1. Температурное поле трубчатого реактора пиролизной установки

2 . Вычисление температурного поля трубчатого реактора пиролизной установки
Аннотация- В данном исследовании рассматривается комплексное проектирование реактора быстрого пиролиза биомассы с барботажным псевдоожижающим слоем (BFB).
В качестве сырья рассматривался твердый лигноцеллюлозный остаток сахарного тростника - багасса. Детальная кинетическая модель была разработан с целью моделирования поведения пиролизера и определены кинетические параметры пиролиза багассы путем подгонки модели к соответствующим экспериментальным данным. Впоследствии были применены энергетические балансы для расчета необходимая теплота пиролиза. Это 1,4 МДж/кг багассы и соответствует соответствующим литературным данным. Модель была, кроме того, он подтвержден соответствующими экспериментальными данными и, таким образом, может быть эффективно использован для моделирования производительности аналогичных реакторов. системы быстрого пиролиза при различных технологических условиях. Наконец, исследование завершается оценкой капитальных и трудовых затрат. затраты, связанные с реактором и блоками хранения био-нефти. По сути, это исследование исчерпывающе включает основную массу, энергию и экономические расчеты активной зоны установки быстрого пиролиза. Последний будет полностью спроектирован в ближайшем будущем в качестве расширение существующей модели. В целом, текущие исследования предлагают и исследуют утилизацию относительно большого количествамуравьев. сельскохозяйственные остатки с помощью быстрого пиролиза для производства био-масла. Условия, которые максимизируют выход жидкостей, составляют 525 ° C и время пребывания 0,5 с.
Ключевые слова быстрый пиролиз биомассы, кинетическое моделирование, моделирование, экономика процесса, багасса
1. Введение
В большинстверегионов мира наблюдается самый резкий рост производства биотоплива производство наблюдается в течение последних двух десятилетий, главным образом из-за недавней государственной политики. Фокальный привод для эта поддерживающая политика связана с энергетической безопасностью
проблемы наряду с желанием улучшить сельскохозяйственную экономика [1]. Кроме того, цель снижения CO2 выбросы в транспортном секторе также являются важным фактором создание устойчивого сектора биотоплива, главным образом в страны , входящие в Организацию экономического
Сотрудничество и развитие (ОЭСР). Наиболее широко реализованная мера в этом направлении является мандатом на смешивание; по существу, он определяет часть биотоплива, которая должна быть смешанный с обычным ископаемым топливом [2]. Эффективным способом получения биотоплива является пиролиз.
Пиролиз - это термохимический процесс, посредством которого уголь, газ и органические жидкости могут быть получены с помощью анаэробного разложение биомассы. Это происходит при температурах ниже, чем газификация (300-800 ° C) и обычно желаемая продукт называется био-маслом [3]. На основе эксплуатационных параметры, пиролиз можно разделить на три основных группы: slflow, промежуточный и быстрый пиролиз. Это различные по температуре процесса, скорости нагрева, твердому месту жительства время и размер частиц биомассы. Кроме того , продукт распределение (уголь, жидкости и неконденсирующиесягазы) зависит о типе пиролиза и условиях эксплуатации [4], как показано в Таблица 1. Как упоминалось выше, в большинстве случаев желаемое продукт - био-масло, посколькуион продукта горючих газов повышение эффективности за счет газификации и сжигания угля
тогда предпочтительно сжигать непосредственно исходнуюбиомассу [5]. Таким образом, в данном исследовании быстрый пиролиз багассы был рассмотрено и исследовано. Быстрый пиролиз может иметь низкие капитальные затраты и высокая термодинамическая эффективность по сравнению с другими процедурами, особенно в небольших масштабах. Производство био-масла с помощью быстрого пиролиза получило больше рассмотрение в последние годы следующих потенциальных преимущества [6, 7].
 Био-масло является возобновляемым топливом, пригодным влюбых случаях для цели производства электроэнергии
 Процесс может использовать лигноцеллюлозное сырье
 Био-масло легко хранить и транспортировать
 Возможно преобразование био-масла в моторное топливо
 Био-нефть имеет более высокое содержание энергии, чем газификация
продуцентный газ
 Био-нефть также может быть газифицирована аналогично твердой биомассе
