基于ASPEN PLUS的等离子体气化生物质模拟分析

蔡敏华，唐　兰，赵矿美

(广州大学广东省建筑节能与应用技术重点实验室， 广东广州510006)



基于ASPEN PLUS的等离子体气化生物质模拟分析

蔡敏华，唐兰，赵矿美

(广州大学广东省建筑节能与应用技术重点实验室， 广东广州510006)

摘要:为研究生物质在等离子体喷动—流化床中的热解影响因素和热解产气成分，文中基于ASPEN PLUS通用化工流程模拟软件，采用花生壳作为生物质原料，氧气作为气化剂，对生物质在等离子体喷动—流化床中的热解气化过程进行模拟，考察了3个重要影响因素(热解温度、当量比ER、气化剂温度)对气化结果的影响。结果表明：氧气气化花生壳的最佳操作条件是热解温度1 000 ℃、当量比ER=0.25、气化剂温度600 ℃，此时能得到较高的气化效率和气化产率。

关键词:ASPEN PLUS模拟；花生壳；等离子体；气化

0引言

生物质气化技术能将低品位的生物质原料转化成高品位的可燃气体[1-3]，已成为主要的热化学处理技术方式。本研究运用的等离子体喷动—流化床装置最大特点是具有高温高能和高传热性等特性，该装置获得的产物热值较高、产量理想、成分不复杂。由于等离子热解的传热过程发生在极短的原料停留时间内，因而快速热解获得的产物容易结块，但结合喷动—流化床反应器能避免此现象，利用底部引入的流化气防止环隙区出现“死区”现象，克服了普通载流床或固定床床体的热解不完全、热解产物结块等弊端，等离子体与喷动—流化床两者优势叠加组成一套新型热解装置。因此，等离子体喷动—流化床气化生物质技术具有反应速率极快、气体产物热值高、产物组分集中、无焦油产物等优点[4]。

ASPEN PLUS是大型通用流程模拟系统，源于美国能源部70年代后期在麻省理工学院组织开发的新型第三代流程模拟软件，是举世公认的标准大型流程模拟软件。目前，利用ASPEN PLUS模拟生物质气化的研究越来越受关注。杨毅梅等[5]利用软件模拟稻壳在流化床中的空气气化反应，研究不同气化温度和当量比对气化结果的影响；叶堔[6]建立了生物质水蒸气气化反应器模型来模拟气化温度、压力以及水蒸气与生物质质量之比(S/B)对气化产物成分的影响；李斌等[7]也建立起生物质氧气气化制备合成气的模型，并深入分析加入水蒸气和对合成气组分的影响。上述研究中模拟的均为常规热解，而ASPEN PLUS通用化工流程模拟软件中模拟计算出的结果是基于系统同时达到化学平衡和相平衡时的结果。相比于常规热解，生物质热等离子体气化具有更高的热解温度与热解速率，反应更加完全，更适合于利用ASPEN PLUS模拟，因而模拟数据更能贴近于事实数据，为此，笔者开展了此方面的研究，以对今后的实验和研究提供参考。

1ASPEN PLUS模型

本研究的模拟条件和产物分布分析主要是基于图1所示实验装置。

图1　等离子体喷动—流化床热解生物质的装置示意图

生物质在等离子体反应器中经历干燥、热解、氧化还原3个阶段，经过前两个反应阶段后产出的焦炭，在高温高热的等离子体环境中与反应器底部引入的气化剂发生反应，同时释放出大量的热量(也是维持全部反应过程的热量)。由于上述几个反应区域是人为虚拟划分，是不存在的，它们之间的界线都不明显，因此，本研究建立等离子体喷动—流化床热解气化生物质的模型需要基于以下假设。

①与普通热解过程相比，等离子体热解具有反应温度极高的热性能，传热过程发生时间极短。同时，喷动—流化床反应器能使反应充分、快速、均匀地进行，以减少甚至避免液体产物(如焦油)的产生[8]，因此，本研究气体产物中气体成分仅考虑CO2、H2、CH4、N2、CO、H2O，固体为焦炭，不考虑焦油等不稳定的化合物含量。

