子噴射系統(tǒng)時(shí)。它為氣體分析、中心線和爐壁溫度的檢測(cè)配備了診斷工具。實(shí)驗(yàn)裝置及其示意圖，如圖1所示。爐和下降管反應(yīng)器的規(guī)格如表2所示。 3.1 樣品制備因?yàn)闅饬鞔矚饣髽O細(xì)微粒（通常小于100微米），肯塔基煤和木材廢料粉碎、使用Retch ZM 200過篩離心磨到要求尺寸。煤和木材的集料為100 g，肯塔基煤炭和木材廢料分五批，每一批都粉碎并用0.4毫米的環(huán)網(wǎng)過篩。此后，該細(xì)粉碎的顆粒被送入第二個(gè)振動(dòng)沖擊實(shí)驗(yàn)室測(cè)試篩，以分類它們?cè)诖嘶A(chǔ)上的累積量分布的顆粒，如圖2所示。分類過程中使用到網(wǎng)孔直徑為25，40，100，250和400微米的五個(gè)網(wǎng)篩。因此，原料中幾乎90%的總重量是100微米以下的。所以，可以進(jìn)行氣流床氣化實(shí)驗(yàn)研究。3.2 實(shí)驗(yàn)方法在允許的顆粒尺寸準(zhǔn)備了的氣流床氣化的下降管式反應(yīng)器開始實(shí)驗(yàn)。首先，在無反應(yīng)條件下，將落管用一個(gè)溫度控制器加熱到1373K。該控制程序是由2個(gè)斜坡組成（一個(gè)在300K和923K之間加熱80分鐘，另一個(gè)在923K和1373K之間加熱80分鐘）并且在每個(gè)斜坡結(jié)束分別等溫加熱20分鐘和120分鐘。在下降管中觀察到一個(gè)穩(wěn)定的溫度，粒子被激發(fā)（LPD準(zhǔn)確性超過98%），打開氧化劑夾帶流的流量閥。氧化劑夾帶流由一個(gè)氧和氮的混合氣體組成，模擬O2：N2摩爾比為3.76的壓縮空氣。相同的氣化條件下使用的雙粒子流進(jìn)行粒子劑量率為1.405克/分鐘，氧化劑/夾帶流速為0.4升/小時(shí)和0.6升/小時(shí)之間。軸溫測(cè)量值由滲透氣化爐在爐管中心達(dá)到的K型熱電偶（誤差為0.01K）的長(zhǎng)圓柱形莖測(cè)得。一氧化碳和二氧化碳?xì)怏w用一種便攜式氣體分析儀測(cè)量，準(zhǔn)確性超過99%。氣體首先在一個(gè)聚氯乙烯2升容量袋中采樣，容量袋連接到吸氣泵，從一端尾部到長(zhǎng)柄針緊密配合經(jīng)過十五個(gè)1.5華氏氣化爐爐壁孔的另一端尾部，吸附針穿過爐墻達(dá)到氣化爐中心，從而獲得較大的采樣氣體，以盡量減少使用兩個(gè)環(huán)境管理系統(tǒng)和交叉檢查的氣態(tài)物種的氣體分析儀在測(cè)量質(zhì)量分?jǐn)?shù)的誤差。首先注入已知濃度/校準(zhǔn)測(cè)試氣體樣品，以確保這兩個(gè)分析儀的校準(zhǔn)。這個(gè)分析儀測(cè)量的是在每個(gè)種類分?jǐn)?shù)的99%，特別是CO，CO2，O2，NO，SO2，H2S。分析儀配備不同的傳感器，包括電化學(xué)（CO低、Co高，CO 低，H2 補(bǔ)償，O2，NO2，SO2和H2S），紅外線（CO2）和催化劑（CxHy）。他們對(duì)航空產(chǎn)品公司的特種氣體的直接流動(dòng)進(jìn)行了校準(zhǔn)，該產(chǎn)品是定義下列混合物的組成（1% C2H4、C3H6，3% C5H12，5% C3H8、CH4、CO、CO2和15% C4H8，10% C2H6、C4H10，15% HE，和15%的H2）和在另一個(gè)已知的O2，CO2，NO，CO和H2S校準(zhǔn)混合物。主要種類為高精度測(cè)量，如表3所示。