本發明涉及能源,尤其涉及一種基于comsol數值模擬的協同熱解焦油預測方法。
背景技術:
1、煤炭是我國的主要能源,其產量與消費量均占一次能源的主體地位,其中低階煤的儲量和產量均達50%以上,其直接利用會導致嚴重的資源浪費和環境污染。以熱解技術為核心的低階煤分級分質利用是實現煤炭資源清潔高效轉化的有效技術路線之一。焦油是該技術的重要高附加值產品,但由于低階煤h/c原子比較低,其單獨熱解的焦油產率較低。現有技術表明廢塑料可作為煤熱解的優秀供氫體,在低階煤熱解過程中加入一定量的廢塑料可以有效提高焦油產率,二者共熱解存在明顯的正向協同效應。以焦油產率作為協同效應的量化指標,可以對該技術的應用起到指導作用。因此若能獲得不同工況下的焦油產率,即可探究最佳的熱解原料和條件,為發展廢塑料與煤協同熱解制備高品質焦油技術提供有益參考。
2、但實際試驗中,由于原料和熱解工況的組合繁多,準確獲取不同工況下焦油產率所需的時間和成本較高。隨著科技進步,機器學習的方法得到了越來越多的應用,它可以從簡單的試驗值開始,快速研究潛在的復雜非線性關系,構建產物預測模型。然而,在數據的來源方面,由于煤與廢塑料協同熱解產焦油涉及到反應物的不同品種以及摻混比例的問題,單一的實驗方法無法對其工況進行完整覆蓋,仍需借助數值模擬手段進行填補數據空缺。
技術實現思路
1、發明目的:本發明的目的是提供了一種基于comsol數值模擬的協同熱解焦油預測方法,以解決現有技術方法中存在的成本過高、時間長、無法準確獲知焦油產率與反應物組合、實驗條件間關系等問題。
2、技術方案:本發明所述的一種基于comsol數值模擬的協同熱解焦油預測方法,包括如下步驟:
3、(1)獲取煤與廢塑料協同熱解實驗不同工況下焦油產率相關數據;
4、(2)利用comsol進行煤與廢塑料協同熱解的多工況數值模擬形成數據庫;
5、(3)基于數據庫與推薦算法構建煤與廢塑料協同熱解焦油最優產率組合的預測模型。
6、進一步的,步驟(1)具體如下:首先根據煤單獨熱解的焦油產率確定最佳熱解溫度,然后進行煤與廢塑料的協同熱解實驗,通過改變煤與廢塑料各自不同品種的組合、煤與廢塑料的摻混比例、單獨煤熱解最佳反應溫度±30%溫度區間內的協同熱解溫度,進行煤與廢塑料協同熱解產焦油實驗;其中,煤與廢塑料協同熱解試驗由配氣系統、加熱爐體、溫控裝置、保溫裝置和焦油冷凝收集裝置組成。
7、進一步的,實驗具體流程如下:首先,對煤種與廢塑料進行成分測定,獲得兩者各自的灰分、揮發分、固定碳、c、h、o反應成分的含量;其次,摻混比例由100%煤的單獨熱解確定焦油產率最佳熱解溫度范圍;然后,以20%的比例逐級摻混廢塑料,最終以80%廢塑料與20%煤摻混比例收尾;同一組煤與廢塑料組合下的實驗,由煤單獨熱解溫度為初始反應條件,±30%溫度區間內按10%的級差對同組協同熱解實驗進行實驗擴充,形成-30%、-20%、-10%、單熱解最佳溫度、+10%、+20%、+30%7組數據。
8、進一步的,所述步驟(2)具體如下:首先,對加熱爐體進行三維建模,基于comsolmultiphysics模擬軟件對煤與廢塑料協同熱解爐進行網格劃分,同時進行網格質量檢驗;其次,從步驟(1)中得到的數據抽取5組實驗工況對數值模擬的模型進行驗證并校準,獲得滿足實驗精度的數值模擬三維數理模型;最后,選取實驗工況之外的煤種與廢塑料,對實驗工況進行擴充,同時遵循溫度區間劃分原則,對同組反應進行7組數值試驗,選取最佳煤與廢塑料協同熱解焦油產率下的組合并保存,與實驗中獲得的數據形成數據庫。
