Sustainable Development
Vol.08 No.03(2018), Article ID:25733,11 pages
10.12677/SD.2018.83021

Pollutant Emission Simulation of Biomass Pellets Oxygen-Enriched Combustion Based on Aspen Plus

Ziyi Zhen1, Imran Ali Shah2

1School of Energy and Environmental Engineering, Hebei University of Technology, Tianjin

2School of International Education, Hebei University of Technology, Tianjin

Received: Jun. 3rd, 2018; accepted: Jun. 23rd, 2018; published: Jul. 3rd, 2018

ABSTRACT

This paper is proposed to study the effects of combustion atmosphere, oxygen concentration and excess oxygen coefficient on the NO and CO emission characteristics of a biomass hot water boiler during oxygen-enriched combustion. The simulation on biomass combustion under O2/CO2 and O2/N2 atmospheres was conducted based on Aspen Plus. The increase in oxygen concentration will increase the NO emission in the O2/N2 atmosphere first and then decrease, and the NO emission in the O2/CO2 atmosphere will continue to increase. Under the O2/N2 and O2/CO2 atmospheres, CO emissions increase with the increase of oxygen concentration, and CO2 decreases with the increase of oxygen concentration. Increasing the excess oxygen coefficient causes a trend of NO to increase first and then decrease under the two atmospheres, reaching the maximum around 1.2. In both atmospheres, the CO emissions decrease as the excess oxygen coefficient increases. With the increase of oxygen concentration, the proportion of CO2 in the O2/N2 atmosphere increases with the increase of oxygen concentration. After the oxygen concentration exceeds 50%, the CO2 share remains basically unchanged. However, under the O2/CO2 atmosphere, it gradually decreased, and when the oxygen concentration was 21%~50%, the CO2 proportion did not decrease significantly. However, the proportion of CO2 is not sensitive to the change of the excess oxygen coefficient, but it only decreases passively as the excess O2 increases.

Keywords:Oxy Combustion, Biomass, NO Emission, CO Emission, Aspen Plus

基于Aspen Plus的生物质颗粒富氧燃烧污染物排放模拟

甄子毅1,Imran Ali Shah2

1河北工业大学能源与环境工程学院,天津

2河北工业大学国际教育学院,天津

收稿日期:2018年6月3日;录用日期:2018年6月23日;发布日期:2018年7月3日

摘 要

为了研究燃烧气氛、进口氧气浓度和过量氧气系数对生物质热水炉富氧燃烧过程中NO,CO排放特性的影响,以生物质颗粒为燃料,在Aspen Plus软件中进行了O2/CO2、O2/N2气氛下不同氧气浓度不同过量氧气系数的生物质燃烧模拟。模拟结果表明,氧气浓度的增加会使O2/N2气氛下NO排放先增加后减少,O2/CO2气氛下NO排放持续升高。而在O2/N2和O2/CO2气氛下,CO的排放都会随着氧气浓度的增高而增高,CO2却会随着氧气浓度的增高而降低。提高过量氧气系数会使NO在两种气氛下的排放有一个先增长后降低的趋势,在1.2左右达到最高。两种气氛下,CO的排放则是随着过量氧气系数的增加而降低。随着氧气浓度的升高O2/N2气氛下CO2占比随着氧气浓度升高而升高,氧气浓度超过50%之后,CO2占比基本不变。而在O2/CO2气氛下却是逐渐降低,且在氧气浓度在21%~50%时,CO2占比下降不明显。而CO2占比对于过量氧气系数的变化并不敏感,只是随着过剩的O2增多而被动下降。

关键词 :富氧燃烧,生物质,NO排放,CO排放,Aspen Plus

Copyright © 2018 by authors and Hans Publishers Inc.

