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 ·

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　　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·

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　　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·

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·研 究 内 容·

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　　▎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。

图1 生物质气化流程图。

　　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·

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　　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。

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