基于Gibbs自由能最小化原理模拟生物质流化床气化
第29卷第4期可再生能源
V01.29No.4
20“牟8月
RenewabIe
Energy
ResOu门ces
Au昏2011
基于Gibbs自由能最小化原理模拟
生物质流化床气化
裘啸,阎维平,孙俊威,董静兰
(华北电力大学电站设备状态监测与控制教育部重点实验室,河北保定0r71003)
摘要:基于能质平衡和吉布斯(Gibbs)自由能最小化原理,选择松木屑和麦秆两种生物质,利用化工商业化软件ASPENPLUS模拟生物质流化床气化过程,并结合试验数据验证模拟结果的准确性。在此基础上考察了高温、原料含水率大范围变化等试验中较难实现的操作对气化的影响。模拟结果表明,搭建的气化模型能较好地模拟生物质气化过程,对生物质气化试验与工程放大具有一定的参考价值。关键词:生物质;流化床气化;ASPENPLUS模拟
中图分类号:TK6;1.Q546
文献标志码:A
文章编号:1671—5292(2011)04—0032-08
SimuIationofnuidizedbedgasificationofbiomassbased
on
mlnlmlzatlon●
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0t一
glbbSIreeenergy
QIUXiao,YANWei—ping,SUNJun—wei,DONGJing—lan
’
(KeyIJabomtoryofConditionMonitoringaIldControlforPowerPl舳tEquipmentofMinisnyofEducation,NordlChi腮
ElectricPowerUnive璐ity,Baoding071003,China)
Abstr躯t:
Based
on
thernjnimizationofGibbsfreeeneIIgyand
ene哟7&mass
balance,thesoftware
ASPENPLUSwasadopted
to
simulatethe
process
ofbiomassgasificationinwhichpinesawdustand
wheatstmwwereselected.Andtheaccuracy
ofsimulationresultswithexperimentaldatawasverified.
IJarge
extent
varietyofh逅hairtemperatureand
rawwatercontentwhichwere
di侬cuh
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operateint王le
experimen对swereinvestigated.Simulationresultsshowedthatthemodelcan
betterimitatetheproce鹪
ofbiomassgasification,whichcouldbeprovidesomereferencevalueforfurtherbio眦ss
gasification
exprimentsandscalingup.
KeywDrds:bioma8s;nuidizedbedgasification;ASPENPLUSsimulation
O引言
同相、异相间的气化反应阁,可大大提高设计效生物质气化理论是在煤气化基础上发展起来率。早在1982年,就有学者尝试用ASPEN
PLUS
的.因此可借鉴煤气化过程的模拟方法来模拟生来模拟甲醇生产过程161.也有人将其用于模拟物质气化过程。但基于流体动力学和反应动力学IGCC系统,分析提高热电联产的经济效益和系统模型的常压流化床煤气化和生物质气化模型都有效率闭。近几年,有学者利用吉布斯(Gibbs)自由能较特殊的假设条件,通用性不强,对试验数据依赖最小化原理来研究分析气化过程【8J。Gibbs自由能性也很强11H4】。
是热力学中非常重要的状态函数,任何自发过程流化床气化最初作为子系统服务于化工行总是朝Gibbs自由能(G)减小方向进行,反应平衡业,而化工涉及很多复杂的化学反应.业内普遍借时,系统的G降低到最低值,即△C=o.此为Gibbs助专业软件(如ASPENPLUS,PRO一Ⅱ和HYSIM自由能最小化原理唧。由此可方便判断气化过程等)来模拟流化床气化过程。这些软件能模拟计算
中的可逆、不可逆反应是否平衡,进而确定系统平
收稿日期:20lI-01—24。
基金项目:国家“863”基金项目(2008AA052302)。
作者简介:袭啸(1985一),男,浙江宁波人,硕士研究生,研究方向为生物质能的气化利用。E—mail:孵tIIfly@163.c咖
・32・
万方数据
裘
啸。等基于Gibbs自由能最小化原理模拟生物质流化床气化
衡时的}昆合气体组成,这为利用能量质量平衡和化学平衡分析流化床气化过程提供了新思路。