This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY).

http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/

1. 引言

在国务院印发的“十三五”控制温室气体排放工作方案中要求到2020年,单位国内生产总值二氧化碳排放比2015年下降18%,碳排放总量得到有效控制 [1] 。2018年3月7日,中国国家能源局发布《2018年能源工作指导意见》,提出全国能源消费总量控制在45.5亿吨标准煤左右。非化石能源消费比重提高到14.3%左右,天然气消费比重提高到7.5%左右,煤炭消费比重下降到59%左右 [2] 。而在中国应对气候变化的政策与行动2017年度报告中表示2016年农业部继续采取综合措施减少温室气体排放,推进农村沼气转型升级,印发《关于下达2016年规模化大型沼气工程中央预算内投资计划的通知》。积极推广秸秆热解气化,秸秆生物气化,秸秆固化成型,秸秆碳化等燃料化利用技术,大力推广节能高效的省柴节煤炉灶、农村太阳能利用和小型光伏、小型风力、微型水力发电等 [3] 。

随着时间的发展,低成本的制氧技术有了长足的进步,比如渗透膜法和变压吸附法 [4] [5] 。富氧燃烧技术也有了很大的发展和扩张。其原理是利用空气分离产生的O2与部分再循环烟气混合代替空气进行燃烧,产生的烟气中CO2浓度能够达到90%以上。生物质是可再生能源,生长过程中吸收CO2,将C和太阳能固定在体内,生物质能利用具有CO2低排放的特点 [6] 。选择生物质作为能源是降低对化石能源依赖又能减少温室气体排放的行之有效的方法 [7] 。

Aspen Plus是一种通用的化工模拟软件,已广泛应用于煤、生物质及垃圾衍生燃料的燃烧、气化等领域,得到许多精确的模拟结果 [8] [9] [10] [11] [12] 。宋新南,徐惠斌等 [13] 利用Aspen Plus软件建立了生物质燃烧模型,对燃烧中NOx的生成进行了模拟计算,结果表明所建立的燃烧模型能够对生物质的燃烧产物分布进行比较准确的预测,生物质燃烧过程中NOx生成量随温度和过量空气系数的增加而快速增长。胡满银等 [14] 利用CHEMKIN软件对次烟煤的常规燃烧和富氧燃烧过程进行了模拟,通过对2种燃烧方式下NOx生成速率的比较,分析了富氧燃烧方式下影响NOx生成的因素。李英杰,赵长遂等 [15] 利用Aspen Plus软件对O2/CO2气氛下煤的燃烧产物进行了热力学模拟计算,研究在O2/CO2气氛下燃烧温度、过氧系数对煤燃烧产物的影响。Li J,Yang W,Blasiak W等 [16] 利用Aspen Plus对生物质的再循环烟气富氧燃烧过程进行了模拟研究,并提出了一种新的燃烧模型。

本文拟通过Aspen Plus软件对生物质颗粒的预干燥和富氧燃烧过程进行模拟计算,研究燃烧气氛、氧气浓度对污染物排放的影响。

2. 生物质颗粒燃烧过程的模型建立

2.1. 模拟对象

模拟选取的生物质成型颗粒样品的工业分析、元素分析及热值见表1。干燥后的煤样水分含量(w)为2%。干燥介质为空气(79% N2/21% O2),压力为常压,干燥介质温度为120℃,燃烧介质选取纯O2、O2/N2和O2/CO2,每种模拟工况的过量氧气系数为1.1;选取O2浓度为30时,模拟工况过量氧气系数为1.0~1.5。

由于生物质是混合物没有固定的化学式且并不在Aspen Plus组分库中,这里对生物质组分进行自定义为Nonconventional非常规固体组分。非常规组分是非均相体系,不参与化学平衡或相平衡,只参与计算的物性是自由焓值和密度。Aspen Plus使用一系列必要的可识别的组分来表征非常规组分的物性参数。这里使用HCOALGEN和DCOALIGT模型计算生物质的焓值和密度,如图1所示。HCOALGEN模型中,需要输入煤的组分属性包括Proxanal工业分析、Ultanal元素分析、Sulfanal硫分析。其中Proxanal工业分析,包括水分、固定碳、挥发份、灰含量的工业分析;Ultanal元素分析,包括灰分、C、H、N、Cl、S、O;Sulfanal硫分析,包括硫化矿、硫酸盐及有机硫。HCOALGEN可以根据这些数据与指定关联式计算煤的燃烧焓、生成焓、热熔、焓值基准等。Option Codes区域4个1表示指定燃烧焓、生成焓等计算基准。固体组分的物性方法和常规组分的物性方法相同,由于模拟流程中并不涉及到各种组分与H2O的反应,且流程包含SO2、N2、O2等低压常规组分,所以选择选IDEAL物性方法。