②等离子体反应器内能稳定运行，发生的反应非常快且能达到化学平衡。

③生物质气化过程中充分反应，灰分ASH等不常规成分对反应结果无影响。

④等离子体反应器不考虑压力损失。

⑤焦炭中的C含量是100%。

本研究利用两个反应器(热解和气化)来模拟整个反应器，设计并建立生物质在等离子体喷动—流化床中热解气化的模型流程图[9-14]如图2所示。物料流程：等离子工作气体N2既作为喷动气体，也作为热解的热源气体，当非常规组分花生壳原料进入热解反应器内(DECOMP)干燥、高温热解时，由于循环喷动的物料都能充分进入等离子体核心热区域，极少出现结块现象，则可设想此阶段产物只有常规组分固体焦炭和热解气，并经过假想分离器(SEP1)气固分离；固体焦炭与喷动—流化床体底部引入的气化剂发生燃烧反应，燃烧产物在等离子体高温高能的环境下与热解气进行氧化还原反应达到热化学平衡(GASIFY)，主要产物为合成气(GASES)和灰分混合物；合成气在高温高焓的等离子体反应器内受热而沿着柱形装置膨胀上升，产物中的灰分因重力下降聚集于反应器底部，两者自然分离可用分离器(SEP2)模拟；加上等离子体边缘冷却速度很高，合成气被马上冷却而终止进一步的降解反应，因而能收集到大量合成气，合成气被冷却后析出冷凝水，此过程可假想在气液分离器(SEP3)内进行。期间，在吉布斯反应器(GASIFY)中燃烧反应产生热量，一部分供给热解反应器达到热解温度，另一部分作为热量损失排出，剩余的热量供于自身气化反应。

图2　等离子体喷动—流化床热解生物质的模型流程图

2模型的气化条件

在ASPEN PLUS模型中，以花生壳作为生物质原料，其工业分析和元素分析如表1所示。模拟运行条件如下：花生壳进料状态为200 kg/h、25 ℃、1个标准大气压，反应器的热解气化压力0.2 MPa。由于氧气气化能克服空气气化气体产物中含有大量氮气的弊端，且提高气体产物的热值，因而选定以氧气作为气化气体。

表1　花生壳的工业分析和元素分析

本模型中的当量比ER、气体热值、气体产率、气化效率做以下定义[15]，并描述了各个操作条件的单独变化对于产物气体相关指标构成的影响。

①当量比ER定义为生物质气化消耗空气(或氧气)量与完全燃烧时所需要的理论空气(氧气)量之比。

②气体热值是指在标准状况下(1 atm，0 ℃)，单位体积的气化气体所含有的所有化学能,单位为MJ/m3。本研究以低位热值作为比较参数，根据实际情况，可简化为：

LHV=12.63×CO+12.75×H2+39.82×CH4，

设置热值输入FORTRAN语句：

HEAT=12.63*CO+12.75*p+39.82*Ch1，

其中，CO、H2、CH4分别是CO、H2、CH4在产物气体中的体积百分比(%)。

③气化产率是指单位质量的生物质原料产生的气体产物在标准状态下(1 atm，0 ℃)的体积，单位为m3/kg。由于从模型数据获得的气体参数往往是在非标准状况下的体积流量，且气化反应后的出气压强为大气压强1 atm，假定各气体分子为理想气体分子并遵循理想气体状态方程，则气化产率计算公式为：

④气化效率η是生物质气化所产生的气体产物所含的化学能与生物质原材料的化学能之比，也就是气体产物的总热值与生物质原料的热值之比。本研究不考虑焦油的产生，气化效率计算公式为：

3模拟结果与讨论

3.1热解温度对气化结果的影响

为研究热解温度对气化结果的影响 ，模拟条件设定为：花生壳200 kg/h，25 ℃，1 atm；气化剂O2设为200 ℃，5 atm；ER=0.28(即进气量69.084 kg/h)，反应器气化压力0.2 MPa，变量值热解温度的变化范围是400～1 600 ℃，随着热解温度上升，生物质在等离子体喷动—流化床中气化的模拟结果如表2所示，合成气中各气体成分的体积分数的变化情况如图3所示。

表2　气化结果随热解温度的变化1

1.模拟条件：花生壳进料200 kg/h、25 ℃、1 atm；气化剂O2200 ℃、5 atm；ER为0.28；反应器气化压力0.2 MPa。

图3　气体体积分数和气体热值随热解温度的变化Fig.3　Gas yield and gasification efficiency along with the change of pyrolysis temperature

