亚洲免费av电影一区二区三区,日韩爱爱视频,51精品视频一区二区三区,91视频爱爱,日韩欧美在线播放视频,中文字幕少妇AV,亚洲电影中文字幕,久久久久亚洲av成人网址,久久综合视频网站,国产在线不卡免费播放

        ?

        CH4-O2/H2O(g)白云石煅燒與CO2富集系統(tǒng)研究

        2023-03-04 11:16:44蔣濱繁夏德宏
        輕金屬 2023年1期
        關(guān)鍵詞:煙氣效率工藝

        房 玉,蔣濱繁,2,夏德宏*

        (1.北京科技大學(xué) 能源與環(huán)境工程學(xué)院,北京 100083;2.冶金工業(yè)節(jié)能減排北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100083)

        我國(guó)原鎂產(chǎn)量占全球原鎂總產(chǎn)量的80%以上[1],穩(wěn)居世界第一。皮江法煉鎂是我國(guó)金屬鎂制備的主要方法,而白云石煅燒作為皮江法制鎂的第一步[2],原料分解反應(yīng)如下所示。

        CaCO3·MgCO3→CaO+MgO+2CO2

        白云石煅燒工藝中,由白云石分解產(chǎn)生的CO2占煅燒工藝CO2總產(chǎn)量的60%~70%[3]。以2020年為例,白云石分解造成的CO2排放約為17.6 Mt/a[4]。為了減少白云石煅燒工藝CO2排放,蔣濱繁[5]等人開(kāi)發(fā)了產(chǎn)物氣載熱循環(huán)的白云石煅燒工藝,通過(guò)CO2載熱為白云石分解供熱,保證窯頂煙氣中只含有CO2,經(jīng)除塵凈化即可實(shí)現(xiàn)CO2資源化回收。然而,該工藝中燃料燃燒產(chǎn)生的高溫?zé)煔馀c循環(huán)氣體間接換熱后直接排放,造成環(huán)境污染和能源浪費(fèi)。

        為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)白云石煅燒工藝的碳減排,本文采用氧-燃料燃燒技術(shù)[6-8]對(duì)系統(tǒng)不斷產(chǎn)生的CO2進(jìn)行富集和回收。該技術(shù)通常以再循環(huán)的CO2或H2O(g)代替空氣中的N2成分與純O2混合,與CH4等清潔碳?xì)淙剂线M(jìn)行燃燒,理論上完全燃燒后煙氣中只含有CO2和H2O(g)。吳鐵軍[9]等人將氧-燃料燃燒技術(shù)應(yīng)用到水泥窯工藝中,通過(guò)窯尾煙氣的再循環(huán),將煙氣中CO2濃度提高到了80%。

        因此,本文以豎窯工藝為基礎(chǔ),創(chuàng)建了基于CH4-O2/H2O(g)燃燒技術(shù)的白云石煅燒及其CO2富集系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了白云石分解和燃料燃燒產(chǎn)生CO2的全部富集。通過(guò)Aspen plus搭建了新工藝換熱網(wǎng)絡(luò),分析了H2O(g)摻入量對(duì)CO2分壓、CH4燃燒溫度及產(chǎn)品出爐溫度的影響,探究了熱效率、效率隨系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)的變化規(guī)律,并分別得到了以熱效率最高和效率最高為目標(biāo)的運(yùn)行參數(shù)。

        1 CH4-O2/H2O(g)白云石煅燒及其CO2富集系統(tǒng)工藝流程

        基于CH4-O2/H2O(g)燃燒技術(shù)的白云石煅燒及其CO2富集系統(tǒng)主要包括白云石煅燒豎窯、天然氣燒嘴、除塵凈化裝置、冷凝器、汽水分離器以及風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)等,如圖1所示。具體工藝流程如下:

        (1)CH4和O2/H2O(g)在燒嘴中進(jìn)行燃燒,產(chǎn)生的高溫?zé)煔釩O2和H2O(g)作為熱載體,通入豎窯煅燒段為白云石分解供熱,并與白云石分解產(chǎn)物氣CO2混合。在窯頂引風(fēng)機(jī)的作用下,經(jīng)過(guò)預(yù)熱段與未反應(yīng)的白云石逆流換熱后,從窯頂排出。