2.2. 预干燥模型

为了更简便地应用该软件描述生物质的燃烧过程,给出以下假设:

· 燃烧处于稳定运行状态,所有参数不随时间发生变化。

· 生物质燃烧时,先热解释放出挥发份并产生焦炭,再燃烧。

Table 1. Proximate analysis, ultimate analysis and lower heat value of biomass pellets

表1. 生物质颗粒的工业分析、元素分析及热值

Figure 1. Biomass component model

图1. 生物质组分物性模型

• 热解后的产物在炉内燃烧时反应温度唯一,即所有反应的反应温度相同。

• 燃烧过程中燃料和氧分布均匀。

• 生物质热解和燃烧均反应完全。

• 整个模拟过程中没有压力损失。

• 生物质燃料中的氮均转化为HCN、NH3和NO;生物质燃料中的硫均转化为SO2、SO3

• 燃烧速度很快,只受化学反应速度控制,能够达到理想的化学平衡。

• 生物质中的灰分为惰性物质,在燃烧中不参与反应。

生物质预干燥流程包括水分蒸发和气固分离2个过程。用化学计量反应器RSTOIC模块模拟生物质水分蒸发过程,假设蒸发过程为绝热等压过程。根据水的物料平衡及总物料平衡得出干煤含水量的表达式,通过Calculate模块的Fortran语句规定干煤的含水量。用两相闪蒸器FLASH2模块模拟水分与干煤的分离过程。预干燥模型流程见图2

2.3. 燃烧模型

生物质燃烧流程包括预干燥、裂解、燃烧和分离等4个过程,模拟流程的物性方法选为理想模型。燃烧模型流程见图3。用产率反应器RYIELD模块模拟生物质裂解过程,该过程是将生物质分解成单元素分子H2O、C、H2、N2、S、O2和灰分(Ash),并将裂解热导入下一模块。用吉布斯反应器RGIBBS模块模拟生物质燃烧过程,由于使用RGIBBS模块时不需要输入反应式,所以需要规定产物,产物包括:NO,NO2,SO2,SO3,CO和CO2。用子物流分离器SSPLIT模块模拟气固产物的分离。

3. 模拟结果及分析

3.1. 不同气氛对污染物排放的影响

模拟条件:大气压为常压101.325 kPa,湿生物质颗粒为室温27.3℃,湿生物质颗粒进料量为1800 kg/h,参与模拟燃烧的气氛温度为室温27.3℃,过量空气系数1.1,燃烧反应完全。不同氧气浓度对NO生成量的关系见图4,O2/N2气氛下不同氧气浓度对CO和CO2生成量的关系见图5,O2/N2气氛下不同氧气浓度对CO和CO2生成量的关系见图6

图4可以看到在O2/N2气氛下时,NO的释放随着氧气浓度的增加呈现先增加后减少的趋势,这是因为在O2浓度在21%~50%之间时随着氧气浓度的增加燃烧愈加剧烈,出现了大量的热力型NOx,而当氧气浓度在60%~100%时,参与燃烧的N2减少,使得热力型NOx的产生减少,并且由于氧气浓度的增加,

Figure 2. Flow sheet of pre-drying model

图2. 预干燥模型流程图

Figure 3. Flow sheet of burring model

图3. 燃烧模型流程图

使得快速型NOx的产量也在减少,就出现了NO排放量下降的趋势。而在O2/CO2气氛时,NO排放随着氧气浓度的增加而增加,这里主要是热力型NO在增加,随着O2浓度的增加使燃烧更为剧烈,燃烧温度更高。