从图3可见，CH4和N2的产量极低，几乎为零；H2和CO的体积分数随热解温度的上升而增大，分别从36.492%、40.200%增大至39.202%、51.351%；CO2体积分数随热解温度的上升而降低，在400 ℃和1 600 ℃分别是17.757%和10.305%。主要是因为热解温度不断升高，促使吸热反应C+CO2→2CO和 C+H2O→CO+H2向右移动，造成H2和CO的产量增多以及CO2的产量减少。另外，气体的热值随热解温度的上升而升高，从400 ℃的10.298 MJ/m3升高到1 600 ℃的10.846 MJ/m3，这是由于H2和CO体积分数都增大、甲烷体积分数变化很小，三者共同作用下造成的。

从表2看出，气体产率随热解温度升高而先增高后降低，从400 ℃的1.231 m3/kg升高到1 000 ℃的1.251 m3/kg，再降低到1 600 ℃的1.186 m3/kg；氧气气化的气化效率随热解温度升高而先升高后降低，从400 ℃的92.975%升高到600 ℃的93.127%，再降低到1600 ℃的85.568%。研究表明，尽管热解温度有助于气化反应的进行，但并不代表越高越好，达到一定程度后气化效率会降低。综合考虑，本研究的热解温度宜设定为1 000 ℃。

3.2当量比ER对气化结果的影响

为研究当量比ER对气化结果的影响，模拟条件设定如下：花生壳进料200 kg/h，25 ℃，1 atm；气化剂O2设200 ℃，5 atm；热解温度800 ℃，反应器气化压力0.2 MPa，变量值ER的变化范围0.2～0.45(即气化剂进气量49.35～111.03 kg/h)。随着ER值上升，生物质在等离子体喷动—流化床中气化的模拟结果如表3所示，合成气中各气体成分的体积分数的变化情况如图4所示。

表3　气化结果随当量比的变化1

1.模拟条件：花生壳进料200 kg/h、25 ℃、1 atm；气化剂O2200 ℃、5 atm；热解温度800 ℃；反应器气化压力0.2 MPa。

图4　气体体积分数和气体热值随当量比变化Fig.4 Gas volume fraction and gas calorific value along with the change of equivalent ratio

从图4可发现，当量比ER在0.2～0.45，随着ER值增大，CO的产量随之增大，其体积分数从ER=0.2时的34.024%增加到ER=0.45时的53.720%；CH4和H2的体积分数随ER增大而减少，其中H2的变化最为明显，从38.715%降低到20.473%。主要原因是，ER值增大会使反应器内的温度有所增加，促进了吸热反应C+CO2→2CO和C+H2O→CO+H2正反应移动，造成CO的体积分数不断增大以及刚开始时CO2的体积分数降低的现象；但随着氧气量的不断增加，使C+O2→CO2、2CO+O2→2CO2、O2+2H2→2H2O和2O2+CH4→CO2+2H2O向右反应加剧，后期CO2产量升高，而CH4和H2产量不断降低；随着后期CO2产量增多，使H2O+CO→CO2+H2逆反应和C+CO2→2CO正反应加剧，造成后期CO体积分数仍然不断增大。

从图4也可观察到，气体热值随ER增大而先增大后减小，在ER=0.25取得最大值10.712 MJ/m3。这是由于ER≤0.25时，CO体积分数增大带来的热值增加大于CH4和H2体积分数减小所带来的热量损失。而当ER>0.25，CO体积分数的增加不足以弥补CH4和H2体积分数减小所带来的热量损失，共同作用下使热值下降。

由表3可见，气体产率和气化效率的变化趋势几乎一致。当ER≤0.25时，随ER增大而增大；当ER>0.25时，随ER增大而降低，气体产率和气化效率在ER=0.25时出现最大值，分别为1.237 m3/kg、93.159%。原因是：开始阶段，通入的氧气量增加，花生壳中可燃组分和挥发分的燃烧更充分，气化程度更加充分，放出的热量随之增多，但随着氧气量继续增多至过量，可燃气体H2和CO分别与氧气生成CO2和水，导致气体产率降低；气化效率在ER=0.25达到最高值93.159%。这是气体热值和气体产率同时达到最高值而共同作用的结果。

3.3气化剂温度对气化结果的影响

为研究气化剂温度对气化结果的影响，模拟条件设定如下：花生壳进料200 kg/h，25 ℃，1 atm；气化剂O2设5 atm，ER=0.28(即进气量69.084 kg/h)，热解温度800 ℃，反应器气化压力0.2 MPa，变量值气化剂温度的变化范围是0～800 ℃。随着气化剂温度上升，生物质在等离子体喷动—流化床中气化的模拟结果如表4所示，合成气中各气体成分的体积分数的变化情况如图5所示。