ASPEN中有个基于Gibbs最小自由能原理的反应器RGibbs,关于使用RGibbs模拟燃烧气化过程的报道较多嘲.【田。模拟结果多与试验数据较为吻合。本文适当简化条件,使用ASPENPLUS模拟生物质流化床空气气化过程.并与试验数据比较,验证模型的准确度。以期对工业放大装置的运行、设计提供参考。1气化模型1.1模拟工况
分别选取松木屑和麦秆进行模拟分析。两种生物质的工业分析与元素分析见表l。在进行模拟时,认为气化过程稳态运行;灰分为惰性物质。
表1生物质的工业与元素分析
7I讪le
l
P眦imate
andultimateanalysisofbiom粕8
麦秆6.1松木屑8.O
18.275.86.I46.I5.641.6O.52O_oBO.57
17肼
19.20
17.1682.290.5550.547.0841.1l0.15
物质;生物质焦炭中除碳外,还包括H,O,N,S等元素【9J,农林生物质中N和S含量很低。H和O转化成气体产物,因此可认为生物质焦炭中只含有未反应碳;流化床传热均匀,试验报道床高方向温差不超过50℃【8H埘,为简化条件。认为反应区域床层温度均匀。1.2建立模型
根据常压鼓泡流化床空气气化原理.可将生物质气化的模拟过程分为干燥与热分解、氧化燃烧、气化重整和净化4个部分。ASPENPLUS的流程如图l所示。
不参与气化过程;由于气化过程中除CH4外,C^
含量不超过1%。因此进行模拟时不考虑这一类
图lASPENPLUS生物质气化流程图
Fig.1flowchartofASPENPLUSbioma8sg鹊ification
(1)生物质分解
模拟时须要先用BlockBMSDP(RYIELD模块)将生物质转化成焦炭、氧气、氢气、氮气、硫和灰分,各成分多少由生物质的工业分析和元素分析确定。
(2)分离过程
.在BlockACSEP(SEP模块)中丢弃灰分等惰性产物。有学者考虑氮、硫等元素会与H:生成NH3和H2s,但在常压、中低温(700~800℃)环境中,这种氢化反应平衡常数很小,基本不生成N乩
程。
在BlockCBGYBSEP(SEP模块)中对分解处理后的生物质进行分流:根据输入的空气量和该生物质理论空气量确定用于燃烧的生物质比例.剩余的生物质参与包括热分解和气化重整反应的整个气化过程,具体分配比例仍可由FORTRAN计算所得。
(3)热解过程
在BlockRLPY(RGIBBS模块)中完成热解过(4)氧化燃烧
用于燃烧的部分生物质(燃烧碳和部分可燃物,灰分等惰性物质已分离)与空气一起在Block
・33・
和H舻'【l棚。因此,模拟时将生物质中的氮、硫以及
空气中的氮均作为惰性物质处理。
万方数据
可再生能骤
20ll,29(4)
COMB(RGIBBS模块)中发生完全氧化反应,如式(1)所示(△日为正值时表示吸热反应,为负值时表示放热反应).反应释放的热量用以维持生物质热解和气化重整反应。
C+0.50乒C02
A日=一393.8l【J/mol
(1)
(5)气化重整
所有参与气化的组分汇集到Block
GASIFI
(RGIBBS模块)中进行气化重整,其中对气化过程有重要影响的反应如式(2)~(6)所示嘲。
C+C02=2CO△日=+172.6kJ/mol(2)C+H20=CO+H2
△日三+131.4kJ/mol
(3)C+2H产CH4△H=一74.9kJ,mol(4)CO+H20=C02+H2△日=—41.2l(J/mol
(5)CO+3H产CH4+H20△日=+206I【J/moI
(6)
在上述反应中。反应程度取决于该化学反应平衡常数的大小和气化剂分子的扩散速度。气固间的反应往往达不到理想的化学平衡。为此可采用RGibbs反应器中限制化学平衡功能来模拟实际反应。有学者选择对均相反应(如变换反应)进行限制【州。但一般认为气化反应中的气气间的均相反应能达到化学平衡旧.所以限制非均相的反应程度更为合理。在模拟过程中设定(2),(3),(4)3个非均相反应的平衡接近温度(Telnperatu】陀即proach)来进行限制。
(6)净化处理
气化重整过程完成后。再次使用BlockCOOL(SEP模块)将水蒸气、硫等冷却分离,得到干燥的生物质燃气。
实际热解气化时产生的焦油的主要成分不少于20种,大部分成分是苯的衍生物及多环芳烃【啊,为简化计算,在模拟过程中不涉及焦油的生成。2模型验证
文献『11】比较详细地报道了试验过程,本文结合其中的部分工况。考查此模型在影响因素发生变化时对燃气质量变化趋势的预测能力.模拟的气化效率与燃气低位热值均参考文献[91计算所得,为与文献【ll】统一,评价气体组分体积分数时以干燥无氮基为基准。
2.1模拟职(当量比)单独变化时的影响
保持床温800℃,气体组分和产气率随ER的变化情况如图2所示。模拟值与试验值吻合度较
好。在职变化过程中,H:和CH4的体积分数
・34・
万方数据
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扩
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(a)ER对气体各组分含量的影响
