سوخت و احتراق

سوخت و احتراق

On a Numerical Model for Gasification of Biomass Materials: An Alternative Method to Combustion

نویسندگان
مهدی واعظی
محمود پسندیده فرد
محمد مقیمان
گروه مهندسی مکانیک، دانشکده مهندسی، دانشگاه فردوسی مشهد
چکیده
In this paper, a thermochemical equilibrium model is used to predict the performance of a downdraft biomass gasifier. Numerical results are shown to be in good agreement with those of the experiments. Different biomass materials are tested using the model, and forest residual is shown to be the most energetic one. For this material, the gasification temperature, syngas composition and calorific value are calculated. The effects of moisture content, air/fuel ratio, air inlet temperature and steam/fuel ratio are also investigated. The air inlet temperature is found to be the only way to increase syngas calorific value and cold gas efficiency. The steam/fuel ratio, on the other hand, plays a key role in controlling the gasification temperature and H2/CO ratio.
کلیدواژه‌ها
gasification
Thermochemical Equilibrium
Numerical modeling
Renewable Energy
Biomass

مقاله حاضر به ارائه یک مدل عددی بر پایه تعادل ترموشیمیایی پرداخته و با بهره­گیری از آن، عملکرد یک رآکتور  گازی­سازی پایین­سو را پیش­بینی کرده است. داده­های عددی حاصل، در مقایسه با نتایج تجربی، از دقت قابل قبولی برخوردارند. در جریان شبیه­سازی فرایند گازی­سازی به کمک مدل عددی تولید شده، زیست توده­های متنوعی مورد ارزیابی قرار گرفتند که در میان آن­ها، پسماندهای جنگلی به عنوان انرژی­زاترین زیست توده برگزیده شدند و مطالعات مربوط به سنجش عملکرد رآکتور، بر روی آن­ها انجام گرفت. در جریان مطالعات، تاثیر شرایط عملیاتی شامل محتوای رطوبت، نسبت بخار به سوخت، نسبت هوا به سوخت و دمای هوای ورودی بر مشخصه­های گازی­سازی مورد سنجش قرار گرفت. مشخصه­های گازی­سازی مورد اشاره عبارت بودند از: دمای گازی­سازی، ترکیب مولفه­های گاز سنتزی و ارزش گرمایی گاز سنتزی. در این میان آشکار شد که تغییر دمای هوای ورودی، یگانه روش افزایش همزمان ارزش گرمایی گاز سنتزی و راندمان گازی­سازی است. از سوی دیگر مشخص شد که نسبت بخار به سوخت، نقشی کلیدی در کنترل دمای گازی­سازی و تنظیم نسبت هیدروژن به مونواکسیدکربن بر عهده دارد. مدل عددی تولید شده را می­توان به عنوان ابزاری برای طراحی شرایط اولیه و عملیاتی رآکتورهای گازی­سازی، هم­چنین به منظور بهینه­سازی عملکرد آن­ها به کار گرفت.

 

1.     Morris, M., and Waldheim, L., “Energy Recovery from Solid Waste Fuels Using Advanced Gasification Technology,” Waste  Management, Vol. 18, pp. 557-564, 1998.
2.     Jayah, T. H., Aye, Lu., Fuller, R. J., and Stewart, D. F., “Computer Simulation of a Downdraft Wood Gasifier for Tea Drying,” Biomass & Bioenergy, Vol. 25, pp. 459-469, 2003.
3.     Di Blasi, C., “Dynamic Behavior of Stratified Downdraft Gasifiers,” Chemical Engineering Science, Vol. 55, pp. 2931-2944, 2000. 
4.     Altafini, C. R., Wander, P. R., and Barreto, R. M., “Prediction of Working Parameters of a Wood Waste Gasifier Through an Equilibrium Mmodel,” Energy Conversion & Management, Vol. 44, pp. 2763-2777, 2003.
5.     Chowdhury, R., Bhattacharya, P., and Chakravarty, M., “Modeling and Simulation of a Downdraft Rice Husk Gasifier,” Energy Res, Vol. 18, pp. 581-594, 1994.
6.     Altafini, C. R., “A Chemical Equilibrium Model of the Coal Gasification Process Bbased on the Minimization of the Gibbs Free Energy,” Florence World Energy Research Symposium, Florence, Italy, pp. 419-427, 1997.
7.     Ruggiero, M., and Manfrida, G., “An Equilibrium Model for Biomass Ggasification Process,” Renew Energy, Vol. 16, pp. 1106-1109, 1999.
8.     Li, X., Grace, J. R., Watkinson, A. P., Lim, C. J., and Ergudenler, A., “Equilibrium Modeling of Gasification: a Free Energy Minimization Approach and its Application to a Circulating Fluidized Bed Coal Gasifier,” Fuel, Vol. 80, pp.195-207, 2001.
9.     Zainal, Z. A., Ali, R., Lean, C. H., and Seetharamu, K. N., “Prediction of Performance of a Downdraft Gasifier Using Equilibrium Modeling for Different Biomass Materials,” Energy Conversion & Management, Vol. 42, pp. 1499-1515, 2001.
10.  Lapuerta, M., Hernandez, J., Tinaut, F. V., and Horillo, A., “Thermochemical Behaviour of Producer Gas from Gsification of Lignocellulosic Biomass in SI Engines,” SAE Paper series, 2001.
11.  Schuster, G., Offler, G., Weigl, K., and Hofbauer, H., “Biomass Steam Gasification - an Extensive Parametric Modeling Study,” Bioresour Technol, Vol. 77, pp. 71-79, 2001.
12.  Zainal, Z. A., Ali, R., Quadir, G. A., and Seetharamu, K. N., “Experimental Investigation of a Downdraft Bbiomass Gasifier,” Biomass & Bioenergy, Vol. 23, pp. 283-289, 2002.
13.  Borman, G. L., and Ragland, K. W., Combustion Engineering, New York, McGraw Hill, 1998.
14.  de Souza-Santos, M., Solid Fuels Combustion and Gasification-Modeling Simulation and Equipment Operation, NewYork, Marcel Dekker Inc, 2004.
15.  Higman, C.,  and Van der Burgt, M., Gasification, USA, Gulf Professional Pub, 2003.
16.  Jarungthammachote, S., and Dutta, A., “Thermodynamic Equilibrium Model and Second Law Analysis of a Downdraft Waste Gasifier,” Energy, Vol. 32, pp. 1660-1669, 2007.
17.  Perry, R. H., and Green, D. W., Perry's Chemical Engineers' Handbook, New York, McGraw Hill, 1999.
18.  Miles, T. R., Baxter, L. L., Bryers, R. W., Jenkins, B. M., and Oden, L. L., Alkali Deposits Found in Biomass Power Plants: A Preliminary Investigation of Their Extent and Nature, National Renewable Energy Laboratory, 1995.