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FASE 前沿研究:以牛粪为原料的生物质气化过程模拟研究

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

  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)。模拟根据结果得出,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。

  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,也可以轻松又有效地促进蒸汽气化,进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备极高的前景,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较为复杂。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轻松又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由此产生最佳的气化产物,并将模型的数据与实验数据来进行比较来反映模型的可靠性。

  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。

  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。根据结果得出:(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随温度上升呈上涨的趋势,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。