基于ASPENPLUS平台的生物质氧气气化制备合成气的模拟精.docx

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基于ASPENPLUS平台的生物质氧气气化制备合成气的模拟精

第１７卷第５期燃烧科学与技术

ｖ０１．１７

Ｎｏ．５

２０１１年ｌ０月

ＪｏｕｒｎａｌｏｆＣｏｍｂｕｓｔｉｏｎＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ

Ｏｃｔ．２０ｌｌ

基于ＡＳＰＥＮＰＬＵＳ平台的生物质氧气气化

制备合成气的模拟研究

李

斌１，陈汉平１，杨海平１，王贤华１，张世红１，代正华２

（１．华中科技大学煤燃烧圈家萤点实验室，武汉４３００７４；２．华东理上大学洁净煤技术研究所，上海２００２３７）

摘要：

利用ＡｓＰＥＮＰＬＵｓ软件建立了生物质氧气气化制备合成气模型，并对各种影响因素进行了深入分析，结果表明。

随着０２当量比的增加，合成气的体积分数与产率均先增大后减小，且在当量比为Ｏ．１６时，合成气的体积分数和产率均达到最大值，分别为９７．６３％和１．６ｌｍ３瓜ｇ，此妒（Ｈ２）／缈（ｃＯ）也有最大值Ｏ．９８；高温和低压对制备合成气有利，在加压条件下，合成气体积分数和产率达到平衡组成时的温度提高；水蒸气与生物质之比由Ｏ增加到１．５时，妒（Ｈ２）／妒（Ｃ０）的值由Ｏ．９８快速上升至３．０６，而缈（０２）／妒（Ｃ０２）的值由ｌ：

Ｏ变化到ｌ：

５时，妒（Ｈ２）／妒（ＣＯ）的值由０．９８快速下降至０．５０．

关键词：

生物质；氧气气化；合成气中图分类号：

ＴＫ６

文献标志码：

Ａ

文章编号：

１００６—８７４０（２０１１）０５－０４３２－０５

Ｍｏｄｅｌｉｎｇ

ａｎｄ

ＳｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｏｘｙｇｅｎＧａｓｉｆｉｃａｔｉｏｎｏｆＢｉｏｍａｓｓｆｏｒ

ＳｙｎｇａｓＧａｓＰｒｏｄｕｃｔｉｏｎＢａｓｅｄ

ｏｎ

ＡＳＰＥＮＰＬＵＳ

ＬＩＢｉｎｌ，ＣＨＥＮＨａｎ．ｐｉｎ９１，ＹＡＮＧＨａｉ．ｐｉｎ９１，ＷＡＮＧＸｉａｎ－ｈｕａｌ，

ＺＨＡＮＧＳｈｉ＿ｈｏｎ９１，ＤＡＩＺｈｅｎｇ－ｈｕａ２

（１．ＳｔａｔｅＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏ叮ｏｆＣｏａｌＣｏｍｂｕｓｔｉｏｎ，ＨｕａｚｈｏｎｇｕｎｉＶｅｒｓ时ｏｆ

Ｓｃｉｅｎｃｅａｎｄ

Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｗｕｈａｎ

４３００７４。

Ｃｈｉｎａ；

２．ＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＣｌｅａｌｌＣｏａｌＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ＥａｓｔＣｈｉｎａＵｎｉｖｅｒｓ时ｏｆＳｃｉｅｎｃｅ

ａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ２００２３７，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：

ＡｍｏｄｅｌｏｆｏｘｙｇｅｎｇａｓｉｆｉｃａｔｉｏｎｏｆｂｉｏｍａｓｓｆｏｒｓｙｎｇａｓｇａｓｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎｗａｓｂｕｉｌｔｕｓｉｎｇＡＳＰＥＮＰＬＵＳ，ａｎｄｔｈｅｅｆｒｅｃｔｓＯｆｖａｒｉｏｕｓｆａｃｔｏｒｓ

ｏｎ

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ｂｉｏｍａｓｓｅｑｕｉｖａｌｅｎｃｅｒａｔｉｏｉｎｃｒｅａｓｅｓ，

ｂｏｔｈｔｈｅ

ｓ”ｔｈｅｓｉｓｇａｓｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎａｎｄｔｈｅｙｉｅｌｄｉｎｃｒｅａｓｅｆｉｒｓｔａｎｄｔｈｅｎｄｅ－

