FASE | 前沿研究：以牛糞為原料的生物質(zhì)氣化過程模擬研究

論文標題：NUMERICAL MODELING OF BIOMASS GASIFICATION USING COW DUNG AS FEEDSTOCK(以牛糞為原料的生物質(zhì)氣化過程模擬研究)

期刊：Frontiers of Agricultural Science & Engineering

作者：Yajun ZHANG, Sen YAO, Jianjun HU, Jiaxi XIA, Tao XIE, Zhibin ZHANG, Hai LI

發(fā)表時間：15 Sep 2023

DOI：10.15302/J-FASE-2023500

畜禽廢棄物資源化與碳中和

Valorization of Livestock Waste and Carbon Neutrality

專 輯 文 章 介 紹

· 第九篇 ·

▎論文ID

Numerical modeling of biomass gasification using cow dung as feedstock

以牛糞為原料的生物質(zhì)氣化過程模擬研究

發(fā)表年份：2023年

第一作者：張亞軍

通訊作者：姚森

：yaosen@henau.edu.cn

作者單位：河南農(nóng)業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部可再生能源新材料與裝備重點實驗室

Cite this article :

Yajun ZHANG, Sen YAO, Jianjun HU, Jiaxi XIA, Tao XIE, Zhibin ZHANG, Hai LI. NUMERICAL MODELING OF BIOMASS GASIFICATION USING COW DUNG AS FEEDSTOCK. Front. Agr. Sci. Eng., 2023, 10(3): 458–467 https://doi.org/10.15302/J-FASE-2023500

· 文 章 摘 要 ·

河南農(nóng)業(yè)大學(xué)胡建軍教授團隊研究生張亞軍和姚森副教授等人，利用Aspen Plus軟件，基于吉布斯自由能最小化，建立針對牛糞熱解氣化過程的生物質(zhì)氣化模型并開展了相關(guān)研究。通過改變氣化溫度、蒸汽/生物質(zhì)比和壓力等參數(shù)來評估所得合成氣的H2/CO比和低熱值（LHV）。模擬結(jié)果表明，氣化溫度的升高有利于H2和CO含量的提升，H2在900 ℃時達到峰值。蒸汽作為氣化劑時，H2產(chǎn)量增高，但是，蒸汽/生物質(zhì)比的增加會對降低產(chǎn)物中CO和CH4的比例，導(dǎo)致LHV降低。

· 文 章 亮 點 ·

1. 使用Aspen Plus軟件評估牛糞的熱解氣化過程。

2. 利用最佳反應(yīng)條件使產(chǎn)氫量最大化。

3. 以水蒸氣為氣化劑能有效地提高氫氣產(chǎn)量。

4. 存在最優(yōu)的反應(yīng)條件以平衡產(chǎn)物氣體的H2/CO比和低熱值的悖論。

· Graphical abstract ·

· 研 究 內(nèi) 容 ·

▎研究背景

畜禽糞便是畜牧業(yè)的廢棄產(chǎn)物，與其他生物質(zhì)相比較，其產(chǎn)量不受天氣、季節(jié)變化等影響，且具有再生性強、資源豐富等特點。畜禽糞便大多具有高水分含量，也可以有效地促進蒸汽氣化，從而達到更高的氫氣產(chǎn)量。因此使用畜禽糞便作為氣化原料具有很高的前景，并且能有效的緩解化石能源帶來的環(huán)境污染問題。

氣化過程的復(fù)雜性和可變性導(dǎo)致實驗中氣化裝置的結(jié)構(gòu)復(fù)雜。同時，該工藝受到現(xiàn)場試驗條件和氣化裝置的限制，難以完全掌握氣化特性。然而，模擬方法的分析和預(yù)測可以有效地彌補實驗系統(tǒng)中的固有缺陷。因此，開發(fā)氣化模型有助于優(yōu)化氣化過程。本研究使用Aspen Plus軟件評估畜禽糞便的氣化過程，在不同操作條件下（溫度、蒸汽/生物質(zhì)比、壓力）進行研究，以優(yōu)化氣化過程中的關(guān)鍵參數(shù)從而產(chǎn)生最佳的氣化產(chǎn)物，并將模型的數(shù)據(jù)與實驗數(shù)據(jù)進行比較來反映模型的可靠性。

▎模型簡介

本文利用熱解（RYield）和氣化（RGibbs）兩個反應(yīng)器對糞便氣化過程進行模擬。RYield反應(yīng)器模塊是一個簡單的計算收率的反應(yīng)器，它的作用是將糞便分解成單元素分子。RGibbs反應(yīng)器模塊是基于Gibbs自由能最小化原理的氣化反應(yīng)器，它的作用是處理糞便的燃燒和還原。氣化過程的流程圖如圖1所示。

畜禽糞便原料在系統(tǒng)中被視為非常規(guī)組分，首先進入到RYield模塊中進行熱解，熱解的產(chǎn)物為常規(guī)的單元素分子（C、H2、O2、N2、S、H2O和灰分）。然后與蒸汽一同進入RGibbs反應(yīng)器中進行氣化，氣化產(chǎn)物經(jīng)旋風(fēng)分離器分離出灰分，并經(jīng)過閃蒸得到干燥合成氣和水蒸氣。

· 結(jié) 論 ·

本文探討了氣化溫度、蒸汽/生物質(zhì)比、壓力對合成氣的組成影響以得到最佳的操作條件，并通過研究合成氣的熱值和H2/CO比來探討合成氣的品質(zhì)。結(jié)果表明：（1）氣化溫度為900 ℃，蒸汽/生物質(zhì)比為1.0，壓力為一個大氣壓0.1 Mpa時，是最適合生物質(zhì)氣化的工藝條件。（2）提高溫度會降低H2/CO比，而提高蒸汽/生物質(zhì)比會提高H2/CO比。相對來說提高蒸汽/生物質(zhì)比的影響結(jié)果更大，因為H2O可以為反應(yīng)提供更多的H2來源。（3）合成氣的LHV隨溫度升高呈上升趨勢，這與吸熱的boudouard反應(yīng)和水氣變換反應(yīng)有關(guān)。（4）開發(fā)的模型可用于其他生物質(zhì)原料預(yù)測合成氣組成，也可以允許開發(fā)有關(guān)改進生物質(zhì)氣化過程的其他研究。