FASE | 前沿研究：以牛粪为原料的生物质气化过程模拟研究

论文标题：NUMERICAL MODELING OF BIOMASS GASIFICATION USING COW DUNG AS FEEDSTOCK(以牛粪为原料的生物质气化过程模拟研究)

期刊：Frontiers of Agricultural Science & Engineering

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

发表时间：15 Sep 2023

DOI：10.15302/J-FASE-2023500

畜禽废弃物资源化与碳中和

Valorization of Livestock Waste and Carbon Neutrality

专 辑 文 章 介 绍

· 第九篇 ·

▎论文ID

Numerical modeling of biomass gasification using cow dung as feedstock

以牛粪为原料的生物质气化过程模拟研究

发表年份：2023年

第一作者：张亚军

通讯作者：姚森

：yaosen@henau.edu.cn

作者单位：河南农业大学机电工程学院，农业农村部可再生能源新材料与装备重点实验室

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 ·

河南农业大学胡建军教授团队研究生张亚军和姚森副教授等人，利用Aspen Plus软件，基于吉布斯自由能最小化，建立针对牛粪热解气化过程的生物质气化模型并开展了相关研究。通过改变气化温度、蒸汽/生物质比和压力等参数来评估所得合成气的H2/CO比和低热值（LHV）。模拟结果表明，气化温度的升高有利于H2和CO含量的提升，H2在900 ℃时达到峰值。蒸汽作为气化剂时，H2产量增高，但是，蒸汽/生物质比的增加会对降低产物中CO和CH4的比例，导致LHV降低。

· 文 章 亮 点 ·

1. 使用Aspen Plus软件评估牛粪的热解气化过程。

2. 利用最佳反应条件使产氢量最大化。

3. 以水蒸气为气化剂能有效地提高氢气产量。

4. 存在最优的反应条件以平衡产物气体的H2/CO比和低热值的悖论。

· Graphical abstract ·

· 研 究 内 容 ·

▎研究背景

畜禽粪便是畜牧业的废弃产物，与其他生物质相比较，其产量不受天气、季节变化等影响，且具有再生性强、资源丰富等特点。畜禽粪便大多具有高水分含量，也可以有效地促进蒸汽气化，从而达到更高的氢气产量。因此使用畜禽粪便作为气化原料具有很高的前景，并且能有效的缓解化石能源带来的环境污染问题。

气化过程的复杂性和可变性导致实验中气化装置的结构复杂。同时，该工艺受到现场试验条件和气化装置的限制，难以完全掌握气化特性。然而，模拟方法的分析和预测可以有效地弥补实验系统中的固有缺陷。因此，开发气化模型有助于优化气化过程。本研究使用Aspen Plus软件评估畜禽粪便的气化过程，在不同操作条件下（温度、蒸汽/生物质比、压力）进行研究，以优化气化过程中的关键参数从而产生最佳的气化产物，并将模型的数据与实验数据进行比较来反映模型的可靠性。

▎模型简介

本文利用热解（RYield）和气化（RGibbs）两个反应器对粪便气化过程进行模拟。RYield反应器模块是一个简单的计算收率的反应器，它的作用是将粪便分解成单元素分子。RGibbs反应器模块是基于Gibbs自由能最小化原理的气化反应器，它的作用是处理粪便的燃烧和还原。气化过程的流程图如图1所示。

畜禽粪便原料在系统中被视为非常规组分，首先进入到RYield模块中进行热解，热解的产物为常规的单元素分子（C、H2、O2、N2、S、H2O和灰分）。然后与蒸汽一同进入RGibbs反应器中进行气化，气化产物经旋风分离器分离出灰分，并经过闪蒸得到干燥合成气和水蒸气。

· 结 论 ·

本文探讨了气化温度、蒸汽/生物质比、压力对合成气的组成影响以得到最佳的操作条件，并通过研究合成气的热值和H2/CO比来探讨合成气的品质。结果表明：（1）气化温度为900 ℃，蒸汽/生物质比为1.0，压力为一个大气压0.1 Mpa时，是最适合生物质气化的工艺条件。（2）提高温度会降低H2/CO比，而提高蒸汽/生物质比会提高H2/CO比。相对来说提高蒸汽/生物质比的影响结果更大，因为H2O可以为反应提供更多的H2来源。（3）合成气的LHV随温度升高呈上升趋势，这与吸热的boudouard反应和水气变换反应有关。（4）开发的模型可用于其他生物质原料预测合成气组成，也可以允许开发有关改进生物质气化过程的其他研究。