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主办单位:煤炭科学研究总院有限公司、中国煤炭学会学术期刊工作委员会

生物质热解挥发分化学链重整工艺模拟与分析

2023-08-11



创新点
(1)针对化学链气化技术存在的原料转化率低、焦油产率高等问题,提出了基于解耦策略的生物质热解挥发分化学链重整工艺。
(2)利用流程模拟技术对生物质热解挥发分化学链重整工艺进行了数值模拟研究,证明了该工艺的可行性与先进性,探索了操作条件的合理范围。

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生物质热解挥发分化学链重整工艺模拟与分析

作者:刘 根1, 2 ,张榕江1, 2 ,孙仲顺1, 2 ,马广举1, 2 ,张 博1, 2 ,杨伯伦1, 2 ,吴志强1, 2
单位:1. 西安交通大学 化学工程与技术学院;2. 陕西省能源化工过程强化重点实验室
研究背景
 RESEARCH  BACKGROUND 
随着传统化石能源的资源枯竭及温室气体排放的逐渐增加,寻找绿色、低碳的可再生资源来生产能源及化学品是实现可持续发展的必经之路。生物质是自然界中唯一的可再生有机碳资源,且具备储量丰富、可再生、低成本碳中性等优势。国内外众多国家与地区制定了相应的政策以促进生物质资源的广泛应用,例如中国《“十四五”可再生能源发展规划》、美国《The Higher Blends Infrastructure Incentive Program (HBIIP)》与欧盟《Renewable Energy Directive (RED)》。生物质气化是一种较为高效的工程热化学转化技术,能够将生物质转化为合成气。合成气作为一种重要的化工产品,可以生产甲醇、氨气、液体燃料等一系列化学品。传统生物质气化使用空气、纯氧或者蒸汽作为气化剂,然而上述3种气化剂存在固有缺陷:空气气化中氮气会对合成气造成稀释,纯氧气化需要昂贵的空分设备,而蒸汽气化中蒸汽生产会消耗大量能量。另一方面,传统生物质气化具有焦油产量高、燃料适应性差等缺点,限制了其进一步的应用。生物质化学链气化是一种新兴的气化方式,它使用载氧体作为气化剂,可进一步催化焦油裂解,同时载氧体的再生也能够为气化反应提供足够的热量。在化学链气化工艺中,生物质与载氧体共同在燃料反应器中发生复杂的固固、气固反应,其中包含了热解、气化、重整等过程。由于固固反应速率的限制及反应器内反应的复杂性,导致工艺整体的燃料转化率偏低、装置自热运行困难,且难以对燃料反应器中特定的反应进行针对性的强化。为了解决上述问题,生物质热解串联化学链重整工艺得到了学术界和产业界关注。工艺将生物质热解过程与化学链重整过程解耦,即生物质首先在热解反应器中热解为挥发分和热解焦,然后挥发分进入重整反应器中得到重整。这样在重整反应器中避免了低速固固反应,同时实现了对热解和重整的单独调控。因此,可以根据工艺要求,选择性地对物质和能量分布进行优化,有望在实现自热操作的同时,进一步提高转化效率。
流程模拟系统是进行系统分析、系统优化的主要工具,Aspen Plus软件是其中的典型代表。由于Aspen Plus模拟平台具有简单易用、模型丰富、物性数据较为全面等优势,被国内外学者广泛应用于生物质化学链气化系统的建模研究。冯宜鹏等基于Aspen Plus建立了生物质化学链气化耦合CO2裂解工艺模型,分析了气化温度、压力等参数对工艺的影响。穆林等则利用Aspen Plus构建了耦合化学链气化的生物质整体气化联合循环发电系统,并对相关工艺参数进行了优化,展示出化学链系统发电效率和㶲效率上的优势。SAEED等设计了林业剩余物化学链气化产航空煤油工艺,并对该工艺进行了全流程模拟与技术经济分析。GE等采用Gibbs平衡模型对25 kWth气化反应器进行模型计算,并利用实验数据验证了平衡气化模型的准确性。SUN等则提出了一种化学链脱氧气化工艺,通过Aspen Plus计算,验证了工艺可行性与并获得了典型的操作参数。MOHAMED等则利用化学链气化联合循环电厂稳态模型,对该工艺全生命周期的能源、经济、碳排放进行了详尽的分析。在目前的化学链气化研究中,大多使用双流化床进行生物质化学链气化,即燃料反应器中利用载氧体对生物质进行气化,而在空气反应器中利用氧化剂再生载氧体。这种工艺过程导致了复杂的气化过程被限制在单一的反应空间——燃料反应器中,因此无法实现对热解、重整等特定反应过程的针对性优化,最终导致该工艺仍然具有燃料转化率低、焦油产率高、难以自热运行等局限。
因此,笔者设计了生物质热解化学链重整工艺,通过控制床料循环速率,保证工艺的自热进行。通过对解耦后的不同反应进行促进/抑制,有望实现低排放、高效率、产品质量高、燃料适应性广等。利用Aspen plus流程模拟工具,建立了该工艺的过程模型,并利用热解实验数据验证了模型的准确性。基于上述模型,考察了热解反应器温度、重整反应器温度、蒸汽生物质质量比对合成气产品及工艺性能的影响,为生物质热解化学链重整技术的应用提供定量依据。
摘要
 ABSTRACT
在常规生物质化学链气化工艺中,热解、气化、重整等众多复杂的反应过程被限制在同一个反应空间中,这些反应之间存在复杂的相互作用,导致碳转化率较低,且难以实现产物定向调控与系统自热运行。基于解耦策略的生物质热解与化学链重整相结合的工艺可实现上述复杂过程定向调控,从而一定程度上克服常规化学链气化面临的挑战。利用Aspen Plus软件对该工艺进行全流程模拟,并使用热解实验结果对模型进行验证。考察了热解反应器温度、重整反应器温度、蒸汽生物质质量比对工艺性能的影响规律。
结果表明:热解温度在400~600 ℃所建立的工艺模型能够有效预测热解产物分布;随着热解温度的提升,合成气产量总体上呈现上升趋势,在550 ℃下获得最高的合成气产量为1 158.98 Nm3/kg生物质;在600 ℃热解温度下,热解半焦和载氧体氧化放热可满足重整反应器的热量需求,实现系统热自持;重整反应器温度升高会增加合成气的产量,但是会降低合成气的氢碳比与能量效率,同时系统自热状态下运行所需的床料循环速率显著增加;蒸汽能够有效调节合成气产品的氢碳比,热解化学链重整工艺生产氢碳摩尔比为2.0的合成气,蒸汽生物质质量比仅为0.45,低于生物质化学链气化工艺所需的1.2~1.4。因此,综合考虑合成气产量及工艺性能,生物质热解结合化学链重整工艺操作条件以热解反应器温度550~600 ℃,重整反应器温度700 ℃,蒸汽生物质质量比为0.45较为适宜。
部分图片



