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利用ASPEN Plus模拟研究生物质循环流化床气化炉空气预热的影响

Wayne Doherty, Anthony Reynolds, David Kennedy

Department of Mechanical Engineering, Dublin Institute of Technology, Bolton Street, Dublin 1， Ireland

摘要：

在气候变化、效率和能源安全的背景下，生物质气化具有重要的意义。本研究选择循环流化床(CFB)技术为研究内容。本研究的目的是建立循环流化床的计算机模型，该模型可以预测各种操作条件下生物质气化炉的气化性能，原始模型是使用 ASPEN Plus开发的。该模型基于吉布斯自由能最小化，并用限制平衡法对其结果进行校准。这是通过指定气化反应的温度方法来实现的。该模型预测的合成气组成、转换效率和热值与实验数据吻合较好。操作参数处于一个很大的变化范围。研究发现，当量比(ER)、温度、空气预热、生物质水分和蒸汽注入等参数对合成气成分、热值和转换效率有影响。结果表明，在一定的当量比(ER)和温度范围内，氢气(H2)和一氧化碳(CO)产量最大，从而确保高位热值和冷却气体效率(CGE)。气体热值随当量比(ER)升高而降低。空气预热増加了H2和CO的产量，从而增加了燃气热值和冷却气体效率。空气预热在较低的当量比(ER)下更有效。当空气温度达到一定临界值后，空气预热的影响很小。蒸汽相比燃料中含有的水分具有更好的反应性。增加水分会降低性能，因此输入的燃料应该预干燥。如果想得到更多的可燃气体，应采用蒸汽注入。

关键词：生物质气化模拟、循环流化床、吉布斯自由能最小化、当量比、蒸汽喷射

1．引言

生物质作为一种可再生能源，在减缓气候变化和能源安全方面都具有重大意义。能源安全对任何国家的经济持续增长都至关重要。目前，爱尔兰90%的能源依赖进口^[1]。根据最近的一项研究，到2050年，石油和天然气的价格将翻一番^[2]。此外，在发展中国家能源需求迅速增长的推动下，到本世纪中叶，全球能源需求将增加一倍以上。另一项研究《世界能源展望》也预测了类似的趋势^[3]。该研究预测，到2030年，全球能源需求将增长53%，二氧化碳排放量将增加55%，其中70%将来自中国、印度和其他发展中国家。生物质气化加上其他可再生能源选择可以减少对进口能源的依赖，并有助于确保能源安全。

气化是将含碳物质转化为可燃气体或合成气体的过程^[4]。它可以被认为是一个升级的过程,在这个过程中需要对固体进行处理,去除它的有害成分并把它变成可以最大便利和最小成本处理并且容易纯化的气态产品、清洁燃料或其他的化学物质^[5]。当氧气(O₂)或空气与蒸汽或水在高温下与气化器中的生物质或其他含碳材料中的碳发生反应时，气化过程发生。过程中产生的合成气可以在发动机或燃气轮机中燃烧以产生电力和热量。最近合成气被认为是应用于燃料电池的候选燃料。空气气化产生的气体质量较差，高位热值约为4-7MJ/m³。而氧气和蒸汽共同气化过程产生的合成气的高位热值在10-18 MJ/m³范围内^[6]。然而，由于使用当前的商业技术(低温空分)生产氧气的成本过高，纯O₂气化对生物质气化来说并不实用。这促进了对于新型气化过程的研究，如双间接加热流化床技术^[6-9] 。在本研究工作中，对空气气化进行了建模分析。

当燃料中的所有碳都转化为二氧化碳，并且没有多余的氧气时，就会发生完全燃烧。气化的基础是要比固体燃料的完全燃烧提供更少的氧化剂。由此产生的化学反应产生一氧化碳(CO)和氢气(H₂)的混合物，这两种物质都是可燃物质。这种气体燃料的能量值是原固体燃料化学热值的75%。此外，由于气化过程，合成气的温度将大大高于原来的固体燃料。生物质气化过程如表1所示。