此外，對(duì)導(dǎo)致焦炭沿下降管樣品形態(tài)的研究在掃描電子顯微鏡（SEM）量子250中進(jìn)行。在不同的空間位置得到了這些照片。而同一位置的照片是相似的，不同位置的照片有明顯的不同。較長(zhǎng)的停留時(shí)間是顯而易見的，因?yàn)樾纬稍絹碓酱蟮臍饪祝瑢?dǎo)致最終稿不足以支撐自己的結(jié)構(gòu)。 3.3 模型發(fā)展圖3描述了所開發(fā)的模擬氣流床氣化爐操作的Aspen Plus動(dòng)力學(xué)模型，它解釋了發(fā)生在氣化爐中主要的物理和化學(xué)過程包括被動(dòng)加熱，顆粒的干燥、熱解、揮發(fā)分燃燒、焦炭氣化。PKS物性法計(jì)算混合常規(guī)組分和常規(guī)的惰性固體的物理性質(zhì)，而COALGEN和DCOALIGT建立模型用于計(jì)算非常規(guī)組分的密度和焓。3.3.1 干燥氣化過程的第一階段是水分釋放，特別是當(dāng)濕固體燃料被注入時(shí)。當(dāng)粒子流進(jìn)入，達(dá)到飽和溫度的范圍內(nèi)，水分以蒸汽的形式被快速釋放。由于在氣流床氣化爐的溫度高，水分釋放率通常很高，干燥過程可假定為瞬間進(jìn)行。放濕過程用緊接著標(biāo)記為FLASH-A的第二分離塊閃蒸器的RStoic塊進(jìn)行建模，此模塊標(biāo)記為烘干機(jī)。使用RStoic塊并建立程序代碼，約95%的水分被除去。隨后，分離器被用來從燃料的另一組分中除去蒸汽，因?yàn)榉磻?yīng)器被關(guān)閉，失去了的蒸汽再通過L-H2O-B途徑被引進(jìn)。水分釋放的結(jié)束是熱解過程的發(fā)生。放濕過程可以表達(dá)為方程（1）： 3.3.2 裂解或熱解在燃料的含水量被釋放后，干燥原料的揮發(fā)物開始出現(xiàn)。被認(rèn)為是在這個(gè)模型中的揮發(fā)物的是一氧化碳、水蒸汽、氫氣、二氧化碳、甲烷、硫化氫、氮和焦油。在熱解過程中產(chǎn)生的焦油為該模型中的苯，熱解過程由于高的氣流床氣化溫度，通常非常短暫。除了揮發(fā)物的參與，固體焦炭與內(nèi)在的灰留了下來。裂解原料通常開始于400和600C之間并持續(xù)幾毫秒。因此，熱解過程可以認(rèn)為是瞬時(shí)的，在Aspen Plus中用標(biāo)記為YIELD-A 的反應(yīng)器，標(biāo)記為MIX的混合器、標(biāo)記為SEP-B的分離器和標(biāo)記為GIBBS的平衡反應(yīng)器進(jìn)行建模。YIELD-A反應(yīng)器將燃料分解成炭和碳，氫，氧，氮和硫等主要元素。這些元素、焦炭、氬氣和釋放的水汽（在釋放階段）用攪拌機(jī)混合在一起，被送到分離器SEP-B。SEP-B將碳從由揮發(fā)性元素組成的其他組分中分離出來，并把揮發(fā)性組分送往吉布斯反應(yīng)器。吉布斯反應(yīng)器利用吉布斯最小化方法發(fā)現(xiàn)了被確定為氬氣、一氧化碳、氫氣、二氧化碳、水蒸氣、硫化氫、氮、甲烷和苯的揮發(fā)性組分的平衡。干燥燃料的熱解如以下方程（2）所示： 3.3.3 揮發(fā)分燃燒揮發(fā)性物質(zhì)一旦被加入，就開始與引入的、可用的氧化劑反應(yīng)。只有揮發(fā)性成分的四種，即一氧化碳，氫氣，甲烷和苯，可以進(jìn)行燃燒。因此，根據(jù)方程（3）-（6）的四個(gè)反應(yīng)在Aspen Plus的標(biāo)記為COMBUST的RStoic反應(yīng)器中進(jìn)行建模： 氣相/均相燃燒率一般比固-氣/非均相反應(yīng)快得多?