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O.I,U.:ⅪU.Z,U.jUU.j5U.4UU.4j
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(2)ER对燃气低位热值的影响
图2职单独变化对燃气质量的影响
Fig.2
7rhe
8in出e翻fect“l淑on
fuel
g龉qu址ty
保持ER=0.22。床温为600~900℃。如图3(a)一直在减少.而CO在职<0.4时微量增长.在职>0.4之后开始下降;整个气化过程中CO:的体积分数一直处于上升趋势。由此可知.当职继续
增大时。CH4含量首先减小到零,其他可燃成分也会逐渐减小,CO:将成为主要成分。由于有外界热
量的维持,虽然职增大.但碳还原等吸热反应依
旧能保持较高的化学平衡,CO含量也不会很快下降。但是随着空气量继续增加,燃烧反应成为主
要反应。燃气热值随职增长呈明显下降趋势。
2.2模拟床温单独变化时的影响
所示,随着床温的升高,H:的体积分数逐渐增加,床温为850℃以后基本不再增长:CO的体积分数在床温为700~750℃时呈缓慢上升趋势.而后下降,但下降幅度减缓,CO:呈相反变化趋势;CH4的体积分数在床温小于800℃时逐渐降低.模拟过程的CH4含量比对应的试验值稍高,主要原因
在于文献中的试验生成少量的C挪。(折成无氮干
基时的体积分数小于5%),其含量与床温变化趋
势相反,而本模型未考虑C凰,因此模拟时要使
整个系统质量平衡,就要将这部分的CJ,H。归到
裘啸。等基于Gibbs自由能最小化原理模拟生物质流化床气化
CH4的含量中。不过各组分的总体变化趋势与试验值基本一致。图3(b)中的燃气热值呈现微幅下降趋势,床温高于900℃以后,对其影响就很小了。
堡
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(a)床温对气体各组分含量的影响
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(b)床温对燃气低位热值的影响圈3床温单独变化对燃气质量的影响
F培.3,Ihesi咄胡&tofbedtemperatu比∞fIlelg够quaH哆
2.3模拟舳(水蒸气/生物质质量比)单独变化时
的影响
保持艘=0.22,床温为800℃。5份发生变化
时对燃气质量的影响如图4所示。模拟结果与试
验值的变化趋势比较吻合。随着舳的增大,由于
模拟时遵循的是Gibbs自由能最小化原理与理想的化学平衡。理论上加入少量的水蒸气便会极大地促进水煤气反应,生成CO和H2,变换反应又与多余的水蒸气生成H:和C02,因此在5招<1.5时,
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(a)S偈对气体各组分含量的影响
万方数据
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(b)S倡对燃气低位热值的影响
图4跚单独变化对燃气质量的影响
Fig.4
nesinglee艉ct
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g鹊qllal畸
H:的体积分数增长率较大,CO的体积分数反而下降,同时CO:的体积分数也有较快的增长。燃
气热值随5招的增加呈缓慢下降趋势。
3工况的灵敏度分析
上述验证表明.模拟数据与试验值的变化趋势基本吻合.表明此模型在模拟生物质流化床气
化时可靠性较高。流化床气化炉在运行时,所有热
量需自身维持,参数变化会影响系统的能量平衡。
另外,随着生物质气化研究的深入。一些条件和思路在将来会得到更多的尝试。如高温气化介质气化等,以下从模拟角度作简略讨论,模拟工况条件如表2所示㈣删。
表2灵敏度模拟分析时用到的工况
’IIable2Setpointstakenbysensitivity肌alysig
3.1模拟职变化的综合影响
当职发生变化时,模拟结果如图5所示。由
图5可以看出。两种生物质气化产物中各组分变
化趋势基本一致。随着职增加,H:,CO的体积分
数先升高后降低,CO:则表现为相反的变化趋势,
籁
堡
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蛙蛙F
0.100.150.200.25
0.30
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・35・
曰再生能源
20ll。29(4)
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职
图5
自供热系统职变化对燃气质量的影响
Fig.5,11le
V丽etye‰ct
of职withsenheating
supply
on
fuelg∞qualit)r
CH4的体积分数一直随着职的增加而降低,最
终减小到零。两个工况都存在使气化效率和燃气
