气流床气化动力学模型的建立.doc

气流床气化动力学模型的建立Idowu Adeyemi，ISAM janajreh waste-2-energy实验室，机械工程，马斯达尔科技学院（MI），阿布扎比，阿拉伯联合酋长国在这项研究中，气流床气化炉（EFG）肯塔基煤和木材废料已被研究用于基于Aspen Plus详细的动力学模型和实验诊断。实验在空气吹大气压落管实验装置炉中进行了调查。得到验证开发方面在不同当量比的出口的Aspen Plus模型。此外，对扫描电子显微镜（扫描电镜）碳的图像进行了观察，沿气化炉，以确定的行为的原料进行气化和选择合适的炭气化模型。该模型考虑了通过水分释放、挥发分燃烧和气化的被动加热。它使调查气化过程和运行的敏感性研究变得切实可行，像电流平衡和高保真偶合化学热流量模型是不充分的或更多的复杂性去使用。该模型较合理地在这项工作中获得的实验数据被用来进行敏感性研究。在直径和高度尺寸的增加导致CO和H2的摩尔分数在气化炉内的长度增加，而CO2和H2O呈现一个相反的趋势。它还观察到，和煤的基线相比，合成气的生物质废弃物的摩尔分数较低，这是由于其比煤的废物生物量有较高的氧含量（43.62%）和较低的碳含量（49.41%）。1 简介 数百万吨的固体生物质废弃物每年对我们的地球产生持续的严重的环境和生态的威胁。2009，根据废物管理阿布扎比中心估计，阿布扎比酋长国，阿拉伯联合酋长国的总固体废物，是5756千吨。由于建筑热潮在迪拜发生，因此建设部门贡献了61%的总废弃物。在当前人口增长、发展和产业化的趋势下，这一趋势往往会加剧。然而，大多数这些建筑废料的木材，结束在了垃圾填埋场，对环境造成严重的破坏。这种废弃物和其他垃圾一样，如果隔离并妥善处理可以气化而产生高经济价值的合成气，从而解决废物管理、碳排放的问题，促进酋长可再生能源的命令（7% ，2020）。 虽然有一些基于平衡的气流床气化Aspen Plus模型，但在文献中详细的基于动力学的Aspen Plus 模型的开发却非常少。这些模型有一部分包括文和川开发的与二氧化碳，氧气和氢气反应的焦炭反应速率表达式的一步热解模型和气态平衡的全球速率的工作。此外，葛伟德和伊朗用了一个类似的模型，他们把来自德士古夹带不同饲料的三维中试装置（煤液化残渣和水煤浆）的实验数据和他们的结果相比较。在CSIRO的另一项研究中，Gartner等开发了一种Aspen Plus模拟的基于动力学的气流床气化模型，为在吹气加压气流床反应器（PEFR）使用产品分布数据机的三元混合燃料气化模拟（干燥褐煤提取残渣和焦炭）。他们的研究是随着三澳大利亚煤的气化，阳离子的研究验证crc252，crc274，和crc299。李等也研究了利用Aspen Plus模拟在气流床气化炉的工作台不同燃烧器类型和氧气供给角度对燃烧器的气体组成、碳转化率和气化炉温度的影响。他们用来自韩国电子动力公司研究所气化炉的氧气吹气一吨每天的实验数据证明了他们模型。除了这些少数的研究，利用Aspen Plus模拟气流床气化的动力学模型没有其他作品。本研究旨在探讨木材废弃物的气流床气化模型和实验诊断，同时使用肯塔基煤炭作为基准。实验是基于在马斯达尔研究所的waste-2-energy实验室开发的落管实验装置。发达的Aspen Plus模型在焦炭气化方面利用收缩未反应芯模型。此外，该模型包括水分释放，热解、挥发分燃烧。气化炉直径、高度等参数的影响，关于气体成分的燃料类型和气化分类指标（效率和转换）也进行了研究。2 原料特性 从阿布扎比的生活垃圾处理设施收集的肯塔基煤炭和木材废料使用三种常规分析方法表征：近似法，元素法和弹式量热法。