表4　气化结果随气化剂温度的变化1

1.花生壳进料200 kg/h、25 ℃、1 atm；气化剂O2为5 atm；ER=0.28；热解温度800 ℃；反应器气化压力0.2 MPa。

图5　气体体积分数和气体热值随气化剂温度变化Fig.5　Gas volume fraction and gas calorific value along with the change of gasification agent temperature

总体来看，相比于前两者因素，气化剂温度对气化结果的影响并没那么明显。从图5可观察到，随着气化剂温度不断上升，H2和CO的体积分数随之增大，分别从35.387%、40.789%增大到37.955%、45.095%；CO2的体积分数随氧气温度上升而下降，从0 ℃的14.802%降低到800 ℃的13.378%；CH4、N2的体积分数偏低，几乎为零。可见，气化剂温度变化对CO2和CO体积分数的影响较为明显，对H2、CH4和N2体积分数的影响较为微弱。 主要原因是气化剂温度的上升会导致气化温度的上升， 吸热反应C+CO2→2CO、C+H2O→CO+H2的正反应与放热反应C+2H2→CH4的逆反应都加剧，因而促使了H2、CO的生成以及CO2的消耗。由图5也可发现，随着气化剂温度上升， 气体热值呈现从10.322 MJ/m3上升至10.468 MJ/m3的线性增长现象，主要是因为CO体积分数的明显增大而造成的。

由表4可见，随着气化剂温度在0～800 ℃不断上升，气体产率略有上升，从1.225 m3/kg升高到1.246 m3/kg；气化效率也随之增大，从88.847%增大到91.649%，然后趋于平缓。研究证明，与普通气化反应一样，在等离子体高温作用下，气体产率和气化效率都会随着气化剂温度的上升而增大，可见气化剂预热有助于气化反应的进行，并能获得较高的气化效率和气化产率。综合考虑，本研究以气化剂氧气温度600 ℃为宜。

4结语

本研究基于ASPEN PLUS软件对生物质在等离子体喷动—流化床中的热解气化过程进行模拟，以花生壳为原料，主要考察了热解温度、当量比ER、气化剂温度等3个重要因素对产气成分组成、气体热值、气体产率、气化效率的影响。模拟结果表明：随着热解温度和气化剂温度上升，合成气热值、H2和CO产量均随之增大，CO2产量则随之下降；随着ER值增大，H2产量和合成气热值随之减小，CO产量却随之增大；生物质在等离子体喷动—流化床中热解气化产生的CH4和N2只是少量的；其最佳操作条件为热解温度1 000 ℃、当量比ER=0.25、气化剂温度600 ℃。本研究的模拟结果在一定程度上为今后的生物质在等离子体喷动—流化床热解气化的实际应用提供了基础参考数据。

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(责任编辑张晓云裴润梅)

收稿日期：2015-03-16；

修订日期：2016-04-17

基金项目：国家自然科学基金资助项目(51078092)

通讯作者：唐兰(1977—)，女，四川蓬溪人，广州大学副教授，博士；E-mail：tanglan@gzhu.edu.cn。

doi:10.13624/j.cnki.issn.1001-7445.2016.0863

中图分类号：TK6

文献标识码：A

文章编号：1001-7445(2016)03-0863-07

Simulation and analysis of biomass plasma gasificationbased on ASPEN PLUS

CAI Min-hua， TANG Lan, ZHAO Kuang-mei

(Guangdong Provincial Key Laboratory of Building Energy Efficiency and Application Technologies,Guangzhou University，Guangzhou 510006，China)

Abstract:To research the pyrolysis factors and syngas composition of biomass in plasma spouted-fluidized bed, the simulation of biomass gasification process in plasma spouted-fluidized bed was carried out by using ASPEN PLUS, general chemical process simulation software. The peanut shells were used as raw biomass and oxygen was used as the gasification agent. From the simulation analysis, the effect of pyrolysis temperature, equivalence ratio (ER) and gasification agent temperature on the gasification syngas were studied. The results showed that: the optimal operating condition for peanut shells gasification is as follows: pyrolysis temperature 1000℃, ER=0.25, gasification agent temperature 600 ℃. Under this condition, the higher gasification efficiency and yield can be obtained.

Key words:ASPEN PLUS simulation；peanut shells；plasma；gasification

引文格式：蔡敏华，唐兰，赵矿美.基于ASPEN PLUS的等离子体气化生物质模拟分析[J].广西大学学报(自然科学版)，2016，41(3)：863-869.