；贖ottel等人的一氧化碳燃燒的相關(guān)計(jì)算，發(fā)現(xiàn)該反應(yīng)非常快速、幾乎瞬間完成。因此，一氧化碳、氫氣和苯的轉(zhuǎn)換，被假定為100%。在這些均相反應(yīng)中，第i個(gè)摩爾源項(xiàng)計(jì)算為： ,是在均相反應(yīng)中的第i個(gè)化學(xué)計(jì)量系數(shù)。是體積/均相第n個(gè)反應(yīng)，單位為kmol/m3/s。3.3.4 炭氣化與均相反應(yīng) 煤焦氣化過程和隨后的均相反應(yīng)，在Aspen Plus的標(biāo)記為PLUGFLW的活塞流反應(yīng)器中建模。這個(gè)反應(yīng)模塊被選定是因?yàn)樗试S對(duì)產(chǎn)物氣體軸向濃度的觀察。它也使氣流床氣化的最佳長(zhǎng)度和直徑的估算成為可能。因?yàn)闅饬鞔矚饣l(fā)生在溫度很高的第三反應(yīng)區(qū)，大多數(shù)含碳?xì)怏w的反應(yīng)可以被認(rèn)為是表面反應(yīng)。此外，氣流床氣化爐中裝載的固體很少，粒子間相互碰撞。隨后，在反應(yīng)過程中形成的灰層可以仍然保持在燃料顆粒表面，因此，未反應(yīng)核收縮模型可以合理地用于估計(jì)多相固氣反應(yīng)速率。這種固氣反應(yīng)模型考慮了灰層擴(kuò)散和氣體擴(kuò)散對(duì)化學(xué)反應(yīng)的影響。根據(jù)這一模型，總的反應(yīng)速率參數(shù)可以根據(jù)方程8-10進(jìn)行估計(jì)： 和第i種局部和參考?jí)毫?。分別使作為第i種的有效局部壓力。是粒子半徑比，定義如下。、和是每個(gè)氣膜和第一、第二灰膜的擴(kuò)散常數(shù)。后者系數(shù)表示為： 表示灰層的空隙率。 是未反應(yīng)核的半徑，為未反應(yīng)縮核粒子的外半徑。、表示在熱解完成后的轉(zhuǎn)化率，并且后者是任意時(shí)間的無水分顆粒。表達(dá)式中的常數(shù)、和是基于氣化反應(yīng)進(jìn)行估計(jì)的。水煤氣變換反應(yīng)，甲烷蒸汽重整反應(yīng)，和氫氣，一氧化碳和甲烷燃燒反應(yīng)均為均相反應(yīng)。均相反應(yīng)速率和氣化反應(yīng)常數(shù)的進(jìn)一步表達(dá)式可以從文和川的工作中得知。3.4 模型假設(shè)在氣流床氣化模型的發(fā)展過程中，提出了以下假設(shè)：氣化模型是實(shí)現(xiàn)熱化學(xué)轉(zhuǎn)化的穩(wěn)定狀態(tài)假定氣相瞬間反應(yīng)，并且和固相完全混合忽略氣化爐中的壓降顆粒被假定為大小均勻的球形基于未反應(yīng)核收縮模型，在反應(yīng)過程中，形成的灰層仍然覆蓋在顆粒表面顆粒內(nèi)的溫度是均勻的焦炭氣化過程在加熱區(qū)域附近0.5米處從頂部開始3.5 輸入和邊界條件 輸入條件如表4所示。通過詳盡的實(shí)驗(yàn)研究獲得了這些條件。這項(xiàng)研究提出了合適的氣化當(dāng)量比為1.8。4 結(jié)果與討論4.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果 氣體成分診斷：在氣化過程中，觀察到當(dāng)量比不同，氣體組合物也不同。從1.2到1.8增加當(dāng)量比，導(dǎo)致產(chǎn)生的CO更多、CO2更少，如圖4所示。這是由于隨當(dāng)量比的增加而缺乏足夠的氧氣。