论文总字数：23290字

摘 要

本文开篇阐述了该课题的研究背景——21世纪人类对能源的清洁化、可循环使用化的追求以及到目前位置对于生物质与煤热解气化工艺的进展。然后介绍了Aspen Plus这一大型的通用流程模拟系统软件，接着通过假设，运用Aspen Plus建立了褐煤和生物质热解气化的热力学平衡模型。对气化区采用RStoi计量模块对进料进行干燥分解建模，Gibbs模块进行氧化还原建模。然后基于此热解气化反应动力学模型改变Gibbs反应器温度（500到1000℃）、氧气量系数(0到1)、水与进料的质量比(0到1)来进行褐煤、废气生物质单一热解气化，以及三种不同配比下褐煤与废弃生物质共热解气化的产物进行参数计算分析和比较，探究褐煤与废弃生物质之间是否存在协调作用。

结果表明随着Gibbs反应器温度的增加，进料热解气化产物中的H₂的摩尔分率呈现先增加后减小的趋势，CO的摩尔分率呈现随反应器温度增加而增加。CO₂和CH₄的摩尔分率随反应器温度的增加而减小。气化产物随着氧气量的增加，H₂、CO、CH₄的摩尔分率会减少。在某个阶段时产物中的H₂、CO、CO₂摩尔分率的变化会几乎停滞。而CO₂的摩尔分率会随着氧气系数的增加而增加到一个最大值，随后减小。随着水和物料质量比的增大，H₂的摩尔分率会先上升后减小，CO和CH₄的摩尔分率会逐渐减小，同时减小的幅度也逐渐降低。CO₂的摩尔分率逐渐增大。但是在这些条件的改变模拟下，气化产物的碳转化率始终都是1。

关键词：Aspen Plus 热解气化 生物质 褐煤

Abstract

At the beginning, this paper accepted the research background of this topic -- human's pursuit of clean and recyclable energy in the 21st century, as well as the current progress of biomass and coal pyrolysis and gasification technology. Then, Aspen Plus, a large-scale general process simulation system software, is introduced. Based on the hypothesis, the thermodynamic equilibrium model of lignite and biomass pyrolysis and gasification is established by using Aspen plus. In the gasification area, rstoi metering module is used to model the dry decomposition of the feed, and Gibbs module is used to model the oxidation-reduction. Then, based on this kinetic model, the temperature (500-1000 ℃), oxygen coefficient (0-1) and the mass ratio of water and feed (0-1) of Gibbs reactor were changed to carry out single pyrolysis and gasification of lignite and waste gas biomass, and the co pyrolysis and gasification products of lignite and waste biomass at three different ratios were calculated, analyzed and compared to explore the parameters of lignite and waste biomass Whether there is coordination between them.

The results show that with the increase of Gibbs reactor temperature, the molar fraction of H2 in the pyrolysis gasification products of feed increases first and then decreases, while the molar fraction of CO increases with the increase of reactor temperature. The molar fractions of CO2 and CH4 decreased with the increase of reactor temperature. With the increase of oxygen content, the molar fractions of H2, CO and CH4 will decrease. At a certain stage, the change of the molar fractions of H2, CO and CO2 in the product will almost stop. The molar fraction of CO2 will increase to a maximum value with the increase of oxygen coefficient, and then decrease. With the increase of the mass ratio of water to material, the molar fraction of H2 will first rise and then decrease, while the molar fraction of CO and CH4 will gradually decrease, and at the same time, the extent of decrease will gradually decrease. The molar fraction of CO2 is increasing. However, under the simulation of these conditions, the carbon conversion rate of gasification products is always 1.

