三区均衡和生物质气化炉动力学模型.docx

1、 三区均衡和生物质气化炉动力学模型三区均衡和生物质气化炉动力学模型 三区均衡和生物质气化炉动力学模型一种新的方法 摘要 作者提出，在他们以前的研究是两个区域平衡和动力学的自由模式，Ratnadhariya JK，Channiwala SA。两个区域平衡和动力学气化炉自由建模。第 12 届欧洲会议及技术展览会上生物能源，工业和气候保护法律程序。荷兰阿姆斯特丹，2002 年。813-816 页，这种方法提供气体成分，两个区域的温度分布和气化炉的性能参数。该模型不能预测热解区的成分和温度分布。但是三区均衡和生物质气化炉动力学模型却能够完美地解决这一问题。这三个区分别为：第一个区域是干燥和热解区结合而

2、成;第二个区域是氧化带；第三区是还原带。每个区域已制定：（一）反应的化学方程式;（二）物质的平衡;（三）有几个假设能量平衡。该模型明确规定木本生物质的量比和含水量的范围。此外，这种模式有利于预测的在气化炉氧化带的最高温度，为气化炉的设计和施工材料的选择提供有用的信息。该模型的优点在于它能够处理所有类生物质的量比和水分含量在所有气化炉的三个主要区域的预测。引言 基于少数几个证明假设，作者最近引入一种新的方法：间接认为通过放热性反应动力学和吸热性金属的氧化还原反应1来制定一个两个区域平衡、动力学气化炉的自由模型。本模型在相同的领域里是一个扩展。本模型识别的主要反应和一定程度的每个反应都被认为是反向

3、关系，他们的放热性或吸热性成正比,因此不需要任何热力学平衡假设。仅从质量和能量平衡，它能在三个区域预测成分和温度水平。1.物理模型描述 图 1 给出了总体视图的物理模型，气化炉的下沉气流随着流动在不同区的反应，干燥、热解区域掺杂在一起。热解产物的区域,即,1区,被认为是炭、一氧化碳、二氧化碳、氢气、水、甲烷和乙炔2。更高的碳氢化合物无视他们的裂缝可以在二级热解气化观察得到。和其他5、9 12。同样,最近许多的研究对热解气体成分在不同温度和不同的加热速度下他们的结果清楚地显示 CO、CO2,H2,H2O,CH4 和焦油在更高浓度时有更少的摩尔数5-8,13。最初联合的 C,H和 O 彼此形成的生

4、物质(14-19)以及工艺参数，即温度、速度的加热,等等。通常控制产品质量和产量裂解区9-11、13、20、21。Channiwala14曾评论说,多数的高热值相关性的基础在不同关于氧气与氢或碳的反应的假设，Dulong15和 Strache16 假设所使用的概念和可用氢燃料的氧与氢完全相关。Steuer17和 Sumegi18已经考虑燃料氢气和氧气，碳的联合。而 Vondrecek19研究氢更多的可用性。Sumegi18已假定(3/8)O 能够与 C 和(1/16)O 联合氢反应，而莫特和斯22已假定(2/3)O 能够与氢和(1/3)O，C 反应。该联合的碳和氢燃料的氧气都似乎是合乎逻辑的,

5、如果一个研究都基于高热值预测相关燃烧反应14和 devolatilization 结果5、6、9、10、20、21、23。在本模型的裂解区,基于这些实验和事实之间的亲和力 H 和 O 是明显高于C 和 O,假设 80%的燃料氧气,也就是说,(4/5)O 是与燃料的氢元素形式的水,而氧燃料的 20%,也就是说,(1/5)O 是与燃料碳对摩尔基础和释放的 CO 和 CO2 在分解率的摩尔数,CO和 CO2 的假定是与他们的分子质量成反比5-8,13。百分之五十的平衡的氢燃料释放的氢分子分解(6 13),剩下的 50%的氢燃料的平衡中释放的甲烷和乙炔的形式,该比率的甲烷和乙炔的摩尔数就会被认为是与他

