《Biomass and Bioenergy》：Low-cost hydrogen-rich syngas from biomass downdraft gasification: A 3E modeling comparison of Aspen Plus and DWSIM
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艾伦·乌里埃尔·埃斯特拉达-赫雷拉（Alan Uriel Estrada-Herrera）|弗朗西斯科·埃利萨尔德-布兰卡斯（Francisco Elizalde-Blancas）|伊斯梅尔·乌尔比纳-萨拉斯（Ismael Urbina-Salas）|Nam Hyungseok|
艾伦·乌里埃尔·埃斯特拉达-赫雷拉（Alan Uriel Estrada-Herrera）|弗朗西斯科·埃利萨尔德-布兰卡斯（Francisco Elizalde-Blancas）|伊斯梅尔·乌尔比纳-萨拉斯（Ismael Urbina-Salas）|Nam Hyungseok|马丁·瓦尔蒂埃拉-罗德里格斯（Martín Valtierra-Rodríguez）|大卫·阿隆·罗德里格斯-亚历杭德罗（David Aarón Rodríguez-Alejandro）
墨西哥瓜纳华托大学（Universidad de Guanajuato）伊拉普阿托-萨拉曼卡校区（Campus Irapuato-Salamanca）机械工程系（Departamento de Ingeniería Mecánica）
摘要
生物质气化是一种通过将可再生原料转化为富含氢的合成气（syngas）来实现可持续能源生产的有效途径。本研究利用Aspen Plus和DWSIM软件进行了生物质气化的比较分析，为下行流固定床气化器（downdraft fixed-bed gasifier）建立了一个包含10个主要反应的平衡模型。该模型经实验数据验证后具有很高的准确性（均方根误差<2.77%），在800°C条件下，研究了9种不同生物质原料在空气（ER=0.23）和蒸汽（S/B=0.6）气化条件下的性能。一个重要的成就是成功实现了Python与Aspen Plus之间的集成，实现了参数配置和优化的自动化。研究结果显示，两种软件平台之间的结果高度一致（平均偏差<2%），其中蒸汽气化产生的氢气产量更高（26-40%体积百分比），且合成气的平准化成本（Levelized Cost of Syngas）显著低于空气气化（1.51-2.95美元/千瓦时）。能量、焓值和经济性分析表明，木屑是最有前景的生物质原料，其合成气能量产出最高（128.68千瓦小时/千克），焓值损失最小，平准化成本也最低（1.51美元/千瓦时）。研究表明DWSIM作为Aspen Plus的替代方案具有良好的性价比，并确定了高效生物质转化能源的最佳操作条件，为可持续燃料生产提供了宝贵的见解。
引言
气化技术能够将生物质热化学转化为合成气（CO、H2、CO2和CH4），成为化石燃料的可持续替代方案，有助于推动循环经济发展[1]。该技术的转化效率可超过70%，合成气的组成取决于生物质类型及操作参数（如温度和气化剂类型）[1]。氢气是合成气的关键组分，因其具有高能量密度并可作为清洁能源载体，相较于传统的天然气重整工艺，为重工业的脱碳提供了更可持续的路径[2,3]。近期研究集中在通过催化剂[4,5]及先进方法（如超临界气化或与塑料废物共气化[6,7]）来最大化氢气产量。然而，大规模应用仍面临挑战，如生物质性质的多样性、焦油生成问题，以及需要整合碳捕获技术（CCS/BECCS）以进一步提升环境效益[8,9]。在各种反应器设计中，下行流固定床气化器尤其适用于中小型发电应用。其并流（co-current）运行模式使热解产物经过高温氧化区（1200–1400°C）和高温炭床，从而有效分解焦油，使得合成气的焦油含量通常低于1克/纳米立方米。这类系统与内燃机结合使用时表现出稳定性能，5千瓦输出下的效率可达约0.204[10]。