بخشی از مقاله
خلاصه
ذغالسنگ توانسته است با فرآیند تبدیل به گاز، جایگزین نفت و گاز طبیعی شود؛ محصول این فرآیند میتواند به عنوان یک منبع انرژی یا به عنوان یک مادهی خام در صنایع پالایش و پتروشیمی، بهکار رود. واکنش این فرآیند گرماگیر است و گرمای لازم میتواند توسط احتراق بخشی از ذغال تأمین شود اما انتشار دیاکسید کربن زیادی به عنوان گاز گلخانهای در پی دارد؛ گرم نمودن گاز با منبع خارجی از راهحلهای کاهش این آلاینده است.
در این تحقیق معادلات بیلان جرم و حرارت برای راکتور بستر متحرک تبدیل به گاز استخراج شده و جهت رسیدن به ترکیب گاز و توزیع دما در طول راکتور، با روش عددی رانگ-کوتا حل شده و در شبیه سازی بهکار رفته است. نزدیکی مقادیر حاصل از شبیهسازی به مقادیر تجربی دال بر دقت این شبیهسازی بود. همچنین اثر برخی متغیرهای عملیاتی مثل غلظت هلیم و دمای گاز ورودی روی میزان تبدیل و ترکیب گاز محصول بررسی شد. با افزایش دمای گاز ورودی یا افزایش نسبت هلیم به بخار آب میزان تبدیل جامد زیاد شد؛ بهطوریکه با افزایش 300 درجه دمای گاز ورودی از 1000 کلوین، میزان تبدیل کربن 40 درصد افزایش داشت.
-1 مقدمه
از یکطرف نیاز پیوسته به سوخت برای حمل و نقل و تولید جریان برق، از طرف دیگر رشد سریع جمعیت و افزایش شدید مصرف انرژی و قیمت نفت خام و گاز در سالهای اخیر فرآیند تبدیل به گاز ذغال توجه کشورهای اروپایی را به خود جلب نموده است. شکل 1 سهم منابع مختلف از جمله ذغالسنگ را در تأمین انرژی نشان میدهد. محصول این فرآیند به نام گاز سنتز میتواند جهت تهیه محصولات پتروشیمی و سوختهای مایع و نیز تولید آمونیاک مصرف گردد. از آغاز قرن اخیر نیز طراحیهای متنوعی برای کاربرد این گاز در موتورهای دیزل به کار رفته است .[1]
فرآیند تبدیل به گاز شامل یک سوخت کربنی مثل ذغالسنگ و عامل تبدیل به گاز مثل بخار آب میباشد. سه نوع راکتور بستر متحرک، بستر سیال و گاز برد میتواند برای این فرآیند استفاده شود. در مقایسه با راکتورهای بستر سیال، افت فشار راکتورهای بستر متحرک و همچنین فرسایش ذرات جامد ناشی از برخورد آنها بسیار ناچیز است و عملکرد راکتور بستر متحرک نسبت به نوسان دبی سوخت و بخار آب حساس نمیباشد. در راکتورهای بستر متحرک تماس دو فاز گاز–جامد نزدیکی زیادی به شرایط ایدهآل دارد و میتوان جریان هردو فاز را قالبی در نظر گرفت .[2]
گرمای لازم برای انجام واکنشهای تبدیل به گاز میتواند با اکسیداسیون جزئی یا پیش گرم نمودن گاز تأمین گردد. حرارت لازم از منبع خارجی ممکن است توسط انرژی متمرکز خورشیدی یا راکتور هستهای - شکل - 2 تولید شود. استفاده از راکتور هستهای دارای مزایایی از قبیل ذخیره سازی بیشتر منابع سوخت فسیلی، تولید و انتشار دیاکسیدکربن کمتر و حذف هزینهی تولید اکسیژن میباشد؛ همچنین همانند انرژی خورشیدی محدودیت دسترسی در شرایط آب و هوایی خاص را ندارد.
جایگزین نمودن حرارت حاصل از اکسیداسیون جزئی با حرارت حاصل از شکافت هستهای نتیجهی حل مسئلهی گرم شدن زمین را به دلیل انتشار دیاکسید کربن کمتر، در پی دارد. در این تحقیق راکتور بستر متحرک با تأمین گرما توسط راکتور هستهای جهت رسیدن به توزیع غلظت و دما در امتداد راکتور شبیهسازی میشود. از کاربردهای این شبیهسازی تهیه عملکرد در مقیاس صنعتی میباشد؛ این سریعتر و ارزانتر از ساخت و تست طرح واقعی در مقیاسهای مختلف میباشد .[5-3]
یون و همکارانش [6] یک مدل با فرض هستهی آدیاباتیک برای راکتور تحت فشار بسط دادند. آنها حالت پایدار و دمای یکسان برای هردو فاز در نظر گرفتند و برای تحلیل قرص جامد نیز مدل هستهی عمل نکرده را در معادلات بهکار بردند و به این مسأله پی بردند که ترکیب و توزیع دما درون راکتور به خواص ذغال، پارامترهای عملیاتی مثل دبی خوراک، دمای خوراک و فشار راکتور بستگی دارد.