图5可以看到在O2/N2气氛下时,CO的释放随着氧气浓度的增加而增加,而CO2则随着O2浓度的增加而减少。这是因为随着O2浓度的增加,参与燃烧的O2更多的是与热解产生的焦炭反应生成CO,而且随着氧气浓度增加,反应更加剧烈,还会有一部分O2与CO2反应生成CO。随着氧气浓度的增加CO2下降及CO上升的幅度都开始减缓,在氧气浓度小于50%之前减缓幅度不明显,超过50%之后继续提升氧气浓度作用已经开始降低。

图6可以看到在O2/CO2气氛下时,CO的释放随着氧气浓度的增加而增加,而CO2则随着O2浓度的增加而减少。这与O2/N2气氛下的原因相同。而且因为是有大量的CO2参与燃烧使得CO的排放比O2/N2气氛下更多。在O2/CO2气氛下同样是在氧气浓度达到50%时开始显现出颓势,综合上文就为之后的富氧燃烧实验提供依据,氧气浓度超过50%,对污染物排放的影响已经减弱。

3.2. 过量氧气系数对污染物排放的影响

在富氧燃烧实验中由于O2与生物质在燃烧时并不会充分混合完全燃烧,因此实际实验时都会适当增加过量氧气系数。模拟条件:大气压为常压101.325 kPa,湿生物质颗粒为室温27.3℃,湿生物质颗粒进

Figure 4. Effects of oxygen concentrations on NO emissions

图4. 不同氧气浓度对NO排放的影响

Figure 5. Effects of oxygen concentrations on CO emission in O2/N2 atmosphere

图5. O2/N2气氛下不同氧气浓度对CO排放的影响

料量为1800 kg/h,参与模拟燃烧的气氛温度为室温27.3℃,氧气浓度为30%,过量空气系数1.0~1.5,燃烧反应完全。过量氧气系数对NO生成量的关系见图7,过量氧气系数对CO生成量的关系见图8

图7可以看到,随着过量氧气系数的增加,NO的排放都呈现一个先增加后降低的趋势。这是因为随着过量氧气系数的增加,会使NO更多的反应生成NO2。而在O2/CO2气氛下,由于不会有N2参与反应,所以会有很少的燃料型NO生成。O2/CO2气氛时NO排放量在过量氧气系数在1.2达到最高,而之后即使增加到1.5,NO的排放也只是下降到1.1时的水平。对于O2/N2气氛而言,NO排放最高峰出现在过量氧气系数为1.3时,而过量氧气系数1.1时NO排放量比1.5时还略低,这说明增加更多的氧气并不能减少NO的排放。

Figure 6. Effect of oxygen concentrations on CO emission in O2/CO2 atmosphere

图6. O2/CO2气氛下不同氧气浓度对CO排放的影响

Figure 7. Effect of excess oxygen coefficient on NO emissions

图7. 过量氧气系数对NO排放的影响

图8可以看到,随着过量氧气系数的增加,CO的排放都呈现降低的趋势。这是因为随着过量氧气系数的增加,燃烧更为充分,会使生成的CO与O2反应,降低烟气中CO的含量。在O2/CO2气氛下,当过量氧气系数从1.0升高到1.1时CO的排放出现了急剧下降,在过量氧气系数增加到起及以上后,CO排放量基本不变。而对于O2/N2气氛时CO排放量也在过量氧气系数为1.1时大幅下降,但是下降幅度要比O2/CO2气氛下较小,而且需要过量氧气系数高于1.5之后才出现CO排放量基本不变的趋势。主要是因为CO2对于CO有着比N2更为明显的抑制作用。结合上文过量氧气系数对NO排放的影响,O2/N2气氛下过量氧气系数为1.1较为合适,而在O2/CO2气氛时同样是过量氧气系数为1.1较为合适。这为之后生物质富氧燃烧实验过量氧气系数的选取提供了依据。