过程模拟是设计和优化热化学系统（如生物质气化）的关键手段，Aspen Plus和DWSIM等软件在预测合成气组成和过程效率方面不可或缺。Aspen Plus因其在热力学数据库的丰富性和对非均相反应的建模能力而广受工业界和学术界的认可[11]，包括结合碳捕获阶段的氢气生产优化[12]；其结合动力学和热力学模型的能力使其在工业规模的技术和经济可行性评估中尤为高效[13]。相比之下，DWSIM作为开源工具具有强大的功能性，可通过可定制库实现与商业软件相当的功能[14]。近期研究利用DWSIM评估了温度和蒸汽与生物质比例对合成气产量的影响，验证结果与实验数据高度吻合[15][16]。虽然Aspen Plus拥有庞大的数据库，但DWSIM在灵活性和可访问性方面更具优势，这对于资源受限的研究环境尤为重要。本研究从H2和CO产量的角度对比了这两种软件平台的性能。
部分摘录
Aspen Plus中的下行流固定床气化模型
Aspen Plus中开发的下行流固定床气化模型采用了一维模拟方法（图1）。为保持计算效率并专注于热化学行为，基于现有方法建立了若干关键假设[17]。该模型在稳态、等温条件下运行，并通过吉布斯自由能最小化实现化学平衡。此外，系统假设气体为理想气体行为……
下行流固定床气化器的实验配置
气化模型基于Niu等人的实验数据[19]进行了验证，研究对象为城市固体废物（MSW）中的四种组分：纸张、木材、纺织品和厨余垃圾。这些材料的物理化学性质详见表3。实验装置包括氧气供应系统、固定床反应器、冷凝物收集系统以及气体净化和分析单元。气化试验在表4指定的条件下进行……
温度对气化过程的影响
在700至900°C范围内评估了温度对合成气组成的影响。随着温度升高，CO和H2的产量增加，这反映了Boudouard反应和-water gas shift反应的吸热特性。这两种热化学趋势以及CH4和CO2产量的相应减少均被两种模型准确捕捉，并与Niu等人的实验数据进行了对比（见图4、图5、图6、图7）。本研究报告的所有气体组成均基于实验数据……
结果与讨论
研究了9种不同的生物质原料，其性质见表10。气化模型的操作温度为800°C，压力为1个标准大气压。所用氧化剂为空气和蒸汽，燃料流速为20千克/小时，当量比范围为0.1至1，增量为0.1。
结论
借助Aspen Plus和开源程序DWSIM，本研究成功开发并验证了一个基于10个主要反应的下行流固定床气化器的3E建模框架。该模型在温度变化（均方根误差2.77%）和当量比变化（1.94%）方面的验证结果表明其具有很高的准确性，能够准确模拟合成气生成过程
CRediT作者贡献声明
艾伦·乌里埃尔·埃斯特拉达-赫雷拉（Alan Uriel Estrada-Herrera）：概念制定、数据收集、软件开发、模型验证、初稿撰写。弗朗西斯科·埃利萨尔德-布兰卡斯（Francisco Elizalde-Blancas）：概念制定、数据整理、方法论设计、项目监督。伊斯梅尔·乌尔比纳-萨拉斯（Ismael Urbina-Salas）：方法论设计、软件开发、模型验证、数据可视化。Nam Hyungseok：定量分析、数据收集、方法论设计、数据可视化、初稿审阅与编辑。马丁·瓦尔蒂埃拉-罗德里格斯（Martín Valtierra-Rodríguez）：定量分析、方法论设计、数据可视化、初稿审阅与编辑。大卫·阿隆（David Aarón）：
致谢
艾伦·乌里埃尔·埃斯特拉达-赫雷拉（A.U. Estrada-Herrera）、弗朗西斯科·埃利萨尔德-布兰卡斯（F. Elizalde-Blancas）、伊斯梅尔·乌尔比纳-萨拉斯（I. Urbina-Salas）和大卫·阿隆·罗德里格斯-亚历杭德罗（D. A. Rodriguez-Alejandro）衷心感谢墨西哥科学、人文、技术与创新秘书处（Secretariat of Science, Humanities, Technology and Innovation, SECIHTI）在其SNII计划下的财政支持。艾伦·乌里埃尔·埃斯特拉达-赫雷拉还感谢SECIHTI通过国家奖学金计划（Grant No. 144982, CVU-1007481）提供的支持。