آدانز و لابیانو [7] مدل ریاضی راکتور بستر متحرک اتمسفریک را برای فرآیند تبدیل به گاز ذغال بسط دادند، آنها نیز راکتور را بهصورت آدیاباتیک و در حالت پایدار مدل نمودند و گاز خوراک را ترکیب هوا و بخار آب در نظر گرفتند؛ برای گاز و جامد دمای متفاوت قائل شده و مدل هسته عملنکرده را برای واکنشهای گاز-جامد در نظر گرفتند. وِن، چِن و اونوزاکی [8] راکتور را در حالت پایدار، غیر آدیاباتیک، دمای یکسان برای هردو فاز مدل نمودند و برای قرص جامد مدل هسته عمل نکرده را در نظر گرفتند.
سین، راغوان و سانداراراجان [9] یک مدل ریاضی در حالت پایدار بهصورت یک بعدی برای ذغال هندی تبیین نمودند و پس از ارزیابی نتایج اثر محتوای اکسیژن در هوا، دبی بخار آب و فشار راکتور بررسی شد. آنها نتیجه گرفتند که میزان تبدیل با افزایش نسبت اکسیژن به ذغال افزایش و با افزایش نسبت بخار آب به ذغال کاهش مییابد و فشار اثر محسوسی روی ترکیب گاز ندارد.
بلقیث و ایسامی [3] نیز مدلی را برای راکتور بستر متحرک آدیاباتیک تبدیل به گاز ذغال با استفاده از حرارت هستهای با سیستمهای انتقال حرارت هدایت، جابجایی و تشعشع بین گاز و جامد درون راکتور و صرفنظر از اصطکاک ویسکوزی مدل نمودند و موازنههای جرم و انرژی را برای گاز ایدهآل و ذرات جامد غیر متخلخل در حالت پایدار حل نمودند. آنها ذغال را بهصورت کربن خالص و تنها واکنش کربن با بخار آب را در نظر گرفتند. اثر برخی پارامترها از جمله کسر مولی بخار آب در گاز ورودی، دمای گاز ورودی و اندازه ذرات جامد روی میزان تبدیل بررسی شد.
بلقیث، گوردیلو و ایسامی [4] در تحقیقی دیگر سیستم مشابهی را مدل نمودند اما واکنش شیمیایی را به عنوان رژیم محدود کننده در نظر گرفتند؛ با این فرض میزان تبدیل نسبت به حالت نفوذ مولکولی به عنوان محدود کنندهی سرعت فرآیند کمتر شد. آنها اثر تغییر سرعت و دمای گاز را روی میزان تبدیل بررسی نمودند و نتیجه گرفتند که با افزایش دما میزان تبدیل بهطور محسوس زیاد میشود.
اینابا و همکارانش [10] نیز مدلی از راکتور بستر سیال جهت تبدیل به گاز ذغال با استفاده از حرارت راکتور هستهای جهت تولید آمونیاک بسط دادند و میزان تولید دیاکسید کربن را بررسی نمودند. با توجه به اینکه راکتور بستر متحرک از بازده حرارتی و میزان تبدیل بالا نسبت به سایر بسترها برخوردار است و همچنین با توجه به مسأله گرم شدن زمین جای دارد راکتور بستر متحرک تبدیل به گاز با تأمین گرما از راکتور هستهای جهت رسیدن به توزیع دما و غلظت شبیهسازی شود.
برای این منظور سینتیک واکنشها در معادلات حاصل از موازنه جرم و انرژی قرار میگیرد و معادلات توسط روش رانگ-کاتا در برنامه کامپیوتری حل میشود و پس از ارزیابی نتایج، شبیهسازی با حذف هوا و افزودن گاز هلیم جهت بررسی تغییرات ترکیب گاز محصول انجام میشود. از تفاوتهای این تحقیق با مدل بلقیث و همکارانش [4 ,3] وارد نمودن مشخصات ذغال واقعی و همچنین در نظر گرفتن واکنشهای بودوارد، تولید متان و تغییر آب-گاز علاوه بر واکنش تبدیل به گاز با صرف بخار آب میباشد.