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１．６ｌｍ’／ｋｇｒｅｓｐｅｃｔｉＶｅｌｙａｔｔｈｅｅｑｕｉＶａｌｅｎｃｅｒａｔｉｏｏｆ

０．１６，

ａｎｄｔｈｅｒａｔｉｏｏｆｈｙｄｒｏｇｅｎｔｏｃａｒｂｏｎｍｏｎｏｘｉｄｅａＩｓｏｒｅａｃｈｅｓｔｈｅｍａＸｉｍｕｍＶａｌｕｅｏｆＯ．９８．Ｈｉｇｈｔｅｍｐｅｍｔｕｒｅａｎｄ

ｌｏｗｐｒｅｓｓｕｒｅａｒｅｂｅｎｅｆｉｃｉａｌｆｏｒｓｙｎｇａｓｐｍｄｕｃｔｉｏｎ，

ａｎｄｕｎｄｅｒｐｒｅｓｓｕｒｉｚｅｄｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ，

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Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：

ｂｉｏｍａｓｓ；ｏｘｙｇｅｎｇａｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ；ｓｙｎｇａｓ

收稿日期：

基金项目：

作者简介：

通讯作者：

２０１１．０２．１７．圜家重点基础研究发展计划（９７３计划）资助项目（２００７ＣＢ２１０２０２）；困家自然科学基金资助项日（５０８０６０２７．５０９３０００６）；华中科技大学研究生科技创新基金资助项目（ＨＵＳＴ：

ＨＦ．０７．１７．２０ｌＯ．１２１）；华中科技大学博士学位论文创新基金资助项目．

李斌（１９８５一

），男，博上研究生，ｌｉｂｉｎｌ９８５２０＠１２６．ｃｏｍ．

陈汉平．ｈｐ．ｃｈｅｎ＠１６３．ｃｏｍ．

２０ｌ

１年ＩＯ月李斌等：

基于ＡｓＰＥＮＰＬｕｓ平台的牛物质氧气气化制备合成气的模拟研究

・４３３・

生物质定向气化制备合成气费托合成液体燃料是当前生物质气化技术发展的一个重要方向ｆｉ。

４Ｊ．常

规空气气化南于引入了大量惰性的Ｎ２稀释了可燃

气，使得合成气体积分数很低【５Ｊ．直接采用０２为气化剂，可最大限度地提高产气中合成气的浓度，减轻后续费托合成的难度Ｉｊ＇６Ｊ．液体燃料合成对氢碳比（妒（Ｈ２）／伊（ＣＯ））有一定的要求，如合成甲醇的氧碳比为２，而一般生物质气化产气的氧碳比并不能满足要求．已有研究报道，在气化剂中添加水蒸气和ｃ０２等可调声产气中的氢碳比，从而满足费托合成目标液体燃料的需求１７Ｊ．考虑到ＡｓＰＥＮＰＬｕｓ为大型化工流程模拟软件，且在生物质气化技术领域已有许多成功应用经验…４｜，本丁作将以ＡＳＰＥＮＰＬＵＳ软件为平台，根据Ｇｉｂｂｓ自Ｆ｝ｌ能最小化原理，建一口事物质氧气气化模拟流程，研究０２当量比、温度、压力等因素对

制备合成气特性的影响，并考察水蒸气、ＣＯｚ添加对气化结果的凋节特性，本文的研究结果可为实际的生

物质氧气气化制备合成气’ｒ艺提供理论指导和数据支持．

１气化模型建立

生物质与灰分在ＡｓＰＥＮＰＬＵＳ软件中通常以非

常规组分形式输入，配合其【业分析与元素分析结

果，利用收率反应器（ＲＹＩＥＬＤ）定义．本模型模拟中

所采用的生物质原料为木屑，其基本分析结果见表

１．为了准确模拟生物质氧气气化过程。

并简化气化

模拟流程，对模拟作如下假设：

①气化剂与生物质在炉内瞬间完全混合，气化反应器稳定运行，所有反应均达到化学平衡；②反应器内温度分布均匀，在反应过程中不考虑压力损失；③气化产物中气体成分仅考

虑Ｈ２、Ｃ０、Ｃ０２、ＣＨ４、Ｈ２０、Ｎ２、ＮＨ３、Ｈ２Ｓ和ＣＯＳ等

９种，生物质完伞转化，不考虑焦油含量；④生物质中的灰分为惰性组分，不参与气化反应．

表ｌ模拟过程中所用木屑的基本分析结果

一Ｉ：

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生物质氧气气化制备合成气的模拟流程如图１所示，模型包括４个单元模块、１０个物流流股和２个

