基于ASPEN+PLUS的生物质与煤低温共热解的能效评价
目前煤炭仍然在我国能源结构中占据着主导地位,支撑着我国经济的发展,然而煤炭资源尤其是低阶煤利用效率较低不仅造成了资源的浪费而且污染了环境。我国能源消费量巨大,占全球23.2%,能源消费增长占全球33.6%,连续17年稳居全球能源增长榜首,对能源的大量需求使可再生能源和清洁高效利用化石能源的地位日益突出。因此,将生物质与煤共热解,利用Aspen Plus对共热解过程进行模拟,不仅能有效利用资源量大、可再生的生物质能源,节约煤炭资源,还能对复杂的热解过程的能耗、能量转化进行分析,有利于在对生物质和煤炭能源清洁高效利用的同时提高系统的能量利用效率。本研究将稻杆与褐煤质量配比为0%、10%、20%、30%、40%、100%的六组样品进行共热解实验,探究稻杆的配比对热解产物分布的影响。利用Aspen Plus化工流程模拟软件建立生物质与煤共热解工艺模型,把共热解过程分为干燥、热解、分离三个单元,结合实验产率数据用Aspen Plus软件对复杂的热解过程进行黑箱化处理,计算出反应热,根据热力学原理依次对三个单元进行能量衡算,对系统的能耗和能量转化效率进行计算。依据共热解系统的能量转化分析结果,对褐煤含水量、稻杆配比、热解终温以及半焦燃烧比例等四个影响系统整体性能的关键操作变量进行灵敏度分析,探究这四个操作变量对系统能耗和能量利用效率的影响。本研究条件下得到的结果如下:(1)在稻杆配比为20%时,焦
生物质能源油产率的实验值与理论值偏差达到最大,为10.64%,焦油的产率为12.06%。(2)热解结束后焦油、半焦、热解气分别带走系统总输入能量的20.77%、40.06%、13.64%;热解单元是系统的主要能耗单元,占系统总能耗的55.39%;干燥单元的能耗主要由原料水分的蒸发引起,占干燥单元能耗的82.56%。(3)灵敏度分析表明,褐煤含水量每增加5%,干燥单元能耗平均同比增加19.27%(416.88MJ/h);稻杆配比为20%时,热解单元的能耗最大,系统能效的增幅也最大,相较于褐煤单独热解同比提高了6.04%,稻杆的添加有利于提高系统的能量利用效率;系统的能耗随热解终温的升高而增大,热解终温选为510℃不仅能提高焦油的产率,而且能降低热解过程的能耗;半焦燃烧比例为22.55%时可满足干燥过程和热解过程对外界的全部能量需求,系统的能效由74.48%增至81.62%,同比增加了17.64%。(4)褐煤单独热解的能效为70.24%,20%配比下系统的能量利用效率为74.48%,若回收水蒸气和煤气的显热,系统的能效为78.03%。(5)模型的普适性评价表明本模型能普遍适用于煤单独热解过程和生物质与煤共热解过程的能量转化定量分析。