基于Aspen PLUS的棕榈仁壳气化过程模拟外文翻译资料

基于Aspen PLUS的棕榈仁壳气化过程模拟

J C Acevedo^1,3, F R Posso², J M Duraacute;n¹，E Arenas³

1 Grupo de Investigacioacute;n Eureka, Universidad de Santander, San Joseacute; de Cuacute;cuta, Colombia

2 Grupo de Investigacioacute;n Nuevas Tecnologiacute;as, Universidad de Santander,

Bucaramanga, Colombia

3 Grupo de Investigacioacute;n Energiacute;a y Termodinaacute;mica, Universidad Pontificia Bolivariana, Medelliacute;n, Colombia

摘要：本研究通过使用Aspen PLUS静态的模式模拟棕榈仁壳(PKS) 的气化，该模型预测合成气成分的绝对误差为1.6%，生物质经过最终分析被定义为一种非常规成分。气化过程分为四个阶段：干燥、热解、氧化和还原，在R-Yield和R-Equil两种反应器模型中分别进行模拟，通过PKS的物理化学表征和平衡状态下的化学反应模拟气化。仿真结果与其他类似工况下的试验结果进行了验证，得出了从700℃到900℃，随着温度升高H₂和CO₂产生量随之增加，而CO在高温下情况与之相反，是减少的结论。随着蒸汽/生物量(S/B)比的变化，合成气中H₂的比例也有显著变化如，当S/B比从1.5增加到2.5时，H₂比例显著降低20.3%，CO和CO₂气体的变化趋势与也H₂的相同。

1. 引言

随着煤炭、石油和天然气等化石燃料的使用量的持续增加，导致了全球能源更多的依赖于不可再生资源。从2015年全球一次能源供应来看，石油占了32%，煤炭占28%，天然气占22%。在能源使用量增加的情况下，矿物资源的减少以及他们的高昂成本和对环境的不利影响是全球关注的问题，也是每个国家经济增长导致的结果。因此，许多国家都把精力集中在寻找新能源上，以促进新能源能够解决上述问题。随着国家的重视程度的增加，可再生能源已成为了全球第三大电力生产来源，其中2015年可再生能源占全球能源发电量的24.5%。而其中大约50%的可再生能源发电来自水力发电厂，只有6%来自生物量。全球能源的变化趋势显示了开发和使用新型可再生能源的重要性(包括地热、太阳能、风能、潮汐和小型水力发电)。在发展中国家，对于农村人口和城市贫困地区来说，生物量是满足基本能源要求的唯一可用资源。因此，因为生物质能的可得性和低成本这些特殊的特性，发展中国家的工作重点将发展生物质能作为可再生能源的技术。

生物质能被认为是一种重要的可再生能源，它的主要成分包括纤维素、半纤维素和木质素。生物质能由森林、牲畜、工业、农业、水产和城市的残留物构成。利用生物质能作为能源的一些优势是：能转化为固体、液体或气体燃料；能源使用产生低毒性排放，能为废物甚至是环境问题的残留物提供附加的使用价值。哥伦比亚有重要的剩余生物量的处理利用，农业部门的利用剩余生物量近17.1百万吨，最重要的作物是甘蔗、油棕、大米、玉米、咖啡、香蕉和大蕉，农业部门的生产能力约为12.000MWh/year，在上述生物量中，棕榈类占4.4%，主要由空果束(EFB)、纤维和棕榈核壳组成。目前利用部分纤维和PKS用作固体燃料产生蒸汽和电力，利用EFB作肥料或土壤调节剂，但长期降解会导致植物卫生问题。剩余的生物质用于开放地区，但由于其体积的原因阻碍了其处理，也没有考虑到在其降解过程中可能产生的温室气体对环境的影响。

对于剩余生物质的利用，工业有不同的利用方式，如农化、生化和热化学过程。在热化学过程中，主要存在气化的方法，这是一种在氧气与含碳材料结合的情况下发生的一种方法，以产生主要由H₂和CO 组成的燃料气体。这个过程是发生在有气化剂的存在(例如,空气、蒸汽、氧气)，且温度介于400℃和1500℃之间，并在高气压之下(即大气压力，大约33bar)。本研究的目的是在ASPEN PLUS静态模拟中在不同温度和不同的S / B比率下测定固定床气化炉合成气的组成与其产生的气化现象，ASPEN PLUS软件固体组件有一个广泛的化合物数据库用来计算组成和化学反应的热力学性质。ASPEN PLUS已经被不同的作者来模拟从生物质热化学过程，比如，Mansaray等采用化学平衡和能量平衡比模拟稻壳气化。Mathieu和Dubuisson在流化床气化炉中模拟了木材气化过程。Nikoo和Mahinpey开发了一个同时考虑流体动力学和反应动力学的常压流化床气化炉稳态产率预测模型。