這個(gè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)被用來驗(yàn)證Aspen Plus模型。 焦炭電子掃描電鏡形態(tài)：從掃描電鏡得到的結(jié)果如圖5中所示。圖5a描述的是進(jìn)入反應(yīng)器之前的煤樣?；趻呙桦婄R圖像，我們可以推斷出最初的煤樣沒有氣孔，但當(dāng)粒子沿反應(yīng)器的加熱環(huán)境，氣孔持續(xù)出現(xiàn)，如圖5b-f所示。孔隙的形成始于非?；钴S的位置的微孔化，并導(dǎo)致帶有氣孔的第III組焦炭產(chǎn)物一般小于40%。此后，孔隙演變成介孔和微孔，介孔由第II組焦炭產(chǎn)生，微孔由第I組焦炭形成，孔隙率大于整個(gè)粒子的60%。微孔逐漸擴(kuò)大形成顆粒碎片，并消耗至剩下火山灰后如圖5所示。這些圖像將有助于在氣化過程中速率受限的煤焦氣化過程建模。因此，一個(gè)更好的氣化模型的選擇可以提高整個(gè)氣化模型的精度。4.2 Aspen Plus模型驗(yàn)證和敏感度分析 模型驗(yàn)證：在本研究中獲得的出口氣體組成的實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了成熟的動(dòng)力學(xué)模型。它是在吹氣的大氣層馬斯達(dá)研究所的waste-2-energy氣化爐的基礎(chǔ)上，用肯塔基煤炭進(jìn)行模擬的。CO和CO2的結(jié)果如圖6所示。這個(gè)模型可以很好地獲得正確的趨勢(shì)并且能合理預(yù)測(cè)氣化爐中心線的氣體成分。這是一個(gè)了不起的成就，但Aspen Plus中使用的活塞流反應(yīng)器是一個(gè)缺乏湍流流動(dòng)影響的一維反應(yīng)器，減弱了反應(yīng)器的反應(yīng)性。該模型可以用于很難或不可能進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)的研究中，從而得出靈敏度參數(shù)并達(dá)到最佳氣化指標(biāo)。 氣化爐直徑的影響：在氣化爐的設(shè)計(jì)中考慮的重要參數(shù)之一是最優(yōu)尺寸。因此，研究氣化爐的直徑對(duì)沿中心線氣體組成的影響，以便確定氣化爐的最佳設(shè)計(jì)尺寸。CO和CO2的測(cè)量結(jié)果如圖7所示。氣化爐直徑在23到33毫米間變化。氣化過程開始時(shí)的氧化劑組成從最初的21變至3.47，如圖7a所示。結(jié)果顯示，隨氣化爐直徑增加，CO和H2的摩爾分?jǐn)?shù)增加，而CO2和水蒸氣摩爾分?jǐn)?shù)降低，如圖7b-d所示。隨著直徑的增加，CO和H2水平的增加可以認(rèn)為是為了吸熱的炭氣化反應(yīng)作空間準(zhǔn)備。另外，直徑在23mm至33mm之間變化比在33mm至43mm間變化影響更顯著。這說明氣化爐尺寸有最佳限制，超過這個(gè)最佳尺寸的部分將不起作用，并且額外的直徑也是多余的。在0.5m處的剩余H2來自平衡反應(yīng)器中不完全揮發(fā)的燃燒，并且隨后在活塞流反應(yīng)器中被耗盡。此后，在炭和水的反應(yīng)中形成更多H2，如圖7c所示。由于在Rstoic反應(yīng)器中有易揮發(fā)組分的燃燒，所以在活塞流反應(yīng)器的入口，CO2和H2O的含量較高。在入口的rplug意由于燃燒的因素形成的堆揮發(fā)。在進(jìn)入活塞流反應(yīng)器后，由于煤焦-CO2和煤焦-H2O反應(yīng)的利用，它們的含量降低。 氣化爐