مقدمه
فرآیند گازسازی بیومس (زیست توده) به دلیل تولید گاز قابل استفاده در کاربردهای مختلف مانند سوخت در کوره ها و بویلرها یا در توربین های گازی، در سال های اخیر توجه زیادی را به خود جلب کرده است. پیش بینی دقیق ترکیب گاز تولیدی در فرآیند گازسازی بیومس دشوار است. اگرچه گازهای اصلی H2O, CO2, CO, CH4, C2H4 و H2 هستند. اما میزان این گازها متغیر بوده. و به ویژگی های بیومس، نوع راکتور، عامل گازی و شرایط عملیاتی بستگی دارد.
شبیه سازی فرآیند به عنوان ابزاری مفید برای درک و بهینه سازی فرآیند گازسازی در نظر گرفته می‌شود. که می‌تواند هزینه‌های بالای آزمایش های گسترده را کاهش دهد. در این مطالعه، شبیه سازی فرآیند گازسازی بیومس در راکتور بستر سیال حباب دار با استفاده از نرم افزار Aspen Plus ارائه شده است. این روش شامل یک مدل سینتیکی برای شبیه سازی فرآیندهای اصلی گازسازی و همچنین یک مدل تجربی برای پیش بینی تشکیل قطران است.
تاسیسات آزمایشی
در بخش آزمایشگاهی این مطالعه، آزمایش های گازسازی بیومس در یک راکتور بستر سیال حباب دار با قطر 0.1 متر و ارتفاع 1 متر انجام شد. از چوب بلوط به عنوان ماده بیومس استفاده شد. آزمایش ها در دماهای 700، 800 و 900 درجه سلسیوس و با استفاده از هوا و بخار به عنوان عوامل گازی انجام گرفت. نتایج آزمایشگاهی برای تولید گاز، ترکیب گاز و میزان قطران اندازه گیری شد. این داده ها برای توسعه و اعتبارسنجی مدل شبیه سازی استفاده شد.
شرح فرآیند
فرآیند گازسازی زیست توده در یک راکتور بستر سیال حبابی به طور کامل مدل سازی و شبیه سازی شده است. مدل سازی با استفاده از نرم افزار
Aspen Plus انجام گرفته است. راکتور به سه منطقه اصلی تقسیم شده است: منطقه پیرولیز، منطقه احتراق و منطقه کاهش. در منطقه پیرولیز، زیست توده به محصولات اصلی شامل زغال، گاز و تار تجزیه می شود. در منطقه احتراق، واکنش های احتراق اکسیژن و زیست توده رخ می دهد. که با استفاده از مدل سینتیکی مدل سازی شده است. در منطقه کاهش نیز واکنش های کاهشی مانند واکنش گاز-آب و بوردوارد رخ می دهد که با استفاده از مدل سینتیکی مدل سازی شده است.
در واقع فرایند gasification زیست‌توده در راکتور بستر سیال حبابی یک روش کارآمد برای تبدیل زیست‌توده به گازهای قابل استفاده مانند هیدروژن، متان و سایر هیدروکربن‌ها است. این فرآیند شامل چند مرحله اصلی می‌باشد:
بارگذاری زیست‌توده:
در ابتدا زیست‌توده به صورت گرانول یا ذرات کوچک به راکتور بستر سیال وارد می‌شود. این مرحله ممکن است شامل خشک‌کردن و آسیاب‌کردن مواد اولیه باشد.
بستر سیال:
در راکتور بستر سیال، ذرات زیست‌توده با یک مایع یا گاز (معمولاً هوا، بخار یا گاز بی‌اثر) مخلوط می‌شوند. این جریان باعث می‌شود که ذرات زیست‌توده به طور یکنواخت معلق شوند و انتقال حرارت و جرم به خوبی انجام گیرد.
Gasification
در دماهای بالا (معمولاً بین 700 تا 1000 درجه سانتی‌گراد)، واکنش‌های شیمیایی مختلفی رخ می‌دهد. در این دماها، زیست‌توده تجزیه شده و ترکیبات مختلفی مانند مونوکسید کربن، دی‌اکسید کربن، هیدروژن و متان تولید می‌شود. این واکنش‌ها شامل احتراق جزئی و تجزیه حرارتی است.