Во время процедуры быстрого пиролиза биомасса быстро нагревается до высокой температуры (приблизительно 500-600 °C) в отсутствие воздуха. Обычно на весовой основе быстрый пиролиз выход 55%-70% жидких углеводородных продуктов при 15%–25% твердых веществ (в основном биочар) и 10%-20% не-
конденсируемые газы, основанные на характеристиках сырье. Производство жидкостей обычно генерируется из биомассы при умеренной температуре, высокой скорости нагрева и условия короткого времени пребывания. Основные характеристики реактора быстрого пиролиза метод пиролиза - это высокая теплопередача и скорость нагрева, очень короткое время пребывания паров, быстрое гашение паров, увеличение производства био-нефти и точное управление реактором
температура. Крометого, он может обеспечить несколько высокоэффективные химические вещества, такие как бензол и толуол [4]. В ядром процесса пиролиза является реактор (пиролизер), а были проведены обширные исследования и разработки для различных реакторных систем. За последние два десятилетия, были изучены многочисленные реакторные технологиии многие процессы были испытаны и исследованы в различных условиях. условия эксплуатации. Scott et al. [5] провели комплексное исследование систем реакторов пиролиза и сделан вывод о том, что 1) потребность в охлаждении bi o-oil будет минимальной если отношение газа к питанию сведено к минимуму, 2) реактор температура должна оставаться как можно более низкой и 3) пиролизер должен эффективно работать в небольших масштабах и на в то же время есть потенциал для легкого масштабирования. Барботаж реактор с псевдоожиженным слоем (BFB), по-видимому, удовлетворяет этим критериям best и его строительство и эксплуатация в настоящее время хорошо установлено. Контроль температуры и теплопередачи может быть выполняется просто и эффективно. Высокие выходы био-масла могут может быть достигнуто с помощью этого типа реактора. Эффективный способ контроля время пребывания паров контролируется скоростью потока псевдоожижающего агента (обычно азота). Одним из ограничений BFB заключается в том, что биомасса должна подаваться с очень маленькими частицами размер (2-4мм) для обеспечениявысокой скорости теплопередачи и самоочищение продуктов из слоя реактора.
Таблица 1. Особенности различных типов пиролиза [4]
Тип пиролиза
Газ
Био-
нефть
Char
Скорость нагрева (°C/s)
Резиденция время (ы) Медленный
Перспективным сырьем для устойчивого биотопливного сектора является твердый остаток сахарного тростника, известный как багасса. IT является основным агропромышленным остатком в Бразилии и, несмотря на его пригодность для производства топлива и / или химикатов [8], это в основном используется для поднятия пара и выработки электроэнергии; тем не менее, все еще есть некоторый избыток [9]. Кроме того, если болееэффективные котлы combustion aповторно реализованы, он имеет было подсчитано , что будет сжигаться меньше багассы (снижение примерно на 36%) [9]. В этом направлении проводятся исследования основное внимание было уделено использованию багассы в технологиях биорефинирования которые способны производить товарное топливо из сахаров, пиролиз и синтез-газ [10]. Кроме того, в производстве тростника для удовлетворения роста глобальных спрос на этанол (от 70 до 130млн м3 в период с 2009 по 2025), также приведет к дальнейшей доступности багассы [11].
Проиллюстрированы конечные и ближайшие анализы багассы в таблице 2 [12].
В связи с этим настоящее исследование сосредоточено на разработке комплексное проектирование реактора быстрого пиролиза BFB для утилизация багассы. Кроме того, модель была проверена с соответствующие экспериментальные данные и, таким образом, он может быть эффективно используется для имитации производительности аналогичного быстрого пиролиза системы при различных технологических условиях.
Таблица 2. Состав багассы [12]
Предварительный анализ
Параметры
Массовая доля (%)
Влажность 10 (вб)
Зола 3.2 (db)
Летучие вещества 83.65 (db)
Фиксированный углерод 13.15 (db)
Окончательный анализ
Элемент
Сухой вес (%)
2. Баланс массы на пиролизере
С целью прогнозирования поведения химического вещества реактор, информация о кинетике реакции, термодинамика, тепломассообмен и схемы течения обычно необходимы. Частично, в случае барботажа реакторы с псевдоожиженным слоем поток и взаимодействие фаз явления, как правило, являются наиболее сложным моделированием задачи.