1. 材料和方法

2.1棕榈生物量

该气化工艺以棕榈仁壳为原料，棕榈仁壳具有广阔的可利用性和良好的理化性能。2016年，哥伦比亚约有302.573吨的PKS用于生产，目前，该材料有一部分被用于萃取厂作为锅炉燃料。然而，它的很大一部分被用于油棕作物的道路建造，这些利用方式导致了这种材料的能源浪费。

表1 PKS的特征

M：水分，A：灰，VM：挥发性物质，FC：固定碳，CV：热值（MJ/KG）

对物理化学特性进行研究，在表1中，PKS高热值(18.96MJ/KG)相比较一些类型的生物质更高，如甘蔗蔗渣和稻壳值分别只有15.11MJ/KG和14.09MJ/KG。PKS(7.52%)相对于其他原料如椰壳(18.50%)、空果穗(66.26%)、甘蔗渣(52.20%)更低，使得气化过程更加高效，因此干燥阶段不需要很高的能耗。此外还表明PKS最高的氢(28.48H2 /KG PKS)在气化过程中，与甘蔗蔗渣，稻壳、椰子壳相比，表1给出了直接和最终的分析，随后将数据输入ASPEN PLUS中的非常规的规范固体组件进行研究。

2.2 ASPEN模拟

2.2.1 假设。在模拟Aspen PLUS的气化过程时，考虑了以下假设：

反应以等温等容进行；

气化过程是在静止状态下进行的；

气化炉内存在均匀的混合物和温度；

在气化过程中，焦油和焦炭的形成可以忽略不计；

生物质颗粒是球形的，不影响反应

2.2.2 气化反应。仿真过程中使用的方法是建立在ASPEN PLUS 的Peng-Robinson状态方程基础上，允许评估所有传统的物理性质组件处于静止状态。它的使用提高了纯组分在温度升高时的汽压相关性，因此它的应用足以模拟达到高温的气化过程。表2所示的气化反应定义为化学平衡反应，所以采用OXI-RED反应器(图1)。

表2. 气化反应

2.2.3.ASPEN PLUS 模型

气化过程分为四个基本阶段：干燥、热解、氧化和还原。因为ASPEN PLUS不能处理一个集成所有阶段的反应堆，所以建模两个反应堆，考虑不同的研究,第一个R-Yield反应堆用10KG/ℎPKS，第一阶段发生于气化模型中,被称为DRY-PYR(Figure 1)，这个设备是在500℃和1bar环境下进行分解和生物质液化作用，加入的生物质被分解成更简单的组分，由常规组分转化为非常规组分(如H2、CO、CO₂、CH₄、H₂O)，在该反应器中，挥发产物的收率是根据PKS的近似分析和最终分析计算出来的，并没有考虑动力学和化学计量反应。DECOMP计价的反应堆是在输出电流与蒸汽混合搅拌机(混合)在不同的S / B比率(1.5minus;2.5)w/w来测定确定其影响的生产氢(合成气)出现在反应堆的输出电流。表明蒸汽(STEAM)在150°C和1bar环境下能保证高质量的饱和蒸汽压力。

第二个反应器采用了氧化还原(OXI-RED)阶段，由R-Equil组成，它采用化学平衡反应的化学计量方法，不需要动力学参数作为规范。混合器的混合气体被送入OXI-RED反应器进行表2所示的反应。这个设备是在1bar压力和不同温度下(700minus;900℃)评估温度在当前制氢反应对于合成气的影响。图1显示了ASPEN PLUS气化模型的流程图。

图1.PKS气化模型流程图

1. 结果与讨论

3.1模型验证

实验结果验证了模拟结果，该实验研究了逆流固定床反应器中剩余棕榈生物量的气化。本研究分析在800°C和S / B的比例为1.5(w/w)环境下，合成气中出现的主要气体(H₂, CO, CO₂、CH₄)中N₂的干燥度。表3表出了每个部件的绝对误差，平均绝对误差为1.6%，从该平均绝对误差可以推断出具有实验值的模拟模型的良好水平。对于氢气电流，在比较模型与得到的结果误差分别为2.1%与3.2%时，同时，在这项研究中发现的模型的优点也值得注意。

表3.仿真和实验结果分析