6、们的分子质量成反比 5-8,13。气体成分和温度在这个区域是由质量和能量平衡。产物从热解区进入氧化带,其中传入的空气能够与这些产物和 H2 完全反应成为氧化水2 24-29，由于非常高反应活性的焦炭平衡的氧气消耗在焦炭氧反应化2、3、27-31,焦炭氧化收益率 CO 和 CO2,这被认为是成反比exothermicity(nCO/nCO2 吗?3.5606)的反应2、3、29。最后,CO 和CO2 从热解区域会直接放出并且 CO 和 CO2 氧化反应产生焦炭。简单地认为甲烷和乙炔是热解氧化带区的推进力,因其较低的燃烧速度和氧气不足2 29。因此,产物的氧化带是焦炭、一氧化碳、二氧化碳、水、甲烷

7、、乙炔和 N22-4。总体成分和温度在这个区域是质量和能量平衡的。产物减少氧化带输入区域，可能的产物减少区,被认为是有限的二氧化碳,H2、水、甲烷、乙炔和 N22、5-8。水气交换转变反应被假设为一个等级的反应，作为一个统一入口的还原带因为它是一种气相同质的反应2-4,32-37。焦炭携带超过被假定为零38、39。甲烷、乙炔和 N2 从氧化带出来的推进产物气2、3、29,40。平衡的碳将利用主要还原反应在他们的吸热性上成反比,例如,Boudouard 反应会消耗 43.22%的碳而水气交换反应会消耗 56.78%碳3,29，成分和温度在这个区域是质量和能量平衡的。2模型制定和解决方案 在模型配

8、方和解决方案的模型基础上制定由三个子模型组成的工作,每一个子模型,即,热解法、氧化还原反应和区。制定整体模型基本前提类似于两个区域(1)平衡、动力学的免费模式。(2)焦炭被建模为石墨碳2、38、39。(3)气化过程的等压3,39,41。(4)摩尔基础上气化炉携带的焦炭为 0%38,39。(5)没有热量转移到各个区域1,2。(6)气化炉的总体直接热损失被认为是相关的两个等价率和高热性的生物质材料。热损失取决于气化炉的温度水平。气化炉温度水平是由等价比和高热值的生物质决定。对气化过程,需要缺氧，气化炉的温度增加而生物质材料等价比和高热性是增大的，因此,整体热量损失被认为是产品的等价性比和高热值。对

9、于有高热值范围内的 15-20 MJ/公斤的生物量,操作等价比率区间为 0.25-0.45，整体热量损失将范围为 3.0-6.0%2,43。考虑这些整体热量损失被假定为 10%的排出物的等价性比和高热值2 41-43。这种损失分布在热解，氧化和还原带研究的基础上标准气化炉的温度变化情况由43和2决定，在那里可观察氧化带最高温度点，稍低一点的水平减少区和低水平仍在热解区。典型的平均温度是在订的 850、650 和 500 度分别在氧化、还原、热解区。因此热量损失热解法、氧化还原反应和区域,被认为分别在 25，40 和 35%的这一损失。3.1 裂解区模型,配方 假设(1)4/5的燃料氧气是与燃料

10、“h”以 H2O 形式存在,(14-19,22)。(2)1/5的燃料氧气是与燃料碳反应释放的 CO 和 CO2 并分解(14-19,22)。(3)摩尔数的比例呈负相关关系,CO和 CO2 分子上的质量,即 CO/CO2=44/28 5-8,13。(4)50%的可用燃料释放氢分子 5,13。(5)平衡 50%的氢燃料中以可用的形式释放甲烷和乙炔5,13。(6)甲烷和乙炔摩尔的比率呈负相关关系,与他们的分子质量,即CH4/乙炔=26.016/16.032 5-8,13。(7)热解区域的产物是炭、一氧化碳、二氧化碳、氢气、水、甲烷和乙炔2-8。反应化学计量数:3.2 配方的氧化带模型 假设(1)由于

11、其燃烧速度最高氢气从热解区完全氧化成水。2 24-29。(2)氧消耗平衡将在焦炭表面氧化，由于反应面积大得多可供氧气吸附在高活性热解焦炭上2、3、27 31。(3)CO、CO2 分配被认为是成反比的他们的反应是放热性的,也就是说,放热反应比假设进行的速度高了一个等级2、3、29。焦炭主要氧化反应的考虑是:这些反应将会继续并与他们的放热性成反比,即 nCO,O/nCO2，O=3.5606(4)在热解区的 CO 和 CO2 被认为是直接添加到 CO 和 CO2 以产生氧化焦炭。(5)由于其低燃烧速度和缺氧,甲烷和乙炔被认为是在推进区域减少的 2 29。(6)氧化带的产物是焦炭、一氧化碳、二氧化碳、

