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

·第八篇·

　　▎论文ID

　　Simulation of O2-blown co-gasification of wood chip and potato peel for producing syngas

　　木屑和马铃薯皮吹氧共气化生产合成气的模拟研究

　　发表年份：2023年

　　第一作者：胡玉琳

　　通讯作者：胡玉琳

　　✉：yulinhu@upei.ca

　　作者单位：加拿大爱德华王子岛大学可持续设计工程学院

　　Cite this article : 

　　Yulin HU, Kang KANG, Iker Zulbaran ALVAREZ, Nasim MIA, Aadesh RAKHRA. SIMULATION OF O2-BLOWN CO-GASIFICATION OF WOOD CHIP AND POTATO PEEL FOR PRODUCING SYNGAS. Front. Agr. Sci. Eng., 2023, 10(3): 448‒457 https://doi.org/10.15302/J-FASE-2023490

·文 章 摘 要·

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　　马铃薯在加拿大是第五大农产品，由此产生了大量的马铃薯皮。然而，由于严格的环境法规，且缺乏合适的马铃薯皮回收和增值方法，因此，处理和回收这些果皮是一个挑战。共气化技术使用木屑和马铃薯皮混合制取合成气，是一种生态友好且具有成本效益的马铃薯皮增值方式。本研究使用Aspen Plus软件模拟了木屑与马铃薯皮共气化过程，调查了气化温度和木屑/马铃薯皮比对碳转化效率（CCE）、产物气体组分及产物低位热值（LHV）的影响。模拟结果表明，共气化过程中，木屑和马铃薯皮协同作用增强了CCE。随着木屑占比增加（0–100%），产物气体H2和CO的摩尔分数及产物LHV则不断下降。因此，本文提出共气化生产合成气是马铃薯皮循环利用和增值的可行且环保的方案。

·文 章 亮 点·

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　　1.木屑和马铃薯皮等低价值生物废物可以被转化为合成气。

　　2.模拟了木屑和马铃薯皮的吹氧共气化。

　　3.研究了不同反应条件对碳转化效率、气体成分组成和产物低位热值的影响。

　　4.发现木屑和马铃薯皮在共气化中存在积极的协同作用。

·Graphical abstract·

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·研 究 内 容·

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　　▎引言

　　生物质气化是一种有巨大潜力的制氢技术，可以减少对化石燃料的依赖，同时可解决环境问题。气化是一种热化学转化方法，将生物质转化为合成气（H₂和CO等）。图1为生物质气化的示意图。气体的化学组成、产量、热值及碳转化效率取决于反应器配置、气化温度、当量比、气化剂和原料特性。通过适当的下游处理可以生产高纯度的氢气。

图1 生物质气化的示意图。

　　近年来，加拿大每年大约58%的食品被浪费，导致56.6 Mt的CO₂排放和超过490亿美元的经济损失。马铃薯消费的急剧增加，导致大量马铃薯皮成为工业废物，处理和回收受到法规限制。据估计，全球每年产生70–140 kt马铃薯皮，通常是填埋或用作动物饲料来处理，但其附加价值有限。为了应对这一全球性挑战，利用马铃薯皮作为一种有价值的资源来生产增值生物产品具有相当大的潜力。将马铃薯皮转化为生物能源和生物燃料，其优点包括：（1）反应速度快，（2）能够处理各种类型的原料，（3）具有生产其他有价值的生物产品的潜力。

　　与气化不同，共气化过程中使用多种原料，这对氢气产量和热值具有积极影响。在实际应用场景中，很少有关于马铃薯皮与其它生物废物在共气化过程中产生合成气的协同作用研究。因此，本研究使用Aspen Plus模拟软件模拟木屑和马铃薯皮的共气化，研究气化温度和质量比对碳转化效率、产物气体组成和热值的影响。这项研究不仅为处理大量厨余垃圾提供了一种生态友好型解决方案，还为生产合成气和氢气提供了一种替代技术。

　　▎方法和过程描述

　　在本研究中，该模型使用Aspen Plus进行气化和共气化模拟，包括三个主要阶段：(1) 在进料之前预干燥，降低原料的湿度，(2) 预干燥的原料在热解/脱挥发反应器中分解为挥发性物质和热炭，(3) 通过燃烧和还原生产气态产物。Aspen Plus 仿真模型首先对单一原料（木屑和马铃薯皮）进行气化模拟，然后扩展到两者的共气化。模拟采用了等效比值为0.3的固定值，计算了碳转化效率和产物气体的低位热值。图2和图3分别给出了Aspen Plus模拟单一原料气化和两种原料共气化的详细示意图。需要注意的是，模拟中使用了预干燥的生物质，根据碳转化效率评估木屑或马铃薯皮气化及共气化的工艺性能。

图2 单一气化的Aspen Plus模拟流程图。

图3 木屑和马铃薯皮混合物共气化的Aspen Plus模拟流程图。

　　▎结果与讨论

　　1.单个原料的气化

　　温度的提高对气化和共气化过程有积极影响。由于吸热反应在高温下更为有利，且以消耗CO₂的形式来形成CO。温度升高有利于增加H₂和CO的产量，同时减少CH₄和CO₂的含量，如图4所示。同时，提高温度有助于合成气的产生，并提高气体的低位热值和碳转化效率（如图5）。

图4 木屑 (a) 和马铃薯皮 (b) 在500–1000 ℃气化时温度对产物气体摩尔分数的影响。

图5 木屑 (a) 和马铃薯皮 (b) 在500–1000℃气化时温度对低位热值和碳转化效率的影响。

　　2.木屑与马铃薯皮的共气化

　　如图6所示，木屑和马铃薯皮共气化生产合成气时，当木屑占25%的重量，马铃薯皮占75%的重量时，碳转化效率最高，为85.81%，这表明木屑和马铃薯皮之间存在积极的协同作用。而纯马铃薯皮的气化产生的碳转化效率高于纯木屑，这是由于马铃薯皮的挥发分分解更多。此外，在增加木屑在混合物中的比例时，H₂和CO的摩尔分数减少，导致了合成气的低位热值降低 （如图7）。

图6 不同木屑与马铃薯皮重量比下的模拟结果和算术平均值的碳转化效率值。

图7 木屑与马铃薯皮重量比对氢气和一氧化碳摩尔分数及低位热值的影响。

　　▎建议

　　未来的研究可以考虑水在提高氢气产量方面的作用，可以使用蒸汽作为气化剂，也可以通过超临界水气化将水作为反应介质。此外，在模拟模型中考虑焦油的形成也很重要，因为忽略焦油的形成会导致碳转化效率值过高。探索不同的气化剂（如空气、蒸汽或它们的混合物）也能为共气化过程提供有价值的见解，包括它们对焦油形成、产物气体产率和特性的影响。

·结 论·

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　　使用Aspen Plus模拟了木屑和马铃薯皮在500–1000 ℃、不同木屑和马铃薯皮重量比以及恒定ER值下的共气化过程。以下为主要结论：（1）H₂和CO的摩尔分数随温度升高而增加，但CH₄和CO₂的摩尔分数则呈相反趋势。（2）低位热值和碳转化效率均与温度成正比。（3）木屑和马铃薯皮在共气化过程中存在积极的协同作用，提高了碳转化效率值。（4）此外，随着原料混合物中木屑重量百分比的增加，合成气（CH₄和CO₂）的摩尔分数和低位热值都逐渐降低。总体而言，本研究开发的模型能够预测各种反应条件下气化炉的性能，预测的趋势与现有的研究结果一致。

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