بخشی از مقاله
چکیده :
در این مقاله مدلسازي گازي سازي زیست توده توسط عامل گازي سازي دي اکسیدکربن و مخلوط دي اکسیدکربن با بخار آب یا اکسیژن با استفاده از روش منیمم سازي انرژي آزاد گیبس و همچنین تحلیل اگزرژي نیز انجام شده است. در این مدلسازي اثر دما و نرخ جریان عامل گازي سازي بر روي عملکرد گازي ساز بررسی شده است.
نتایج نشان دادند که ماکزیمم تبدیل دي اکسیدکربن در جایی اتفاق می افتد که تمام کربن موجود در سوخت تبدیل می شود. زمانی که از مخلوط دي اکسیدکربن و اکسیژن به عنوان عامل گازي سازي استفاده می شود اگزرژي ورودي کمتري از طریق گازي ساز هوا در مقایسه با مخلوط بخارآب و دي اکسیدکربن مورد نیاز می باشد. اما از آنجایی که این اگزرژي در مقایسه با اگزرژي ناشی از گازهاي خروجی کمتر می باشد، در نتیجه اگزرژي گازهاي خروجی از گازي ساز اثرات بیشتري بر روي بازده اگزرژي دارند. نشان داده شده است که ماکزیمم بازده اگزرژي در اتفاق می افتد و همچنین ماکزیمم بازده هاي اگزرژي در همه ي تحلیل هاي انجام شده از %92 تجاوز نمی کند.
-1 مقدمه
گازهاي گلخانهاي مانند دياکسیدکربن و متان تاثیرات زیادي در تغییرات آب و هوایی دارند. سهم منابع اصلی انرژي جهانی در ارتباط با انتشار دياکسیدکربن براي واحدهاي تولید گرما و توان 41 %، حمل و نقل % 23، و صنایع تولیدي و ساخت %21 میباشد
از آنجایی که تولید توان با استفاده از سوختهاي فسیلی یک منبع اساسی براي انتشار دياکسیدکربن میباشد، اما اقدامات زیادي به منظور کاهش انتشار دياکسیدکربن یا کاربرد دياکسیدکربن براي براي هدفهاي دیگري یا ذخیرهي دياکسیدکربن انتشار یافته، در حال انجام است. استفاده از تکنولوژيهاي تولید توان کارآمد مانند سیکل ترکیبی متصل به یک گازيساز - - IGCC به منظور کاهش انتشار دياکسیدکربن به اتمسفر به طور گسترده در حال افزایش است . از طرف دیگر از لحاظ کاربردي، دياکسیدکربن براي تولید خیلی از مواد شیمیایی مانند اوره، متانول و اسید سیتریک استفاده میشود.
کاربرد دیگر دياکسیدکربن ، استفاده از این گاز به منظور تولید گازهاي خام میباشد که این گازها براي تولید مواد شیمیایی یا در توربینهاي گازي به منظور تولید توان استفاده میشوند. دياکسیدکربن میتواند به طور مستقیم یا به صورت مخلوطی از اکسیژن یا بخار، به عنوان عامل گازيساز در فرآیند گازيسازي مواد اولیهي کربندار مانند زیستتوده یا زغالسنگ، براي تولید گاز خام مورد استفاده قرار گیرد. دياکسیدکربن یک عامل گازيساز معروف و عمومی نمیباشد بخاطر اینکه واکنش دياکسیدکربن با کربن یک واکنش گرماگیر میباشد. بنابراین، استفاده از دياکسیدکربن به منظور گازيسازي میتواند نقش مهمی را در برگرداندن دوبارهي دياکسیدکربن به چرخه و استفادهي مجدد از آن و به دنبال آن کاهش انتشار دياکسیدکربن به محیط ایفا کند
استفاده از دياکسیدکربن در گازيسازي مزایاي دیگري هم دارد. اولا، برخلاف بخار هیچ انرژي به منظور تبخیر نیاز نیست. ثانیا، میتوان به محدودهي گستردهاي از نسبت هیدروژن به مونواکسیدکربن در گازهاي حاصل دست یافت. ثالثا، استفاده از دياکسیدکربن به جاي نیتروژن به همراه اکسیژن سبب میشود که گازهاي حاصل داراي درصد بالایی از دياکسیدکربن باشند که این دياکسیدکربنها میتوانند بازیافت شوند و دوباره به چرخه برگردانده شوند. تحقیقات انجام شده به منظور استفاده از دياکسیدکربن - به طور خالص یا به صورت مخلوطی از اکسیژن یا بخارآب - براي گازيسازي مواد اولیهي کربندار را می-توان به سه دسته تقسیمبندي کرد. دستهي اول از این تحقیقات مطالعه بر روي سنتیک گازيسازي زغال سنگ با استفاده از دياکسیدکربن را در کانون توجه خود قرار میدهند
مانی [6] برروي سنتیک واکنش گازيسازي زیستتوده با استفاده از دياکسیدکربن مطالعاتی انجام دادهاند. این مطالعات سنتیکی در دستگاه TGA انجام میشود و تاثیرات پارامترهاي مختلفی نظیر زمان و دما را بر روي نرخ مصرف جرم و ترکیبات گازهاي خروجی را بررسی میکنند و هم چنین پارامترهاي سنتیکی مانند انرژي فعالسازي را تعیین میکنند.