        (2)排出的CO2和H2O(g)經(jīng)除塵凈化,依次與助燃純O2、CH4進(jìn)行余熱回收,后經(jīng)汽水分離得到純凈的CO2和H2O(l),資源化回收全部CO2。

        (3)H2O(l)經(jīng)水泵鼓入豎窯冷卻段,與煅白進(jìn)行初步換熱,當(dāng)H2O(l)被加熱為飽和水蒸氣時(shí)排出。經(jīng)汽包再次通入豎窯冷卻段,進(jìn)一步加熱為過(guò)熱水蒸氣后排出,與純O2混合助燃。本文工藝中,參與白云石煅燒的H2O(g)為過(guò)熱水蒸氣狀態(tài)。

        本文以單爐產(chǎn)能為150 t/d的煅燒體系為例,系統(tǒng)的進(jìn)料及出料參數(shù)如表1所示。

        表1 CH4-O2/H2O(g)白云石煅燒及其CO2富集系統(tǒng)進(jìn)料及出料參數(shù)

        通過(guò)上述白云石煅燒工藝,實(shí)現(xiàn)了原料分解和燃料燃燒反應(yīng)產(chǎn)生的全部CO2富集和資源化回收,回收后的CO2可用作工業(yè)驅(qū)動(dòng)采油、制冷劑、化工原料等[5]。

        圖1 CH4-O2/H2O(g)白云石煅燒及其CO2富集系統(tǒng)物理模型

        2 理論方法與模型

        2.1 Aspen網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建

        本文通過(guò)Aspen plus搭建了新工藝換熱網(wǎng)絡(luò)?;瘜W(xué)計(jì)量反應(yīng)器(RSTOIC)[10]常被用來(lái)模擬燃料燃燒過(guò)程,本文用于模擬豎窯燒嘴;吉布斯自由能反應(yīng)器(RGIBBS)通過(guò)吉布斯自由能最小化來(lái)計(jì)算化學(xué)平衡[11],本文用來(lái)模擬豎窯煅燒段;換熱器HEATX用來(lái)模擬豎窯預(yù)熱段、冷卻段及外部冷凝器的換熱過(guò)程[12]。換熱網(wǎng)絡(luò)見(jiàn)圖2。

        圖2 白云石煅燒系統(tǒng)的Aspen plus換熱網(wǎng)絡(luò)

        本文搭建的新工藝中,CH4燃燒和白云石煅燒在高溫條件下進(jìn)行,且生成物為CO2和H2O(g)。因此,本文選取適用于高溫高壓模擬過(guò)程的PENG-ROB狀態(tài)方程[13],用于換熱網(wǎng)絡(luò)的模擬計(jì)算,且環(huán)境參考溫度和壓力分別為25℃及101.325 kPa。

        2.2 數(shù)學(xué)模型

        2.2.1 白云石分解過(guò)程

        白云石為復(fù)合碳酸鹽,其化學(xué)式可表示為CaMg(CO3)2或CaCO3·MgCO3,在豎窯中進(jìn)行兩步分解。

        CaCO3·MgCO3→CaCO3+MgO+CO2

        CaCO3→ CaO+CO2

        白云石分解需求熱通過(guò)式(1)計(jì)算。

        Endecom,CaCO3·MgCO3=nCaCO3·MgCO3·ΔHdecom

        (1)

        式中:ΔHdecom——白云石的分解熱,取值為277.7 kJ/mol[14]。

        白云石的起始分解溫度Tdecom與CO2分壓如式(2)、式(3)[15]所示。

        (2)

        (3)

        燃燒煙氣中CO2分壓和窯頂煙氣中CO2分壓通過(guò)公式(4)、式(5)計(jì)算。

        (4)

        (5)