9、進一步的,所述步驟(3)具體如下:基于實驗與數值模擬的數據庫、model-based協同過濾算法構建模型,具體如下:首先,將煤、廢塑料、反應條件作為3個不同維度,焦油產率作為評估指標;其中,煤與廢塑料各自有灰分、揮發分、固定碳、c、h、o作為維度中的6個參數;反應條件中的摻混比例、反應溫度作為維度中的其他2個參數;然后,對三維度進行賦值,x對應煤、y對應廢塑料、z對應反應條件,產率r=(x,y,z),即一個煤種+一種廢塑料+一個反應條件下對應一個產率,獲得煤與廢塑料協同熱解焦油最優產率組合的預測模型。
10、本發明所述的一種基于comsol數值模擬的協同熱解焦油預測系統,包括:
11、數據模塊:用于獲取煤與廢塑料協同熱解實驗不同工況下焦油產率相關數據;
12、模擬模塊:用于利用comsol進行煤與廢塑料協同熱解的多工況數值模擬形成數據庫;
13、預測模塊:用于基于數據庫與推薦算法構建煤與廢塑料協同熱解焦油最優產率組合的預測模型。
14、進一步的,數據模塊中,具體如下:首先根據煤單獨熱解的焦油產率確定最佳熱解溫度,然后進行煤與廢塑料的協同熱解實驗,通過改變煤與廢塑料各自不同品種的組合、煤與廢塑料的摻混比例、單獨煤熱解最佳反應溫度±30%溫度區間內的協同熱解溫度,進行煤與廢塑料協同熱解產焦油實驗;其中,煤與廢塑料協同熱解試驗由配氣系統、加熱爐體、溫控裝置、保溫裝置和焦油冷凝收集裝置組成。
15、進一步的,實驗具體流程如下:首先,對煤種與廢塑料進行成分測定,獲得兩者各自的灰分、揮發分、固定碳、c、h、o反應成分的含量;其次,摻混比例由100%煤的單獨熱解確定焦油產率最佳熱解溫度范圍;然后,以20%的比例逐級摻混廢塑料,最終以80%廢塑料與20%煤摻混比例收尾;同一組煤與廢塑料組合下的實驗,由煤單獨熱解溫度為初始反應條件,±30%溫度區間內按10%的級差對同組協同熱解實驗進行實驗擴充,形成-30%、-20%、-10%、單熱解最佳溫度、+10%、+20%、+30%7組數據。
16、進一步的,,模擬模塊中,具體如下:首先,對加熱爐體進行三維建模,基于comsolmultiphysics模擬軟件對煤與廢塑料協同熱解爐進行網格劃分,同時進行網格質量檢驗;其次,從步驟(1)中得到的數據抽取5組實驗工況對數值模擬的模型進行驗證并校準,獲得滿足實驗精度的數值模擬三維數理模型;最后,選取實驗工況之外的煤種與廢塑料,對實驗工況進行擴充,同時遵循溫度區間劃分原則,對同組反應進行7組數值試驗,選取最佳煤與廢塑料協同熱解焦油產率下的組合并保存,與實驗中獲得的數據形成數據庫。
17、進一步的,預測模塊中,具體如下:基于實驗與數值模擬的數據庫、model-based協同過濾算法構建模型,具體如下:首先,將煤、廢塑料、反應條件作為3個不同維度,焦油產率作為評估指標;其中,煤與廢塑料各自有灰分、揮發分、固定碳、c、h、o作為維度中的6個參數;反應條件中的摻混比例、反應溫度作為維度中的其他2個參數;然后,對三維度進行賦值,x對應煤、y對應廢塑料、z對應反應條件,產率r=(x,y,z),即一個煤種+一種廢塑料+一個反應條件下對應一個產率,獲得煤與廢塑料協同熱解焦油最優產率組合的預測模型。
18、有益效果:與現有技術相比,本發明具有如下顯著優點:通過實驗與數值模擬結合的方法,將數據源的準確性提高、覆蓋性進一步提升,獲取多種煤-廢塑料熱解組合數據,并以此形成數據庫;按照實驗條件構建預測模型,基于協同過濾算法獲得不同煤種所對應最佳熱解焦油產率的廢塑料品種及摻混等反應條件組合。