12、水、甲烷,乙炔和 N22-4。反应化学计量数:3.3 配方减少区域模型 假设 产物减少区,被认为是 CO、CO2,H2、水、甲烷、乙炔和 N22、5-8。由于缺乏氧气和消耗的焦炭的还原反应从氧化带产生甲烷和乙炔气体 2、3、29,40。气相均匀转变反应被假设为一个等级的反应，作为一个统一的入口的还原地带2-4,32-37。主要还原反应是鲍多尔德反应和水气交换反应。这两个异构反应都假定使用焦炭在成反比的放热3,-29。这意味着水气交换反应速度比鲍多尔德反应所得反应快。又一次的 43.22%的字符从氧化带被鲍多尔德反应和 56.78%的字符从氧化带被水气交换反应。因此,这两种反应可能表示为:鲍多尔

13、德反应：3.4 解算法 每个区域的模型独立的解决方案是通过迭代的方法和相互耦合得出一个整体模型来求解。图 2 描述了算法模型的整体解决方案。第一段是热解区。输出的裂解区域模型变为输入氧化区模型和输出的氧化带模型成为减少输入区域模型。所有的三个区域连锁解决方案通过计算机程序来解决，每个区域模型已经有 Turbo-C/C 开发语言和完整的程序，以此来获取天然气成分、温度在每个区和气化炉中的性能参数。4 模型验证 目前建立实用程序三个区域平衡和动能的免费模式的范围内所有的固体原材料和操作条件、充足的生物质数量(24种不同生物质)已发布的数据点都被选为模型验证。各种生物量中带输入的物质参数如表1。在所

14、有情况下焦炭被建模为石墨碳2、38、39平衡焦炭在还原区被认为是零38、39和热损失被假定为 10%的产物比例的等价性和高热性2 41-43。图 3 和 4 分别显示了模型与实验结果的验证最后的气体组成成分和低热值(低热值的）气体。乙炔是没有比是由于没有以前的实验数据。可能从图 3 和 4 看见,模型的预测相对发表实验结果很一致。整个加权绝对(AOWAE)和偏见的错误(AOWBE)的模型超过 24，发表实验数据进行天然气组合是 18.37 分别达 0.55%及,见图 3。平均绝对误差(AAE)和平均偏差的错误(安倍)求得是 7.82 分别达 1.37%及,见图 4。这些结果确实,证明了模型的价

15、值期待着大量的可变因素在发表的实验数据。因此它被声明,本模型开发的最简单的方法可以用来生成生物质具体性能数据所需要的反应堆设计。5 模型的预测 主要目的在于它的任何模型工具都是扩大规模和性能预测的关键设计。因此,目前的三个区域平衡、动力学的免费模式,用于研究等价的影响比和含水量区域的气体成分、温度和气化炉性能参数，这已经过与实验结果验证并得到了足够程度的准确性。等价的影响比、含水量对区域明确的气体成分、温度和气化炉性能参数已经研究了Subabul 木材作为原料,其具体内容是展示在表 2。这些预测的显著特征,在接下来的段落给出了观测量。5.1 等价的影响比(ER)表 3 显示了气体组分的热解区。

16、在热解区没有效果的等价性比率上观察到的气体成分,它是由于这样的事实,即现在的模型是开发既不考虑反应速率也不考虑平衡。通过质量和能量平衡的一些证明假设裂解区产物和温度简单地获得。因为热解是有加热温度和速度水平这一事实表明该模型的局限性15 19。图 5 显示了等价的影响比在气体氧化带的组成。增加 N2增加等价比率是很明显的,而观测到甲烷、乙炔和 H2O 是降低。事实上在可能解释的基础上,对给定生物质材料甲烷、乙炔和 H2O 取决于元素生物质中不变的组成,因此相对组成会很明显降低进气和等价比例增 加。观察到 CO 和 CO2 等价比率水平日益增加。这显然是由于越来越多的氧化与不断增加的烧焦的等价比