        式中:nCO2,comb、nCO2,decom——燃料燃燒CO2產(chǎn)生量和白云石分解CO2產(chǎn)生量,mol/kg-CaMg(CO3)2;

        nH2O,comb——燃料燃燒H2O(g)產(chǎn)生量,mol/kg-CaMg(CO3)2;

        nH2O,in——H2O(g)摻入量,mol/kg-CaMg(CO3)2。

        2.2.2 氧-燃料燃燒過(guò)程

        O2/H2O(g)與CH4混合燃燒。燃燒反應(yīng)放熱通過(guò)式(6)計(jì)算。

        EnCH4,comb=nCH4·Qnet,CH4

        (6)

        式中:Qnet——CH4燃料低位發(fā)熱量,取值為890.31 kJ/mol。

        工藝啟動(dòng)時(shí),為了保證白云石分解完全,CH4燃料量應(yīng)滿足式(7)的能量守恒和式(8)的質(zhì)量守恒方程。

        mheat·Cp,heat·(Theat-Tdecom,CaCO3·MgCO3)

        =Endecom,CaCO3·MgCO3

        (7)

        mCH4+mO2=mheat

        (8)

        式中:mCH4、mO2、mheat——燃料CH4、助燃純O2和燃燒產(chǎn)物氣的質(zhì)量,kg/kg-CaMg(CO3)2;

        Cp,heat——比熱容,kJ/(kg/K);

        Theat——溫度,K。

        Aspenplus模擬過(guò)程中,O2體積分?jǐn)?shù)通過(guò)式(9)計(jì)算。

        (9)

        CH4絕熱燃燒溫度通過(guò)式(10)計(jì)算。

        (10)

        式中:QCH4、QO2、QH2O,in——CH4、O2和摻入H2O(g)的顯熱,kJ/kg-CaMg(CO3)2。

        2.2.3 豎窯換熱過(guò)程

        CO2和H2O(g)為白云石分解供熱后,在豎窯預(yù)熱段與白云石逆流換熱。產(chǎn)品出爐溫度根據(jù)勃·依·塔基[16]提出的逆流換熱交換式(11)、式(12)進(jìn)行計(jì)算。其中,關(guān)鍵參數(shù)ηg、ηs和ηg/s分別由式(13)、式(14)和式(15)進(jìn)行計(jì)算:

        (11)

        (12)

        (13)

        (14)

        (15)

        式中:v——煙氣流速,m/s;

        a——?dú)夤涛锪鲗?duì)流換熱系數(shù),W/(m2·K);

        λ——固體導(dǎo)熱系數(shù),W/(m·K);

        r——白云石半徑,m;

        ηg、ηs——?dú)怏w水當(dāng)量和固體水當(dāng)量,kg;

        ηg/s——?dú)怏w水當(dāng)量與固體水當(dāng)量的比值;

        Cp,g、Cp,s——?dú)怏w比熱容和固體比熱容,kJ/(kg·K);

        mg和ms——?dú)怏w流量和固體流量,kg。

        系統(tǒng)熱效率ηen通過(guò)式(16)計(jì)算。

        (16)

        (17)

        CH4燃燒化學(xué)為系統(tǒng)主要輸入,通過(guò)式(18)計(jì)算。

        Exch,fuel=0.95·Qh

        (18)

        式中:Qh——燃料高位發(fā)熱量,本文取值為894.4 kJ/mol。

        Exi=Exph,i+Exch,i

        (19)

        Exph,i=mi·[(Hi-H0)-T0(Si-S0)]

        (20)

        (21)

        式中:H0、Hi——摩爾焓,kJ/mol;

        S0、Si——摩爾熵,kJ/(mol·K);

        xi——物質(zhì)流中某物質(zhì)的摩爾分?jǐn)?shù);