热值最高的积运行范围,松木屑气化时的最佳脚£为0.2—m25。麦秆气化时的最佳职为0.3—D.35。
在自供热系统中.职与气化炉床温相互关联。高的职意味着原料中的碳发生更多的氧化
反应,放出更多的燃烧热,使床温升高,这样便促进了吸热反应.如还原反应和水煤气反应向正方向进行,生成更多的CO和H:。由于各气化反应的化学平衡常数不尽相同。即各反应具有不同的温
度灵敏度,因此随着朋进一步提高,生物质受热
分解产生的挥发分也发生氧化反应。生成更多的
・36・
万方数据
CO:,并与碳燃烧反应共同成为高衄下的主导反
应,使燃气质量急剧降低。有学者认为,自供热系
统的CO,H:在加大空气量的过程中一直处于较
快的增长状态,这与文献【16】的试验结论有一定差别【堋。
3.2模拟骝变化时的综合影响
当骝发生变化时,模拟结果如图6所示。以
图6中麦秆工况为例,当5馏<l时,产气中各组分
的变化趋势与图4的试验结果较为接近;随着船的增大,H:含量缓缓下降;随着舳的增大,气化平衡温度逐渐下降,这是因为当舳增大时,水蒸
气在气体中所占比例增加,促进水煤气反应(3)向右进行,吸热量的增加导致整体气化温度下降,文
30
650
25
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裘啸。等基于Gibbs自由能最小化原理模拟生物质流化床气化
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图6系统自平衡下蚴变化时对燃气质量的影响Fig.6r11le拯ctofS/Bwith8enbalance∞
fueJgasquality
献[16】也验证了这种变化趋势。气化温度下降促进了碳加氢反应(4)和甲烷化反应(6)向右进行,生成更多的CH4,并导致CO的体积分数下降。图6中松木屑气化气组分的变化趋势与麦秆一致。
当册=l时。麦秆工况的气化效率与燃气热值最高,随着船的增加呈下降趋势。当0舀份心
时,随着船的增加,松木屑工况的气化效率和燃
气热值均呈下降趋势。这是因为本工况下增加的CH4量无法抵消CO的下降量。随着成分变化趋势变缓,对应的气化效率和燃气热值变化也趋缓。3.3模拟流化风温变化时的影响
当流化风温发生变化时,模拟结果如图7所示。
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流化风温,℃
图7流化风温变化对燃气质量的影响
Fig.7
Thee饪&tofairpreheating
temperatu弛∞
fuelg船quality
总体来看,提高空气温度对于气化过程是有利的,但是作用大小与原料种类和成分有关。在松木屑模拟气化工况下,除H:的体积分数从19.2%增加至23.3%外,CO增加和CO:减小的体积分数
均不到l%,CH4的体积分数始终在小幅减小。当流化风温大于800℃后。整个模拟过程各组分含量已基本不变化。与松木屑模拟气化表现不同。麦秆模拟气化工况在流化风温小于1100℃时。H:与CO体积分数的增加幅度较大。分别达到13.O%和18.1%,C02的体积分数相应减小;CH4的体积分数基本无变化.当流化风温大于1100℃
时。才明显降低并接近零。在松木屑模拟气化工况下。提高流化风温对气化效率和燃气热值的提升作用不明显。在麦秆模拟气化工况下,气化效率和燃气热值的变化趋势与气体组分的变化趋势较为一致。模拟结果显示,松木屑气化对流化风温提升不如麦秆敏感,但即使是麦秆,其高温(如1
000
℃)空气气化的气化质量也不会比中低温(如500℃)空气气化有大的提升,而且从经济性和实用性考虑,实际气化中多选用耐温600℃的碳钢作送风管道,因此空气温度的提高要适度。
・37・
可再生能源
201l,29(4)
3.4模拟原料含水率变化时的影响
原料含水率的变化对松木屑和麦秆气化的影响如图8所示。
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原料含水率,%
图8原料含水率变化对燃气质量的影响
Fig.8Thee伍ectofbioma髓watercontentonfuelg鼬quality
・38・
万方数据
由图8可以看出,两种工况下燃气组分的变化趋势较为一致。在松木屑模拟气化工况中,随着原料含水率的增加,气化效率从73%降至32%。燃气热值从6.76MJ/m3减小到3.90MJ佃3;床内平衡温度从598℃降至575℃。因此。原料水分太高对生物质气化是不利的.高水分原料的热解须要消耗更多的热量.从而抑制吸热的气化反应,致使燃气质量下降。麦秆模拟气化工况下的气化效
率、燃气热值及平衡温度也呈类似下降趋势。由此可见,入炉前的原料应尽量保持干燥(含水率控制在20%以内),这样才能获得更好的气化质量。4结论
(1)利用吉布斯(Gibbs)自由能最小化原理来研究分析生物质流化床气化过程,借助ASPENPLUS的灵敏度分析功能。能实现诸多气化参数的调试和模拟。其预测的变化趋势和试验数据较为接近,能起到指导试验的作用。