热流流股．采用ＲＹＩＥＬＤ（收率反应器）模块实现生物质输入，气化过程则采用ＲＧＩＢＢｓ（平衡反应器）模块，根据Ｇｉｂｂｓ自由能最小实现化学和相平衡，采用ＳＳＰＬＩＴ子物流分流量模块实现气同严格分离，采用ＳＥＰ（组分分流器）模块实现气汽完全分离．整个模拟

流程描述如下：

生物质经热解模块分解为单分子成分（Ｃ、Ｈ２、０２、Ｎ２、ｓ、ｃ１２和灰分），进入气化反应器与

０２、水蒸气和Ｃ０２等反应，出门产气经过两级分离分离出固体物流（灰分）和水汽，得到最终的干产气．

图ｌ

ＡＳＰＥＮＰ

ＬＵＳ气化模拟流程

２影响因素分析

２．１

ｏ：

当量比对气化结果的影响

图２所示为产气成分、合成气产率与妒（Ｈ２）／缈（ＣＯ）

的值随Ｏ：

当量的变化。

其中气化温度为８５０℃，乐力

为０．１ＭＰａ．由图可知，随着０２当量比的增加，有更

多的Ｏ：

参与气化反应，导致产气中ｃ０的体积分数

降低，而Ｃ０２的体积分数增加；ＣＨ４体积分数则南

６．７４％（当量比为ｏ．１）迅速降至０附近；Ｈ２体积分数

则先增加而后降低，在０２当量比为０．１６时，有最大

体积分数为４８．２２％．这主要是由于在当量比较小时。

随着当量比增加，有更多的０２与ｃ结合，使得ｃ出体积分数降低，而Ｈ：

体积分数增加；而在当星比较

大时，继续增加０２当量比，则０２会与Ｈ２结合生成

水，使得Ｈ２体积分数下降．在当量比为ｏ．１６时，合

成气的体积分数和产率均达到最大值，分别为９７．６３％和１．６ｌｍ３／ｋｇ．合成气的９（Ｈ２）／矽（ＣＯ）的值随着０２当量比的增加也呈先增大后减小的趋势，在当

量比为０．１６时有最大值Ｏ．９８．在后续研究中，０２当

量比均取为０．１６．

．４３４．

燃烧科学与技术第１７卷第５期

１．Ｏ

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圈２产气成分、合成气产率与９（Ｈ，），，（ＣＯ）

随０，当量比的变化

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２．２湿度和压力对气化结果的影响

图３所示为产气成分、合成气产率与９（Ｈ２）／≯（ＣＯ）的值随气化温度的变化。

其中气化压力为

０．１

ＭＰａ。

０２当量比为０．１６．由图可知。

随着温度增加。

产气中ＣＯ和Ｈ２的体积分数快速增加．而Ｃ０２与ＣＨ４的体积分数则快速降低至０附近，温度约大于８００℃后。

产气成分基本保持不变。

相应的合成气体积分数与产率及９（Ｈ２）／９（ＣＯ）的值也在温度约大于８００℃后基本保持稳定．总体而育。

温度越高对制备合成气越有利．温度升高。

焦炭的Ｃ０２还原反应加剧。

甲烷化反应向逆反应方向进行．ＣＨ４重整反应（干法重整与湿法重整）速度增加．从而使得ＣＯ和Ｈ２的体积分数增加而Ｃ０２与ＣＨ４的体积分数降低，温度高于８００℃后。

体系已经基本平衡．

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田３产气成分、合成气产率与９（Ｈａ），９（Ｃ０）

随气化沮度的变化

图４所示为产气成分、合成气产率与９（Ｈ２）／９（ＣＯ）的值随气化压力的变化。

其中气化温度为８５０℃。

０２当量比为０．１６．由图可知。

随着压力增加。

产气中ＣＯ和Ｈ２的体积分数降低，相应的合成气体积分数与产率下降。

而Ｃ０２与ＣＨ４的体积分数则上升。

且９（Ｈ２）／９（ＣＯ）的值也快速下降．因此。

加压不利于

制备合成气，压力升高，甲烷化反应加剧。

从而使得

ＣＯ和Ｈ２被大量消耗．

田４产气成分、合成气产率与９（Ｈ１），９（Ｃ０）

随气化压力的变化

图５所示则为气化温度与压力对合成气体积分数与产率的关联影响结果．其中０２当量比为０．１６．由图可知．高温和低压对制备合成气有利．在加压条件下．合成气体积分数和产率达到平衡组成（基本稳定）时的温度提高。