        3 結(jié)果討論與分析

        3.1 系統(tǒng)能耗及CO2回收潛力分析

        在本文搭建的工藝中,以單爐產(chǎn)能為150 t/d的白云石煅燒體系為例,白云石入爐量為6250 kg/h,完全分解CO2產(chǎn)生量約為2988.75 kg/h。由式(1)、式(6)、式(7)計(jì)算得白云石完全分解所需的CH4燃燒量約為777.5 m3/h,燃燒CO2產(chǎn)生量約為1425.6 kg/h。白云石分解產(chǎn)生CO2及燃料燃燒產(chǎn)生CO2全部資源化富集及回收,回收量約為4415.35 kg/h。以2019年中國(guó)原鎂產(chǎn)量84.5萬(wàn)噸為例,本工藝具有約460萬(wàn)噸/年CO2的資源化回收潛力。

        3.2 H2O(g)摻入量對(duì)系統(tǒng)的影響

        3.2.1 H2O(g)摻入量對(duì)白云石分解溫度的影響

        CO2作為白云石分解產(chǎn)物,濃度過(guò)高會(huì)抑制分解反應(yīng)的正向進(jìn)行。H2O(g)摻入量的變化會(huì)影響燃燒煙氣中CO2的分壓,進(jìn)而影響白云石的初始分解溫度,分別通過(guò)式(4)、式(5)和式(2)、式(3)計(jì)算。

        圖3(a)為系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行后,燃燒煙氣CO2分壓及窯頂煙氣CO2分壓與H2O(g)摻入量的關(guān)系。當(dāng)H2O(g)摻入量從0增大到10.37 mol/(kg-CaMg(CO3)2)時(shí),燃燒產(chǎn)物氣中CO2分壓從0.33 atm降低到0.20 atm,窯頂煙氣CO2分壓從0.6 atm降低到0.44 atm。其中,窯頂煙氣中包含燃料燃燒產(chǎn)生的煙氣及白云石分解產(chǎn)生的CO2。

        圖3(b)為白云石起始分解溫度與CO2分壓的定量關(guān)系。圖中表明,MgCO3和CaCO3的初始分解溫度均隨CO2分壓的增大而增大。由圖3(b)可知,燃燒產(chǎn)物氣CO2分壓從0.20 atm增大到0.33 atm時(shí),對(duì)應(yīng)MgCO3的初始分解溫度從649 K增大到656 K,CaCO3的初始分解溫度從1068 K增大到1100 K。

        圖3 不同CO2分壓下白云石的分解特性

        除了影響CO2分壓,H2O(g)的摻入量還會(huì)影響O2/H2O(g)混合氣中O2體積分?jǐn)?shù),進(jìn)而影響燃料燃燒溫度。為了保證白云石完全分解,認(rèn)為燃燒供熱溫度比白云石理論初始分解溫度高150~200 K[5],且低于產(chǎn)品的燒結(jié)溫度,本文取最低供熱溫度為1373 K、最高供熱溫度為1673 K。為了保證白云石完全分解,由式(7)、式(8)計(jì)算得CH4燃燒量為5.184 mol/(kg-CaMg(CO3)2),助燃O2供入量為10.368 mol/(kg-CaMg(CO3)2)。由式(9)、式(10)計(jì)算得,當(dāng)H2O(g)摻入量從9.02 mol/(kg-CaMg(CO3)2)增加到9.64 mol/(kg-CaMg(CO3)2)時(shí),對(duì)應(yīng)的O2體積分?jǐn)?shù)從53.48%降低到51.81%,CH4絕熱燃燒溫度從1673 K降低到1373 K,為系統(tǒng)合理的運(yùn)行狀態(tài),后續(xù)計(jì)算以此為基礎(chǔ)。