Первоначально доминирующий предложенный подход к моделированию была ли адаптация идеальных моделей потока, включая пробковый поток, непрерывный перемешанный танк или смешанный поток, дисперсия и бак в серии [13]. Туми и Джонстон [14] были первыми предложить двухоблачный model, который впоследствии был
модифицирован в нескольких других исследованиях. Главноеулучшение заключается в том, что эти модели предложили то, что они дают возможность
исследователям принять во внимание наблюдаемое отсутствие-однородность плотных псевдоожиженных слоев, определение разбавленного пузырьковая и плотная эмульсионные фазы. Псевдоожиженный слой модели реакторов: 1) базовая двухзонная модель, 2) фургон
Двухзонная модель Димтера, 3) двухзонная модель Дэвидсона-Харрисона-
Зональная модель и 4) Трехзонная модель Кунии-Левеншпиля.
В данном исследовании была использована базовая двухзонная модель из-за ее простота по сравнению с моделью Кунии-Левеншпиля и ее точность по сравнению сдвумя другими моделями [15]. Общая предположения модели можно обобщить следующим образом [16]:
Были приняты во внимание две фазы: эмульсия и пузырьковая фаза. В эмульсионной фазе гетерогенные реакции происходят в пузырьке фаза гомогенных реакций.
 Поток газа в пузырьковой фазе находится в пробковом потоке.
 Эмульсионная фаза хорошо перемешивается.
 Реакций в надводной части реактора не происходит.
 Слой находится в изотермических условиях.
 Char состоит только из углерода и ограничен эмульсионная фаза.
Пиролиз биомассы включает в себя несколько очень сложных
реакции, включающие значительное количество промежуточных продуктов и конечных продуктов; таким образом, формулаточной реакции путь механизмакинетическая модель nd по-прежнему сложна и следовательно, доминирующий подход к разработке кинетических модели должны использовать измеримую и упрощенную кинетику. Следовательно, это дало возможность исследователям на протяжении годы, чтобы выдвинуть различные схемы реакции и кинетические Модели. Путем пересмотра механизмов пиролиза биомассы вверх
на сегодняшний день единственным абсолютным результатом является то, что сырая биомасса разлагается на неконденсирующиеся газы (такие в _{виде H2},_CO2 и CO), био-масла (или смолы) и твердого углерода (char)
[17]. Существует три основных подхода к реакции пиролиза механизм: 1) Одноступенчатая глобальнаяреакция, 2) комбинированнаяреакция модели и 3) модели с вторичным крекингом гудрона. Один шаг глобальные модели были в основном разработаны на ранних стадиях моделирование пиролиза и предположение, что биомасса разлагается до летучие вещества и кокс. Наиболее используемая модель для описания древесины пиролиз является конкурирующей моделью реакции. Он предлагает три конечные продукты с изменяющимся выходом обугливания. Это эмпирический модель и как таковая она была максимально простой. Наконец,, самые последние модели учитывают вторичную смолу крекинг. Это фактически расширение конкурирующих модель реакции, но особенность также разложение смолы на газы и char [17]. One step global modelsand d compet reaction модели уступают по сравнению с моделями со вторичной смолой крекинг, поскольку они рассматривают фиксированнуючасть угля для выход летучих веществ. Фактически, последние модели более универсальны и таким образом, они были использованы в настоящем исследовании для описания схема реакции пиролиза. В частности, разработанная модель Ди Блази и др. [18] было использовано в этом исследовании. Рисунок 1 изображена схема реакции предложенной модели.
Рисунок 1. Кинетическая схема быстрого пиролиза, используемая в данном исследовании На основе этого механизма для каждого компонента скорость образования или исчезновения определяется следующим образом уравнения кинетической скорости:

Гдеmb, mt^{, mg и mc - массовые доли} багасса, смола, газ и уголь соответственно. Константы скорости вышеуказанные реакции (k_1-5) могут быть выражены с помощью уравнения Аррениуса уравнение ( зависит от температуры). Термин пробкового потока в сочетании с термином осевой дисперсии был использован
приблизительные потоки газа и углерод присутствуют в эмульсионная фаза. Кроме того, массоперенос между учитывалась пузырьковая и эмульсионная фазы [19, 20, 21]. Наконец, был рассмотрен общий баланс масс для потребление багассы и предполагалось , что выход концентрация равна нулю (полная конверсия). В таблице 3 представлены гидродинамика, связанная с моделью.
Баланс массы пузырьковой фазы:



Баланс массы эмульсионной фазы:
Баланс массы для разложения багассы:

Граничные условия: площадь каждого пузырька _{(предполагались сферические пузырьки)} а количество пузырьков задается общим объемом занятые пузырьки делятся на объем каждого пузырька
Где индексы b и e относятся к пузырьку и эмульсии фаза соответственно, _ начальные массовые концентрации (1 для багасса и 0 для угля, смолы и газов), U поверхностный скорость газа (м/с), f объемная доля (^м3/^м3), D эффективная диффузия газа (^м2/с), R скорость реакции (кмоль/^м3с) в пузырьковой или эмульсионной зоне передача m ass коэффициент между эмульсией и пузырьковой фазой, z осевое расстояние (м), Б вес багассы в реакторе
(кг), Win - скорость поступления багассы в реактор (кг/с), Wout
(равна нулю) - скорость выхода багассы из реактора (кг / с) и L длина реактора. Кроме того, следует отметить, что
^{связаны как. Общая пустота слоя} установлено, что минимальная псевдоожижающая способность фракции а т, эдс, равная 0,4 и входная скорость азота (псевдоожижающего агента), U₀, равно 1,5 м/с [16]. Термин _ относится к межфазной области между пузырьковой и эмульсионной фазами и рассчит

араметры ^{фитинг пиролиза} кинетическая модель к экспериментальным данным для багассы [23] была выполнено (пределы были взяты из Ди Блази и Бранки [24] и см. Пиролиз древесины) путем минимизации суммы квадратов ошибки между экспериментальными и расчетными значениями. Для этого цель процедура оптимизации на основе генетических алгоритмов с последующим использованием градиентного метода (SQP – fmincon)
функция в Matlab) была разработанав программе Matlab.
Генетический алгоритм, стохастический, был использован для оценки семейство решений, близких к (потенциально) глобальному оптимуму и Последовательное квадратичное программирование (функция fmincon) было впоследствии применяется для расчета конечного оптимума [25]. В таблице 4 приведены расчетные значения приведенной выше кинетической параметры для случая багассы, а также их ограничения.
Таблица 4. Кинетические данные быстрого пиролиза, рассчитанные для багассы подгонка модели реактора (уравнения 5-7) к имеющимся экспериментальные данные и проверка на соответствие заявленным пределам для пиролиза древесины

Где Ei (K) - отношение энергии активации, Ea (Дж/моль), над газовыми константамиnt R (Дж /моль К) и A (1 /с) находится предварительная-экспоненциальный коэффициент для уравнения Аррениуса . Рисунок 2 иллюстрирует модельные прогнозы образования газа, смолы и обугливания сравнение экспериментальных данных. Температура, которая максимизирует установлено, что выход био-масла равен 525°C.
В целом система состоит из 5 частных дифференциальных уравнения и 1 обыкновенноедифференциальное уравнение. Этот набор уравнения решались с помощью вложенной функции Matlab ‘pdepe’, способный решать параболические и эллиптические дифференциальные уравнения в одной пространственной переменной и времениe. Система была решается с использованием дискретизации второго порядка с 50 равноудаленными
Очки. Анализ чувствительности сетки показал, что результаты точно так же с использованием более 50 точек дискретизации. Обыкновенные дифференциальные уравнения (ОДУ), полученные в результате дискретизация в пространстве интегрирована (а Рунге-Кутта интегратор используется) для получения приближенных решений в разы указано использованиеr. Кинетические значения для пиролиза багассы в литературе пока не сообщалось. Таким образом, для

Рисунок 2. Выход модели пиролиза для газа, смолы и угля и остаточныйгаз ba в сравнении с экспериментальными данными [23] для быстрого пиролиз багассы
Кроме того, на рис. 3 представлено распределение продукта в виде функция длины реактора в определенный момент времени и время. Можно наблюдать, что выход смолы достигает максимума через 0,2-0,4 секунды он разлагается на уголь и газы
как описано на рис. 1. Как сообщается в литературе [26], смола образование требует очень низкого времени пребывания паров для того, чтобы минимизация вторичных реакций. Однако реакторы пиролиза с временем пребывания ниже 1,5 с трудно контролировать и
эксплуатация. Следовательно, время пребывания 0,5 с может удовлетворить эффективная конструкция реактора и выход био-масла почти 70% общий ввод биомассы. Вычисленная геометрия реактора равна длине длиной 6 м и диаметром 1 м.

Рисунок 3. 3D-представление продуктов быстрого пиролиза against длина реактора и время работы системы, исследованной в настоящее исследование