Key Words: Aspen Plus; Thermal Pyrolysis; biomass; lignite

目录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪 论 1

1.1 研究背景 1

1.2 国内外研究现状 2

1.3研究方法 6

1.4 研究意义 6

1.5 研究内容 7

第二章 Aspen Plus在论文中的应用 8

2.1 Aspen plus基本介绍 8

2.1.1 Aspen plus基本特点 8

2.1.2 Aspen plus基本流程 8

2.3 具体的模型建立 10

2.3.1 煤与生物质热解气化的原理 10

2.3.2 Aspen Plus在过程模拟中的应用 11

2.3.3 流程模型建立条件假定 12

2.4 本章小结 14

第三章 褐煤及废弃生物质热解气化的Aspen Plus模拟 16

3.1 模拟基础参数设置 16

3.2 反应器温度对褐煤及稻壳气化热解产物的影响 16

3.2.1 GIbbs反应器温度对褐煤热解气化产物的影响 17

3.2.2 GIbbs反应器温度对稻壳热解气化产物的影响 18

3.3 氧气量对褐煤及稻壳气化热解产物的影响 19

3.3.1 氧气量对褐煤热解气化产物的影响 19

3.3.2氧气量对稻壳热解气化产物的影响 19

3.4 水跟褐煤和稻壳的质量比对气化热解产物的影响 20

3.4.1 水煤质量比对褐煤热解气化产物的影响 20

3.4.2 水和稻壳质量比对稻壳热解气化产物的影响 21

3.5 反应器温度、氧气量、水和物料质量比对碳转化率的影响 22

3.6 本章小结 23

第四章 褐煤及废弃生物质共热解气化的Aspen Plus模拟 25

4.1 模拟基础参数设置 25

4.2 反应器温度对三种配比下共热解气化产物的影响 26

4.3氧气量对三种配比下共热解气化产物的影响 28

4.4水和进料的质量比对三种配比下共热解气化产物的影响 31

4.5 本章小结 33

第五章 结论 34

参考文献 35

第一章 绪 论

1.1 研究背景

生物质(biomass)一般指的是任何可再生或者可循环的有机物质，包括所有的动植物、微生物及其进行生命活动产生的所有有机物质[1]。

化石燃料在当今世界能源供应中占有最大的份额，按照目前的使用趋势下去，到2040年将占世界能源供应总量的80%。由于温室气体排放与化石燃料有关，这种情况将导致环境破坏方面的灾难性后果。发展生物质的应用，降低煤炭在能源消费中的比重，是一个它也缓解了其他大多数可再生能源的一个非常普遍的问题，比如风能和太阳能的间歇性。到2050年，生物能源预计将占全球能源供应总量的四分之一到三分之一。生物质转化为生物能源以热化学转化最有效，特别是在合成气的生产中。根据原料的特性和所需的最终产品，生物质转化为有用产品有几种热化学方法。而这些方法大致上能分为四种，第一种是热解，第二种是气化、第三种是液化，而第四则是燃烧，在这四种转化方法当中要数气化的转化效率是最高的^[2]。生物质的气化是利用热化学途径将生物质转化为燃料气体，产物成分中含有H₂、CO、CO₂、和CH₄。生物质气化应用途径十分广泛，既可以作为小型的发电站发电，也可以当做是居民平常时候的燃气，还能用作供热、燃料。但是生物质燃气热值低，为取得更好的效益需要昂贵的设备、额外的动力。而且反应的过程不易控制，如氢气气化这种工艺又反应条件苛刻，能耗大，燃气净化和焦油的处理也有待改进。这些问题使得生物质气化在我国的推广遭受到了制约^[3]。煤气化工艺是发展煤炭清洁能源的重要手段，一直都是石化能源领域的研究热点，众多的研究员把自己的心血挥洒了其中。煤气化技术就是把煤或焦炭、半焦等固体燃料转化为气体产物过程。气化过程一般分为煤的干燥、干馏和热解、焦炭与气化剂热化学反应等几个阶段。针对煤气化反应的主要影响因素，许多学者研究在煤气化时添加催化剂，加速气化速率和提高气化产物量^[4]。随着煤化工行业环保政策“零排放”的要求，煤化工发展趋势日益严峻，所以，降低煤气化工艺的能耗、水耗、煤耗，减少废水排放，提高气化效率和能量利用率，变成了当今急需解决的问题^[5]。生物质与煤混合共气化工艺从目前看来不管是前景，还是效益或者是重要程度比两种物质单独气化来得好，来得高，来得重要。又可弥补煤炭资源的短缺，减少生物质的废弃。所以无论从生态学还是经济学的角度分析，都是最可行的利用方式之一^[6]。

1.2 国内外研究现状

由于时代的发展，世界各国对能源需求日益增长。而日益增长的能源需求必须以环境友好的方式来满足污染物和温室气体排放的减少，可持续发展的管观念近年来一直都是国际的共识。在当前全球形势下，没有一种单一的能源能够满足能源需求。因此，近年来，由于其良好的运行特性，煤和生物质在氟化床气化系统中的共气化引起了人们极大的兴趣。世界各地的研究人员对各种废物的联合处理进行了研究，这表明联合气化似乎是比联合液化或联合热解更有吸引力的选择。

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