        3.2.2 H2O(g)摻入量對(duì)產(chǎn)品出爐溫度的影響

        H2O(g)的摻入會(huì)影響豎窯氣體水當(dāng)量,進(jìn)而影響產(chǎn)品的出爐溫度。圖4(a)為豎窯氣固水當(dāng)量比與H2O(g)摻入量的定量關(guān)系。隨H2O(g)摻入量從9.02 mol/(kg-CaMg(CO3)2)增大到9.64 mol/(kg-CaMg(CO3)2),氣固水當(dāng)量比從3.88增大到8.47。Aspenplus模擬的產(chǎn)品出爐溫度隨豎窯氣固水當(dāng)量比的變化如圖4(b)所示,隨豎窯氣固水當(dāng)量比從3.88增大到8.47,窯頂產(chǎn)物氣出爐溫度從278.93℃提高到310.23℃、煅白出爐溫度從227.40℃提高到241.38℃、資源化CO2溫度從222.40℃提高到235.35℃。這是由于隨H2O(g)摻入量的增大,氣體水當(dāng)量增大,而固體水當(dāng)量不變,因此豎窯氣固水當(dāng)量比ηg/s增大,氣體出爐溫度升高。

        圖4 H2O(g)摻入量、不同氣固水當(dāng)量比與產(chǎn)品出爐溫度的關(guān)系

        圖5 豎窯不同區(qū)域溫度變化特征

        以CH4絕熱溫度為1673 K(氣固水當(dāng)量比為3.88)的白云石煅燒過(guò)程為例,聯(lián)合公式(11)~(15),計(jì)算得豎窯預(yù)熱段和冷卻段氣固物流溫度隨豎窯高度的變化關(guān)系。如圖5(a)、圖5(b)所示,預(yù)熱段混合氣CO2/H2O(g)出爐溫度約為550 K,冷卻段煅白出爐溫度約為500 K,與Aspenplus模擬結(jié)果接近。

        3.3 系統(tǒng)熱力學(xué)優(yōu)化

        H2O(g)摻入量的改變會(huì)引起系統(tǒng)換熱模塊邊界條件的變化,進(jìn)而改變系統(tǒng)的熱力學(xué)性能。本文以熱效率、效率為指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)系統(tǒng)能量利用數(shù)量和質(zhì)量,分別通過(guò)式(16)和式(17)計(jì)算。圖6為系統(tǒng)熱效率、效率隨CH4絕熱燃燒溫度的變化關(guān)系。隨著CH4絕熱燃燒溫度從1373 K增大到1673 K,系統(tǒng)熱效率約從68.95%增大到71.78%,系統(tǒng)效率從47.85%逐漸增大到51.93%,這是因?yàn)楫?dāng)H2O(g)摻入量減小時(shí),CH4燃燒溫度升高,氣固水當(dāng)量比減小,產(chǎn)品出爐溫度降低,對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)效率升高。然而,系統(tǒng)熱效率、效率在供熱溫度1373~1673 K內(nèi)存在不同的極值點(diǎn),因此在該區(qū)間探究了系統(tǒng)熱效率最高(f1=max ηen)和效率最高(f2=maxηex)對(duì)應(yīng)的運(yùn)行參數(shù)和熱力學(xué)結(jié)果,如表2所示。

        圖6系統(tǒng)熱效率和效率隨CH4絕熱燃燒溫度TH的變化

        熱力學(xué)優(yōu)化結(jié)果如表2所示:當(dāng)H2O(g)摻入量為9.02 mol/(kg-CaMg(CO3)2)、CH4燃燒溫度為1592 K時(shí),熱效率最高為71.88%;當(dāng)H2O(g)摻入量為9.24 mol/(kg-CaMg(CO3)2)、CH4燃燒溫度為1673 K時(shí),系統(tǒng)效率最高為51.93%。

        表2 熱力學(xué)優(yōu)化結(jié)果

        4 結(jié) 論

        本文針對(duì)傳統(tǒng)白云石煅燒工藝CO2排放嚴(yán)重、能耗高的問(wèn)題,提出了基于CH4-O2/H2O(g)燃燒技術(shù)的白云石煅燒及其CO2富集系統(tǒng),富集了白云石分解和燃料燃燒產(chǎn)生的全部CO2,實(shí)現(xiàn)CO2零排放。同時(shí),通過(guò)Aspen plus創(chuàng)建系統(tǒng)換熱網(wǎng)絡(luò),量化系統(tǒng)CO2富集能力的同時(shí),探究了系統(tǒng)熱效率和效率隨運(yùn)行參數(shù)的變化規(guī)律。