دستهي دوم از مطالعات مهندسی از دياکسیدکربن - به طور خالص یا به صورت مخلوطی از اکسیژن یا بخار - در یک گازي-ساز استفاده میکنند و مشخصههاي عملکرد دستگاه گازيساز را مورد بررسی قرار میدهند. اخیرا، پتینااو [7] یک مطالعهي آزمایشگاهی بر روي گازيسازي زغال سنگ با استفاده از مخلوط دياکسیدکربن و اکسیژن به جاي هوا در یک گازساز بستر ثابت بدون اضافه کردن گرما از منبع خارجی انجام دادهاند.
دستهي سوم از تحقیقات تکنولوژيهاي جدیدي را به منظور استفاده از دياکسیدکربن در فرآیند گازيسازي در واحدهاي تولید توان را پیشنهاد میکنند. استالدي [8] ثابت کردند که برگرداندن دوبارهي دياکسیدکربن به چرخه به منظور استفاده در فرآیند گازيسازي در یک گازساز کاتالیستی سبب بالا رفتن درصد هیدروژن گازهاي خروجی از گازيساز و نیز بالا رفتن توان تولیدي میشود. تمام مطالعات انجام شده که در بالا به آنها ذکر شد واقعیات زیر را آشکار میکنند.
تلاش براي استفاده از دياکسیدکربن - به طور خالص یا به صورت مخلوطی از اکسیژن یا بخار - در فرآیند گازيسازي مواد اولیهي کربندار رو به افزایش است. استفاده از دياکسیدکربن به منظور گازيسازي سبب کاهش انتشار دياکسیدکربن به اتمسفر میباشد. استفاده از دياکسیدکربن در فرآیند گازيسازي میتواند سبب افزایش کارایی سیکلهاي تولید توان شود.
هدف از کار حاضر استفاده از یک مدل ترمودینامیکی به منظور تحلیل اگزرژي فرآیند گازيسازي مواد اولیهي کربندار با استفاده از دياکسیدکربن - به طور خالص یا به صورت مخلوطی از اکسیژن یا بخار - به عنوان عامل گازيساز میباشد. تاثیر پارامترهاي مختلفی نظیر نسبت مول دياکسیدکربن به مول کربن و دما بر روي بازده اگزرژي کل و اگزرژي کل گازهاي خروجی بررسی شدهاند.
-2 مدلسازي فرآیند گازيسازي
شکل 1 آرایش گازيسازها را به منظور مدلسازي نشان میدهد. همانطوري که از شکل مشخص است زیستتوده از یک طرف و عامل گازيسازي از طرف دیگر وارد گازيسازها میشود. به منظور مدلسازي گازيساز با عامل گازيسازي دي-اکسیدکربن خالص یا مخلوطی از دياکسیدکربن دياکسیدکربن و بخار آب یا اکسیژن، دماي خروجی گازيساز مشخص میشود و بنابراین مقدار گرماي ورودي به داخل گازيساز تعیین میشود که این مقدار گرما توسط گرماي حاصل از گازهاي خروجی گازيساز با عامل گازيسازي هوا تامین میشود. در نهایت گازهاي خروجی از دو گازي ساز میتواند در یک محفظه احتراق محترق شود. مدلسازي فرآیند گازيسازي بر اساس منیممسازي انرژي آزاد گیبس با استفاده از روش ضریب لاگرانژي انجام میشود . فرمولبندي این روش از مقالههاي 9]و[10 گرفته شده است. این روش انرژي گیبس کل سیستم را با استفاده از قید معادلات موازنهي جرمی کمینه میکند.
شکل 1 آرایش گازيسازهاي در نظر گرفته شده به منظور تحلیل گازيساز B
انرژي گیبس سیستم با استفاده از رابطهي زیر نشان داده میشود.
در رابطهي بالا Gt انرژي گیبس کل سیستم و ni تعداد مولهاي هر مولفه میباشد. بنابراین هدف در اینجا پیدا
T, P کردن ni هایی میباشد تا اینکه انرژي گیبس کل سیستم کمینه شود. در ابتدا موازنهي جرمی براي موادي که در سیستم حضور دارند تعریف میشود:
که aik تعداد اتمهاي k امین المان موجود در هر مولکول از i امین مولفهي شیمیایی، Ak کل اتمهاي موجود از k امین المان در سیستم و w تعداد کل اتمهاي موجود در سیستم است. در مرحلهي بعد ضرایب لاگرانژي k به معادلهي - 2 - وارد میشود که مطابق رابطهي زیر میباشد:
-3 ارزیابی صحت مدلسازي انجام شده
به منظور حصول اطمینان از درستی و صحت روش مدلسازي انجام شده، نتایج حاصل از این مدل با نتایج عددي موجود از کار دیگران براي گازيسازي با استفاده از هوا مقایسه گردیده است. این مقایسه در جدول 1 نشان داده شده است.