17、率。此外,这个速度增加 CO 是观察到的二氧化碳会更高。这可能是归结于这一事实,在缺氧和高活性的存在焦炭、部分氧化的焦炭将占据主导地位(30、31、44-46。图 7 显示了在每个区域对温度等价的影响。热解温度区是剩余的不断增加的比率，而温度等效氧化和还原带正在日益增加等价比率。相比于增加的温度速率的函数等价的比率高,在还原区氧化带,因为产品的氧化带在一个温度快速的减少区域加上焦炭吸热所需还原反应减少了,因为在更高比例的等价性大多数焦炭利用氧化区(见图 5)。这更清晰地观察到的等价性比都为 0.45 的氧化还原温度几乎相等的2-4,34,35,39、48、49。图 8 和 9 给出了变化的产气

18、率和耗气的一个函数等价的比率。显然,天然气产量的氧化和还原带正在日益增加进气的摩尔数同时,由于气相氧化成分天然气耗量大幅下降而增加等价比率,2、4、34、35,39。等价性比率为 0.25 木材生物质在固体碳转换完成后求得的气体的最优化范围2、3、4,34,41。图 10 显示了能源效率(这是产品的气体产量和天然气耗)在减少气化炉的区域的函数等价比率:能源效率的减少气化炉与不断增加的等价比率,这是很明显的。因此,整体效果增加等价比率是减少 co 的水平,从而减少 H2 和CH4 气体质量。从热力学平衡和 KF 模型观察以及预测，这些观察结果与实验结果是相当一致的2-4,39,48、49,因此再

19、一次定性验证了该模型。5.2 含水率的影响(MC)图 11 至 17 提出了含水量对气体成分的影响，温度水平和气化炉性能在每个区域参数与不断的等价比率为 0.3。热损失被假定为 10%的产物高热值，等价比率2 41-43焦炭传递的假定是 0%38、39。图 11-13 日代表了含水量对每个区域的气体成分的影响。图 11显示了气体组成成分作为一个函数的热解区含水量。可以看出除了H2O 随着水蒸气摩尔的增加而减少,这是很明显的。图 12。显示了气体组分的氧化带的水分函数。据观察,除了 H2O 所有的浓度随水分摩尔增加而增加。同样的生物量和持续的等价比率,这些预测是相当合理的。图 13 显示了含水量

20、对最终气体组成成分的影响。人们再一次 注意到,CO,H2 和 CH4 浓度随增加而减少,这显然是由于提高了系统可用性湿度的摩尔数。图 14 显示含水量对温度在每个区域的影响。每个区域的温度减少的趋势在的函数里是相当合理的,因为高水分吸收的热量消耗更多能源作为一种潜在的热量,从而减少了温度水平2,3,39,47。图 15-17 代表的产气率变化,分别求得的气体和能源效率(例如,产物的产气率和天然气气耗)的气化炉作为函数的含水率。按气体的产量增加量和水分的减少量的可以很容易地求得与水汽系统增加的摩尔数2、4,39,47。整体能源效率降低区并未显示极大差异。增加水分、反应的温度可能不是有利的，这将导

21、致燃气品质差了很多,因此效率很低。因此这也可能表示,该模型的预测非常合乎逻辑，处理气体组成成分和温度水平作为在每个分区含水率函数的根据。6 结论 根据制定的三个区域平衡和动能的自由模式的生物质气化炉模拟实验，验证和预测以下的结论可能产生。(1)模型预测与实验结果和插图发表结果的有紧密关系，两个在比较后证明了在 20%内定量和定性的有效性，展示三个区域平衡、动力学的自由模式对于大多数参数的计算求果。(2)目前的三个区域平衡、动力学模型是最简单模型,免费提供了一个新颖的气化炉建模的方法。这个模式显然提供了对木本生物质材料操作范围的等价比和含水率。此外,该模型有助于预测气化炉在氧化带的最高温度,它提供了气化炉的有用的信息设计和建设材料的选择。(3)该模型的优点在于,它可以处理所有气化炉的三个主要区域的主要参数，所有生物质材料类别的操作范围的等价比和含水率的预测。参考文献