(2)选择不同种类的生物质,考察了某些因素对气化质量的影响。模拟结果表明。松木屑气化的
最佳职为O.2加.25。麦秆气化的最佳职为0.3—
0.35。舳增大对气化质量产生不利影响;舳为1时麦秆气化效率与燃气热值最高,随着船的增
加逐渐下降。提高流化风温对气化过程有利,但作用大小与原料种类和成分有关,松木屑气化对流化风温提升不如麦秆敏感.从经济和实用性考虑。可将流化风温加热至600~700℃。原料含水率高于45%时会使生物质的气化效率、燃气热值分别
下降47%和40%左右。入炉前原料水分应控制在20%以内。
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裘啸。等基于Gibb8自由能最小化原理模拟生物质流化床气化
4月12日.“20lO年度中国光伏行业十大评选”在南京揭晓,阳光电源股份有限公司的S¨Access系列光伏逆变器人选“20lO年度中国光伏行业十大创新产品”。同时。使用该逆变器的上海虹桥枢纽大型光伏发电项目也人选“2010年度中国光伏行业十佳应用案例”。
“采用高效率和创新技术,即使在环境温度达到50qC时也能够100%全功率地输出电能.总体效率高”。这是组委会给出的人选理由。
本次评选自2叭0年底启动以来.得到了行业众多专家学者以及光伏企业的支持和积极参与。
自公司成立以来,阳光电源就一直致力于成为全球一流的可再生能源发电设备制造企业.其研发的SunAcces8系列光伏逆变器型号不断丰富.实现了从1.5kW到lMW的功率型谱覆盖,
已通过TiiV,CE,ETL,DK5940,AS4777,CEC,“金
f;y
由阳光电源股份有限公司和HiFiLtd.合资组建的sIlIlgrow
canada
SolarEner-
Inc(加拿大阳
光电源有限公司1于当地时间3月31日正式开
业。安大略省能源厅厅长Du舭m旺市市长
BevilacⅡua、中国驻多伦多总领事陈立钢、阳光电源股份公司副总经理赵为博士以及加拿大国会议员、安大略省议会议员等150余位嘉宾参加了当天的开业典礼。Du剐id先生在主题演说中对阳光电源在安大略省的投资和生产活动给予了高度评价。
sun舯wcanadaIncJ将借助阳光电源中国总
部在可再生能源电源变换技术领域的优势稳健发展.致力于成为光伏逆变器的生产、技术研发和售后服务的综合性基地.为北美市场提供sUNGROw品牌的优质产品和服务。今后,阳光电源还将陆续
委派专业的生产技术人员前往Sun舯wC宣nadaInQ
开展技术指导和生产培训。以确保其生产的产品符合阳光电源全球一致的品质标准和要求。
作为中国光伏逆变器行业的领军企业.阳光电源近年来积极拓展海外市场。此次开业
太阳”等多项国内外权威认证.并得到市场的广泛
应用。全球最大的光伏BIPV发电系统——上海
虹桥枢纽6.68Mw光伏并网发电项目就采用了该系列光伏逆变器。目前。该项目已连续运行2000多小时.成功人选本次“2010年度中国光伏行业十佳应用案例”。
(张晗)
的加拿大sun舯w
canadaInc.是阳光电源在海
外设立的第一个合资公司,也是其在北美市场新设的区域总部。全面开启了阳光电源进军北美市场的大门。
【11】LV
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(张晗)
J,Ⅺ0NG
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Ag岫eⅡt,2002,43(9):129t一1299.
【6】
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inⅡuidized
bed陀actorusillgAsPEN
zH,“以Biomassa计
sIeam
gasi丘cationinnuidizedbedtoproducehyd睁
PLuSⅡ】.gen—dchg鹤【J】.Eneogy&Fueb,2003,17(3):677—682
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Biom%柚dBi∞mr盯,2008,32(】2):1245—1254.
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bined。ycl8powe。pl锄tsusingt11eAsPENPLus
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万方数据
基于Gibbs自由能最小化原理模拟生物质流化床气化
作者:作者单位:刊名:英文刊名:年,卷(期):
裘啸, 阎维平, 孙俊威, 董静兰, QIU Xiao, YAN Wei-ping, SUN Jun-wei, DONG Jing-lan华北电力大学电站设备状态监测与控制教育部重点实验室,河北保定,071003可再生能源
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