近似分析法是利用DSC/TGA Q600热分析仪进行热分析；最终再利用FLASH 2000 CHNOS分析仪进行分析；并且用Parr 6100弹式量热计进行热值的测定。收集样品并搅拌至0.1毫米网孔尺寸以确保混合均匀，然后根据每一个实验的需要进行装盘。每个测试重复五次，以统计学形式接受的数据测量（见表1）。肯塔基煤是从河贸易公司获得的烟煤型，木材废料是在阿布扎比垃圾填埋场收集的普通酚醛膜建筑模板。原料适合气化水分和灰分含量的分数均小于10%，如表1所示。 3 实验研究在马斯达尔研究所的waste-2-energy实验室设计的大气下降管式反应器（DTR）是由一个绝缘不锈钢矩形炉和封装有缺口合金管的耐火墙内的加热模块组成的。它可以达到1400K的壁温、调节和控制氮和氧流量。气化过程实际上是发生在氧化剂和氮气供应系统被注入气流床的原料中并且当原料通过粒子喷射系统时。它为气体分析、中心线和炉壁温度的检测配备了诊断工具。实验装置及其示意图，如图1所示。炉和下降管反应器的规格如表2所示。 3.1 样品制备因为气流床气化要求极细微粒（通常小于100微米），肯塔基煤和木材废料粉碎、使用Retch ZM 200过筛离心磨到要求尺寸。煤和木材的集料为100 g，肯塔基煤炭和木材废料分五批，每一批都粉碎并用0.4毫米的环网过筛。此后，该细粉碎的颗粒被送入第二个振动冲击实验室测试筛，以分类它们在此基础上的累积量分布的颗粒，如图2所示。分类过程中使用到网孔直径为25，40，100，250和400微米的五个网筛。因此，原料中几乎90%的总重量是100微米以下的。所以，可以进行气流床气化实验研究。3.2 实验方法在允许的颗粒尺寸准备了的气流床气化的下降管式反应器开始实验。首先，在无反应条件下，将落管用一个温度控制器加热到1373K。该控制程序是由2个斜坡组成（一个在300K和923K之间加热80分钟，另一个在923K和1373K之间加热80分钟）并且在每个斜坡结束分别等温加热20分钟和120分钟。在下降管中观察到一个稳定的温度，粒子被激发（LPD准确性超过98%），打开氧化剂夹带流的流量阀。氧化剂夹带流由一个氧和氮的混合气体组成，模拟O2：N2摩尔比为3.76的压缩空气。相同的气化条件下使用的双粒子流进行粒子剂量率为1.405克/分钟，氧化剂/夹带流速为0.4升/小时和0.6升/小时之间。轴温测量值由渗透气化炉在炉管中心达到的K型热电偶（误差为0.01K）的长圆柱形茎测得。一氧化碳和二氧化碳气体用一种便携式气体分析仪测量，准确性超过99%。气体首先在一个聚氯乙烯2升容量袋中采样，容量袋连接到吸气泵，从一端尾部到长柄针紧密配合经过十五个1.5华氏气化炉炉壁孔的另一端尾部，吸附针穿过炉墙达到气化炉中心，从而获得较大的采样气体，以尽量减少使用两个环境管理系统和交叉检查的气态物种的气体分析仪在测量质量分数的误差。首先注入已知浓度/校准测试气体样品，以确保这两个分析仪的校准。这个分析仪测量的是在每个种类分数的99%，特别是CO，CO2，O2，NO，SO2，H2S。分析仪配备不同的传感器，包括电化学（CO低、Co高，CO 低，H2 补偿，O2，NO2，SO2和H2S），红外线（CO2）和催化剂（CxHy）。他们对航空产品公司的特种气体的直接流动进行了校准，该产品是定义下列混合物的组成（1% C2H4、C3H6，3% C5H12，5% C3H8、CH4、CO、CO2和15% C4H8，10% C2H6、C4H10，15% HE，和15%的H2）和在另一个已知的O2，CO2，NO，CO和H2S校准混合物。主要种类为高精度测量，如表3所示。此外，对导致焦炭沿下降管样品形态的研究在扫描电子显微镜（SEM）量子250中进行。在不同的空间位置得到了这些照片。而同一位置的照片是相似的，不同位置的照片有明显的不同。