如压力由０．１ＭＰａ增加至

１

ＭＰａ时，温度由约８００℃上升至１１００℃左右．考

虑到加压条件下．生物质气化效率和强度增加。

而且更有利于气化产物的后续利用。

因此．实际过程中可在适当提高温度的条件下进行加压气化．

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圈５不罔气化压力下合成气体积分数与产率随气化温度

的变化

２．３水蒸气添加对气化结果的影响

图６所示为水蒸气添加对产气成分、合成气产率与９（Ｈ２）／９（ＣＯ）的影响。

其中气化温度为８５０℃．压力为０．１ＭＰａ．０２当量比为０．１６．由图可知。

随着水蒸气／生物质比的增加。

产气中Ｈ２体积分数略有增加。

ＣＯ体积分数快速下降．而Ｃ０２体积分数不断上升。

合成气的体积分数由于Ｃ０２体积分数上升而下降。

合成气的产率则先增加而后基本趋于稳定．这主要是由于水蒸气添加量的增加导致水汽重整变换反应加剧．ＣＯ被大量消耗，而Ｃ０２和Ｈ２均增多，使得总的合成气产率变化不大．而合成气体积分数有一定下降．但合成气中的９（Ｈ２）／９（ＣＯ）却显著提高．当水蒸气与生物质之比由０增加到１．５时，９（Ｈ２）／妒（ＣＯ）的值由０．９８上升至３．０６．在水蒸气与生物质之比为

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２０ｌ１年１０月

事斌等：

蔫予ＡＳＰＥＮＰＬＵＳ平台的生物质氧气气化制备合成气的摸拟研究

・４３５・

Ｏ。

７５时，９（Ｈ２）细（ＣＯ）的值为２．０３，比较适合甲醇的

合成．

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与产率均先增大后减小。

且在当量比为０。

１６时。

合成

气的体积分数和产率达到最大值，分别为９７．６３％和

１。

６ｌ

ｍ３／ｌｃｇ。

此时妒（Ｈ２）／９（ＣＯ）有最大值Ｏ。

９８．（２）离温和低压对制备合成气有利。

且在加压条

件下。

合成气体积分数和产率达到平衡组成时的湿度

提高。

（３）水蒸气和Ｃ０２添加均可最著调节合成气的矽（Ｈ２）／矽（ＣＯ）的值．水蒸气与生物质之比由Ｏ增加到１．５时．缈（Ｈ２）／矽（ＣＯ）的值由Ｏ．９８上升至３。

０６。

矽（Ｏ：

）／妒（Ｃ０２）由ｌ：

０变化到ｌ：

５时．妒（Ｈ２），矽（ＣＯ）的值由Ｏ．９８快速下降至０．５０．朋６：

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萨尹（Ｈ１）７ｐ（ｃ动

参考文献：

随水燕气，生物质的变化

ｙ呵＾嗽：

２．４

ＣＱ添加对气化结果的影响

图７所示为气化剂（０２）中添加Ｃ０２（即０２／Ｃ０２

气化）对产气成分、合成气产率与矽（Ｈ：

）／９（ＣＯ）的影

响．其中气化温度为８５０℃，压力为Ｏ．１ＭＰ矗．０２驾营比为Ｏ，１６。

由图可知，随着Ｃ０２添加量的增加。

产℃中Ｃ０２体积分数增加．Ｈ２体积分数降低。

ＣＯ体积－数变化不大。

合成气产率则先略有增加而后基本保

ｔ不变，丽合成气体积分数则由予Ｃ０２体积分数的

加而下降．这主耍是由于Ｃ０２添加量增加导致水管整变换反应的逆反应加剧。

Ｃ０２与Ｈ２反应生成和Ｈ２０。

使得Ｈ２被大量消耗。

而生成了ＣＯ．从而摹合成气的伊（Ｈ２）／９（Ｃ０）的值快速下降．当２）仞（Ｃ０２）由ｌ：

０变化到ｌ：

５时，９（Ｈ２）／））的值由Ｏ．９８快速下降至Ｏ．５０．由此可以看出。

的添加有利予Ｃ０生成。

并减少合成气中的Ｈ２瓮。

可降低合成气的９（Ｈ２）／妒（ＣＯ）的值．

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着０２当量比的增加．合成气的体积分数

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