 1    生物质热解化学链重整工艺流程


 2    热解模型验证结果


 3    热解温度对工艺参数的影响


 4    重整温度对工艺参数的影响


 5    蒸汽/生物质质量比对工艺参数的影响




通讯作者简介


吴志强,内蒙古赤峰人,教授,博导,西安交通大学化工学院院长助理。主要从事煤炭与生物质等碳氢资源高效清洁转化,入选西安交通大学青年拔尖人才(A)、陕西省青年科技新星、陕西高校青年杰出人才、陕西省首批秦创原“科学家+工程师”队伍首席科学家。任中国化工学会工程热化学专委会青年委员、中国生态经济学会工业生态经济与技术专委会理事、Int. J. Coal. Sci. Technol副主编、J. Anal. Appl. Pyrol客座编辑、《煤化工》编委。


研究方向

煤炭分质转化/地下原位热解、生物质化学链转化、直接空气捕碳与利用


主要成果

致力于能源化工过程强化相关研究,聚焦煤炭分质转化/地下原位热解催化提质(UCP)、生物质化学链转化(BCLP)、直接空气捕碳与利用(DACU)等方向。主持承担国家自然科学基金项目、重点研发计划子课题等国家/省部基金和企业项目14项,发表SCI论文65篇,7篇入选ESI高被引论文,授权国家发明专利30余件。提出基于两类碳氢资源组分调控视角的研究策略,揭示共热解过程中不同组分间协同机理及提高挥发性产物产率的化学本质,为共热解高值化产物调控及反应装置开发提供理论基础;建立共热解焦表面形貌及碳微晶等复杂非均匀结构的量化分析策略,为协同热解固相产物性能预测及多元化利用提供技术支撑;构建共热解全流程强化策略,开发兼具“多风室锥形旋转内构件”与“定向风帽”的5-25 t/d系列装置,促进共热解技术低碳化实施。

作者简介


刘根,男,199711日生,辽宁锦州人,博士研究生,主要从事生物质资源化学链转化研究,参与国家重点研发计划项目1项。近年,围绕生物质化学链转化过程发表SCI收录论文2篇。


研究方向

生物质化学链转化


主要成果

致力于生物质资源化学链转化相关研究,以第一作者发表SCI论文2篇,参与国内外学术会议2次,获“第二届中国化学链会议”优秀学术海报奖。


团队简介


西安交通大学工业催化研究所由国务院政府特殊津贴专家杨伯伦教授领衔于20151月建立,现由国家青年人才杨贵东教授全面负责。团队包括教授5人,特聘研究员5人,副教授4人,助理教授6人,目前已形成包括理论与计算催化,催化新材料设计、合成与应用以及催化反应工程等特色研究方向。团队成员获得了一系列国家/省部级人才计划支持,包括:“国家级高层次青年人才”2人,“陕西省高层次青年人才”2人,“陕西省青年科技新星”2人,“陕西省青年人才托举计划”2人,“王宽诚青年学者”3人。团队成员在Nat. Commun., J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., AIChE J., ACS Catal., Appl. Catal. B-Environ.等国际顶级期刊发表多篇论文,产生多项原创性科研成果。


来源:

刘根,张榕江,孙仲顺,等生物质热解挥发分化学链重整工艺模拟与分析[J]. 煤炭学报202348(6):

2351−2358.


责编:王晓珍
编辑:赵泽维
审核:张晓宁

  责任编辑:宫在芹
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