较长的停留时间是显而易见的，因为形成越来越大的气孔，导致最终稿不足以支撑自己的结构。 3.3 模型发展图3描述了所开发的模拟气流床气化炉操作的Aspen Plus动力学模型，它解释了发生在气化炉中主要的物理和化学过程包括被动加热，颗粒的干燥、热解、挥发分燃烧、焦炭气化。PKS物性法计算混合常规组分和常规的惰性固体的物理性质，而COALGEN和DCOALIGT建立模型用于计算非常规组分的密度和焓。3.3.1 干燥气化过程的第一阶段是水分释放，特别是当湿固体燃料被注入时。当粒子流进入，达到饱和温度的范围内，水分以蒸汽的形式被快速释放。由于在气流床气化炉的温度高，水分释放率通常很高，干燥过程可假定为瞬间进行。放湿过程用紧接着标记为FLASH-A的第二分离块闪蒸器的RStoic块进行建模，此模块标记为烘干机。使用RStoic块并建立程序代码，约95%的水分被除去。随后，分离器被用来从燃料的另一组分中除去蒸汽，因为反应器被关闭，失去了的蒸汽再通过L-H2O-B途径被引进。水分释放的结束是热解过程的发生。放湿过程可以表达为方程（1）： 3.3.2 裂解或热解在燃料的含水量被释放后，干燥原料的挥发物开始出现。被认为是在这个模型中的挥发物的是一氧化碳、水蒸汽、氢气、二氧化碳、甲烷、硫化氢、氮和焦油。在热解过程中产生的焦油为该模型中的苯，热解过程由于高的气流床气化温度，通常非常短暂。除了挥发物的参与，固体焦炭与内在的灰留了下来。裂解原料通常开始于400和600C之间并持续几毫秒。因此，热解过程可以认为是瞬时的，在Aspen Plus中用标记为YIELD-A 的反应器，标记为MIX的混合器、标记为SEP-B的分离器和标记为GIBBS的平衡反应器进行建模。YIELD-A反应器将燃料分解成炭和碳，氢，氧，氮和硫等主要元素。这些元素、焦炭、氩气和释放的水汽（在释放阶段）用搅拌机混合在一起，被送到分离器SEP-B。SEP-B将碳从由挥发性元素组成的其他组分中分离出来，并把挥发性组分送往吉布斯反应器。吉布斯反应器利用吉布斯最小化方法发现了被确定为氩气、一氧化碳、氢气、二氧化碳、水蒸气、硫化氢、氮、甲烷和苯的挥发性组分的平衡。干燥燃料的热解如以下方程（2）所示： 3.3.3 挥发分燃烧挥发性物质一旦被加入，就开始与引入的、可用的氧化剂反应。只有挥发性成分的四种，即一氧化碳，氢气，甲烷和苯，可以进行燃烧。因此，根据方程（3）-（6）的四个反应在Aspen Plus的标记为COMBUST的RStoic反应器中进行建模： 气相/均相燃烧率一般比固-气/非均相反应快得多。基于Hottel等人的一氧化碳燃烧的相关计算，发现该反应非常快速、几乎瞬间完成。因此，一氧化碳、氢气和苯的转换，被假定为100%。在这些均相反应中，第i个摩尔源项计算为： ,是在均相反应中的第i个化学计量系数。是体积/均相第n个反应，单位为kmol/m3/s。3.3.4 炭气化与均相反应 煤焦气化过程和随后的均相反应，在Aspen Plus的标记为PLUGFLW的活塞流反应器中建模。这个反应模块被选定是因为它允许对产物气体轴向浓度的观察。它也使气流床气化的最佳长度和直径的估算成为可能。因为气流床气化发生在温度很高的第三反应区，大多数含碳气体的反应可以被认为是表面反应。此外，气流床气化炉中装载的固体很少，粒子间相互碰撞。随后，在反应过程中形成的灰层可以仍然保持在燃料颗粒表面，因此，未反应核收缩模型可以合理地用于估计多相固气反应速率。这种固气反应模型考虑了灰层扩散和气体扩散对化学反应的影响。根据这一模型，总的反应速率参数可以根据方程8-10进行估计： 和第i种局部和参考压力。分别使作为第i种的有效局部压力。是粒子半径比，定义如下。