تجزیه گازها:
در خلال فرآیند gasification، گازهای تولید شده ممکن است به واکنش‌های بیشتری مانند شیفت گاز (gas shift reaction) و یا اصلاح (reforming) بپردازند که می‌تواند ترکیب گاز نهایی را بهبود بخشد.
خنک‌سازی و تصفیه:
گازهای تولید شده پس از خروج از راکتور، معمولاً نیاز به خنک‌سازی و تصفیه دارند تا ذرات جامد، بخار آب و سایر ناخالصی‌ها از آن جدا شوند. این مرحله می‌تواند شامل فیلتر کردن، کندانس کردن و استفاده از کاتالیست‌ها باشد.
راکتور بستر سیال حبابی به دلیل توانایی در کنترل بهتر دما و ترکیب گازها و همچنین انتقال حرارت و جرم بهتر، به عنوان یکی از روش‌های مطلوب برای gasification زیست‌توده شناخته می‌شود.
شبیه‌سازی
شبیه‌سازی gasification زیست‌توده در راکتور بستر سیال حبابی با استفاده از نرم‌افزار اسپن پلاس (Aspen Plus) یکی از روش‌های پیشرفته برای تحلیل و بهینه‌سازی فرآیندهای تبدیل زیست‌توده به سوخت‌های گازی است. این فرایند به طور عمده شامل تبدیل مواد آلی به گازهای قابل استفاده مانند هیدروژن، مونوکسید کربن و متان است.
تعریف خوراک:
ابتدا باید مشخص کنید که چه نوع زیست‌توده‌ای (مانند چوب، ضایعات کشاورزی و …) را برای gasification استفاده می‌کنید. خواص شیمیایی و فیزیکی این ماده باید به نرم‌افزار وارد شود.
مدل‌سازی راکتور:
در این مرحله، مدل راکتور بستر سیال حبابی را در اسپن پلاس طراحی می‌کنید. این نوع راکتور به دلیل توانایی در توزیع یکنواخت دما و بهبود انتقال جرم، برای gasification بسیار مناسب است.
تنظیم شرایط عملیات:
شرایط عملیاتی مانند دما، فشار، و نسبت هوا به زیست‌توده باید تعیین شود. این پارامترها تأثیر زیادی بر راندمان گازification و ترکیب گازهای تولید شده دارند.
شبیه‌سازی و تحلیل:
پس از تنظیم همه پارامترها، شبیه‌سازی را اجرا می‌کنید. نتایج شامل نسبت گازهای تولید شده، دما و فشار در نقاط مختلف راکتور و همچنین راندمان تبدیل زیست‌توده به گاز خواهد بود.
بهینه‌سازی:
با استفاده از نتایج شبیه‌سازی، می‌توانید بهینه‌سازی‌های لازم را انجام دهید. این شامل تغییر در نسبت‌های خوراک، شرایط عملیاتی و حتی طراحی راکتور می‌شود.
در این شبیه‌سازی، پارامترهای مختلف عملیاتی مانند دمای راکتور، نسبت بخار به زیست‌توده و زمان اقامت مواد در راکتور مورد بررسی قرار گرفته است. مدل‌های ترمودینامیکی و سینتیکی مناسب در Aspen Plus استفاده شده است تا فرایند گازسازی را به طور دقیق شبیه‌سازی کند. خروجی‌های اصلی شامل ترکیب و بازده محصولات گازی است.
مدل سازی Aspen Plus
برای شبیه سازی راکتور بستر سیال خلاء در مقیاس پایلوت، از نرم افزار Aspen Plus استفاده شده است. یک رویکرد شبیه سازی متوالی توسعه داده شده است تا راکتور را به چندین بلوک تقسیم کرده و همگرایی مدل را تسهیل کند. شبیه سازی با در نظر گرفتن فرآیند تقسیم شده به سه زیرفرآیند متوالی انجام شده است: پیرولیز، اکسیداسیون و کاهش. همچنین، واکنش های شیمیایی و عبارات سینتیکی مربوطه در این بلوک ها در نظر گرفته شده است. در شبیه سازی، بیوماس و زغال به عنوان اجزای غیر متعارف تعریف شده اند و مدل های مختلفی برای محاسبه خواص آنها استفاده شده است.
فرضیات اصلی در این شبیه سازی شامل موارد مختلفی از جمله ثابت بودن فشار، رفتار ایده آل گازها و در نظر گرفتن سینتیک آرنیوس برای واکنش ها است.