表1 气化反应

气化过程可以分为三个相互关联的过程:热解(也称为脱挥发、热分解或碳化)、气化和燃烧。气化和燃烧可以结合，例如Di Blasi等人^[11]将气化描述为固体热解和焦炭转化两个阶段(气化和燃烧)。气化过程中部分燃烧是必要的，因为它提供吸热气化反应所需的热量。在350-800℃的温度范围内发生热解，生成焦炭、CO、H₂、CH₄、CO₂、H₂O、焦油和碳氢化合物。其中焦油的产生是不利的，因为它们会造成效率的损失和降低下游工厂设备的性能。如果温度足够高，一些焦油会裂解成CO、H₂、CO₂等。热解产物可用于气化和燃烧反应。

迄今为止，关于生物质气化的研究和相关报道一直缺乏，这使得工艺设计很困难。本研究的主要目的是建立一个能准确预测不同操作条件下循环流化床生物质气化炉性能的计算机模拟模型。本文介绍了利用商业化工过程模拟软件ASPEN Plus开发的生物质循环流化床气化炉原始模型。所提出的模型是基于吉布斯自由能最小化。该方法假设仅需要有限数量的化学反应(R1-R10)就可以预测合成气的组成、燃气热值和工艺效率。本文研究了不同操作条件对气化炉性能的影响，并得出了研究的结果和结论。

2．方法

2.1 气化炉类型及选择

分类的依据式燃料通过容器的移动、操作压力和温度以及进入燃料的大小和条件^[12]。主要的配置是移动/固定床，流化床和夹带流。当前的研究选择常压循环流化床作为对象的原因是它接近于商业应用。该技术已被证明适用于生物质气化，具有规模的可选范围大(低MW至超过100MW)和良好的燃料适应性等特性。Vanamo生物质综合气化联合循环(BIGCC)示范工厂，从1996年到2000年在瑞典运行，使用加压循环流化床气化技术。图1展示了典型循环流化床气化炉的原理图。

图1. 循环流化床生物质气化炉原理图

2.2 流程模拟软件

本文选择ASPEN Plus作为气化炉建模软件。这个软件是一个稳态化学过程模拟器，它是由麻省理工学院(MIT)和美国能源部共同开发，用来评估合成燃料技术的软件^[13-23] 。它使用单元操作块，这是特定过程操作(反应堆，加热器，泵等)的模型，用户将这些块放在流程图上，指定材料和能量流。模拟计算使用了一个广泛的物理属性数据库。该程序使用顺序模块化(SM)方法，即一个模块一个模块的解决工艺方案，使用每个块的进口流属性计算出口流属性。

ASPEN Plus能够将用户编写的Fortran代码整合到模型中。该功能用于定义非常规燃料，例如生物质城市固体废物(MSW)、特定煤炭，并确保系统在用户定义的限制和约束条件下运行。用户的模型可以用excel创建，也可以用Fortran编写，这些都可以完全集成到ASPEN Plus的流程中。

2.3 非耦合气化过程

要使用ASPEN Plus对CFB气化器进行建模，必须将整个过程分解为多个子过程。例如，模型可以分为以下几个过程:干燥和热解、部分氧化和气化。建模者可以选择分别对每个区域建模，或者将它们组合成一个单元。图2显示了分解或分解为子过程的整个气化过程。在干燥和热解区模拟气化的第一阶段，会产生焦炭、H₂、CO、CH₄、CO₂、H₂O、其他碳氢化合物和焦油。这些产品然后要么燃烧，要么气化。部分氧化区模拟焦炭以及一些H₂和一氧化碳的燃烧，产生所有子过程所需的热量。这种热量在图2中用虚线表示。产生的热量有一部分从系统中损失掉了，除了来自该区域的热量之外，产品还包括CO、CO₂和H₂O。第三个区域为气化区域，模拟气化反应，如 Boudouard反应、水煤气反应和甲烷化反应。部分氧化区和气化区的产物都被送入附加区。该区域确定最终的合成气成分，合成气主要由H₂、CO₂和一些CH₄组成。在这个区域，通过化学平衡限制气化反应，从而得出准确的合成气成分。最后一个区域，方框5，代表CFB旋风分离器，它分离并回收气体中夹带的固体。

图2 非耦合CFB气化过程

3.建模

3.1 ASPEN Plus 流程图

图3展示了CFB生物质气化ASPEN Plu

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