、和是每个气膜和第一、第二灰膜的扩散常数。后者系数表示为： 表示灰层的空隙率。 是未反应核的半径，为未反应缩核粒子的外半径。、表示在热解完成后的转化率，并且后者是任意时间的无水分颗粒。表达式中的常数、和是基于气化反应进行估计的。水煤气变换反应，甲烷蒸汽重整反应，和氢气，一氧化碳和甲烷燃烧反应均为均相反应。均相反应速率和气化反应常数的进一步表达式可以从文和川的工作中得知。3.4 模型假设在气流床气化模型的发展过程中，提出了以下假设：气化模型是实现热化学转化的稳定状态假定气相瞬间反应，并且和固相完全混合忽略气化炉中的压降颗粒被假定为大小均匀的球形基于未反应核收缩模型，在反应过程中，形成的灰层仍然覆盖在颗粒表面颗粒内的温度是均匀的焦炭气化过程在加热区域附近0.5米处从顶部开始3.5 输入和边界条件 输入条件如表4所示。通过详尽的实验研究获得了这些条件。这项研究提出了合适的气化当量比为1.8。4 结果与讨论4.1 实验结果 气体成分诊断：在气化过程中，观察到当量比不同，气体组合物也不同。从1.2到1.8增加当量比，导致产生的CO更多、CO2更少，如图4所示。这是由于随当量比的增加而缺乏足够的氧气。这个实验数据被用来验证Aspen Plus模型。 焦炭电子扫描电镜形态：从扫描电镜得到的结果如图5中所示。图5a描述的是进入反应器之前的煤样。基于扫描电镜图像，我们可以推断出最初的煤样没有气孔，但当粒子沿反应器的加热环境，气孔持续出现，如图5b-f所示。孔隙的形成始于非常活跃的位置的微孔化，并导致带有气孔的第III组焦炭产物一般小于40%。此后，孔隙演变成介孔和微孔，介孔由第II组焦炭产生，微孔由第I组焦炭形成，孔隙率大于整个粒子的60%。微孔逐渐扩大形成颗粒碎片，并消耗至剩下火山灰后如图5所示。这些图像将有助于在气化过程中速率受限的煤焦气化过程建模。因此，一个更好的气化模型的选择可以提高整个气化模型的精度。4.2 Aspen Plus模型验证和敏感度分析 模型验证：在本研究中获得的出口气体组成的实验结果验证了成熟的动力学模型。它是在吹气的大气层马斯达研究所的waste-2-energy气化炉的基础上，用肯塔基煤炭进行模拟的。CO和CO2的结果如图6所示。这个模型可以很好地获得正确的趋势并且能合理预测气化炉中心线的气体成分。这是一个了不起的成就，但Aspen Plus中使用的活塞流反应器是一个缺乏湍流流动影响的一维反应器，减弱了反应器的反应性。该模型可以用于很难或不可能进行的实验的研究中，从而得出灵敏度参数并达到最佳气化指标。 气化炉直径的影响：在气化炉的设计中考虑的重要参数之一是最优尺寸。因此，研究气化炉的直径对沿中心线气体组成的影响，以便确定气化炉的最佳设计尺寸。CO和CO2的测量结果如图7所示。气化炉直径在23到33毫米间变化。气化过程开始时的氧化剂组成从最初的21变至3.47，如图7a所示。结果显示，随气化炉直径增加，CO和H2的摩尔分数增加，而CO2和水蒸气摩尔分数降低，如图7b-d所示。随着直径的增加，CO和H2水平的增加可以认为是为了吸热的炭气化反应作空间准备。另外，直径在23mm至33mm之间变化比在33mm至43mm间变化影响更显著。这说明气化炉尺寸有最佳限制，超过这个最佳尺寸的部分将不起作用，并且额外的直径也是多余的。在0.5m处的剩余H2来自平衡反应器中不完全挥发的燃烧，并且随后在活塞流反应器中被耗尽。此后，在炭和水的反应中形成更多H2，如图7c所示。由于在Rstoic反应器中有易挥发组分的燃烧，所以在活塞流反应器的入口，CO2和H2O的含量较高。在入口的rplug意由于燃烧的因素形成的堆挥发。在进入活塞流反应器后，由于煤焦-CO2和煤焦-H2O反应的利用，它们的含量降低。 气化炉