3.3. 烟气中CO2含量的变化趋势

富氧燃烧的一个重大应用就是结合碳捕捉和储存(Carbon Capture and Storage即CCS)对CO2的排放进行控制。而对空气(21% O2~79% N2)燃烧烟气中CO2进行收集时一个难点就是N2占总质量的50%以上,烟气成分较为复杂,如图10所示。这里对各种工况下烟气中CO2的含量(质量分数)进行对比,分析富氧燃烧的对CCS的有效作用。模拟条件为大气压为常压101.325 kPa,湿生物质颗粒为室温27.3℃,湿生物质颗粒进料量为1800 kg/h,参与模拟燃烧的气氛温度为室温27.3℃,氧气浓度为30%,过量空气系数1.0~1.5,燃烧反应完全。

图9可知随着氧气浓度的增加O2/N2气氛下CO2质量占比逐渐上升,N2占比逐渐降低,但由于烟气中NO2和O2占比的增长,使得CO2占比升高并不明显。而且只有在氧气浓度在21%~50%之间时CO2

Figure 8. Effect of excess oxygen coefficient on CO emissions

图8. 过量氧气系数对CO排放的影响

Figure 9. Change of substance mass fraction under O2/N2 atmosphere

图9. O2/N2气氛下各物质质量分数变化图

占比变化才比较明显,当氧气浓度超过50%之后CO2占比基本不变,主要是其他成分在进行变化。

图10可知在O2/CO2气氛下烟气中CO2占比随着氧气浓度的提高而逐渐降低,主要增高的有CO、O2和H2O。而当氧气浓度在30%时,CO2占比下降并不明显,在50%时CO2占比依然有70%以上,属于较高水平。结合上图可知在两种气氛下,想获得更高的CO2占比,50%氧气浓度是一个适宜的选择。

图11图12可知在O2/N2气氛和O2/CO2气氛下烟气中CO2占比随着过量氧气系数的提高而逐渐降低,主要增高的只有O2。但由于CO2降低幅度并不大,仅仅是因为氧气过剩而导致的被动降低,但若是结合前文图7图8,为了降低NO和CO的排放,可以适量增加过量氧气系数到1.1。

4. 结论

从上述模拟结果可以得出以下结论:

Figure 10. Change of substance mass fraction under O2/N2 atmosphere

图10. O2/CO2气氛下各物质质量分数变化图

Figure 11. Change of substance mass fraction under O2/N2 atmosphere

图11. O2/N2气氛下各物质质量分数变化图

Figure 12. Change of substance mass fraction under O2/N2 atmosphere

图12. O2/CO2气氛下各物质质量分数变化图

氧气浓度的增加会使O2/N2气氛下NO排放先增加后减少,O2/CO2气氛下NO排放持续升高。而在O2/N2和O2/CO2气氛下,CO的排放都会随着氧气浓度的增高而增高,CO2却会随着氧气浓度的增高而降低。提高过量氧气系数会使NO在两种气氛下的排放有一个先增长后降低的趋势,在1.2左右达到最高。两种气氛下,CO的排放则是随着过量氧气系数的增加而降低。随着氧气浓度的升高O2/N2气氛下CO2占比随着氧气浓度升高而升高,氧气浓度超过50%之后,CO2占比基本不变。而在O2/CO2气氛下却是逐渐降低,且在氧气浓度在21%~50%时,CO2占比下降不明显。而CO2占比对于过量氧气系数的变化并不敏感,只是随着过剩的O2增多而被动下降。

文章引用

甄子毅,Imran Ali Shah. 基于Aspen Plus的生物质颗粒富氧燃烧污染物排放模拟
Pollutant Emission Simulation of Biomass Pellets Oxygen-Enriched Combustion Based on AspenPlus[J]. 可持续发展, 2018, 08(03): 188-198. https://doi.org/10.12677/SD.2018.83021

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