        (1)以單爐產(chǎn)能為150 t/d的白云石煅燒體系為例,白云石完全分解所需的CH4燃燒量約為777.5 m3/h,對(duì)應(yīng)白云石分解產(chǎn)生CO2及燃料燃燒產(chǎn)生CO2資回收量約為4415.35 kg/h。因此,本文搭建的白云石煅燒工藝具有約460萬(wàn)噸/年的CO2資源化回收潛力。

        (2)系統(tǒng)熱力學(xué)分析結(jié)果表明:當(dāng)燃料需求量一定時(shí),隨著H2O(g)摻入量的增大,燃料燃燒溫度降低、燃燒煙氣中CO2分壓減小、豎窯氣固水當(dāng)量增大、產(chǎn)品出爐溫度升高、系統(tǒng)熱效率和效率降低。當(dāng)H2O(g)摻入量為9.02 mol/(kg-CaMg(CO3)2)、CH4絕熱燃燒溫度為1592 K時(shí),系統(tǒng)熱效率最高為71.88%;當(dāng)H2O(g)摻入量為9.24 mol/(kg-CaMg(CO3)2)、CH4絕熱燃燒溫度為1673 K時(shí),系統(tǒng)效率最高為51.93%。相較于傳統(tǒng)白云石煅燒工藝,系統(tǒng)熱效率、效率分別提高約8.28%、16.23%。

        猜你喜歡
        煙氣效率工藝
        固體吸附劑脫除煙氣中SOx/NOx的研究進(jìn)展
        化工管理(2022年13期)2022-12-02 09:21:52
        提升朗讀教學(xué)效率的幾點(diǎn)思考
        甘肅教育(2020年14期)2020-09-11 07:57:42
        轉(zhuǎn)爐高效復(fù)合吹煉工藝的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用
        山東冶金(2019年6期)2020-01-06 07:45:54
        5-氯-1-茚酮合成工藝改進(jìn)
        基于參數(shù)自整定模糊PID的SCR煙氣脫硝控制
        基于非分散紫外吸收法的便攜式煙氣分析儀在煙氣二氧化硫監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用研究
        一段鋅氧壓浸出與焙燒浸出工藝的比較
        跟蹤導(dǎo)練(一)2
        “錢”、“事”脫節(jié)效率低
        絡(luò)合鐵脫硫工藝在CK1井的應(yīng)用
        巨爆乳中文字幕爆乳区| 欧美丰满熟妇bbbbbb| 欧美性猛交xxxx乱大交3| 欧美日韩不卡中文字幕在线| 成人免费丝袜美腿视频| 日韩女同在线免费观看| 色五月丁香五月综合五月| 欧美成a人片在线观看久| 亚洲一区二区久久青草| 中文字幕人妻av一区二区| 中国女人内谢69xxxxxa片| 国产精品美女久久久久久久久| 日本一区二区三区中文字幕最新| 亚洲一区久久蜜臀av| 天天摸天天做天天爽水多| 日韩无套内射视频6| 无码一区二区三区人| 国产亚洲欧美在线播放网站| 97中文乱码字幕在线| 人妻体内射精一区二区三区 | 亚洲一区二区在线观看免费视频 | 色播视频在线观看麻豆| 国产精品美女久久久久av福利| 亚洲男人av香蕉爽爽爽爽| 日本精品久久性大片日本| 日韩精品人妻系列中文字幕| 成人欧美一区二区三区| 国产香蕉尹人在线视频播放| av在线网站一区二区| 成年av动漫网站18禁| 日日av拍夜夜添久久免费| 国产呦系列视频网站在线观看| 日韩精品中文字幕一区二区| 国产精品www夜色视频| 欧美国产亚洲日韩在线二区| 亚洲天堂色婷婷一区二区| 女人无遮挡裸交性做爰| 精品无码国产自产野外拍在线| 538亚洲欧美国产日韩在线精品 | 久久精品国产一区二区涩涩| 91九色成人蝌蚪首页|