利用生物质蒸汽气化生产氢气的多联产方案的能质与能量分析

《International Journal of Hydrogen Energy》：Exergy and energy analysis of a polygeneration scheme for hydrogen production using steam gasification of biomass

本研究针对生物质蒸汽气化制氢的多联产系统，通过Aspen Plus建模分析不同温度（700-960°C）和压力（2-30 bar）下的能效，验证了960°C、2 bar条件下系统能量效率达45.6%，综合效率提升至38.8%，并创新性地提出蒸汽锅炉-汽轮机联产方案。

　　

S.A. Shevyrev | P.A. Strizhak

戈尔巴乔夫库兹巴斯国立技术大学，Vesennyaya街28号，克麦罗沃，650000，俄罗斯

摘要

本文研究了在生物质蒸汽气化过程中生产氢气的多联产原理。该方案的一个显著特点是采用了非传统的过热蒸汽生成方法，该方法随后用于植物基材料的气化。该方法通过在生物质燃烧过程中在锅炉和涡轮机组中产生高温（高达1000°C）和低压（高达30巴）的过热蒸汽来实现。多联产方案使用Aspen Plus软件包进行了建模。计算结果与作者关于无氧生物质蒸汽气化的实验数据以及其他研究人员的已发表数据进行了验证。生成气体中CO和H₂的体积浓度计算误差不超过20%。在研究的700–960°C温度范围和2–30巴压力范围内，多联产方案的能量效率和净能量效率分别为34.9–38.8%和40.1–45.6%。生物质转化为H₂的能量效率和净能量效率分别为15.9–24.4%和13.85–21.31%。研究表明，在所提出的方案中，使用960°C和2巴的过热蒸汽可以获得最佳的氢气生产条件。

引言

生物质气化可以将其转化为生成气体[1]。文献中有很多关于这一方向的研究（例如参考文献[2]）。生物质气化过程中产生的生成气体含有大量的H₂和CO。可以通过多种方法从中提取氢气[3]。这种氢气被称为“绿色”氢[4]。蒸汽-氧气气化在全球范围内得到了最广泛的应用[5]。蒸汽、空气、CO₂以及这些气体的不同比例混合物可以用作气化剂。在蒸汽气化过程中，关键反应如下：$C+H_{2}O=CO+H_2?131.5\text{kJ}/\text{mol}$

蒸汽气化的工业发展受到缺乏能够以所需数量生产蒸汽并满足所需技术和经济参数的成本效益方法的阻碍。在气化过程中，蒸汽温度必须高于800–850°C。在该温度下，可以生产出含焦油量最少且氢气含量最高的合成气[6]。

过热蒸汽的消耗量由气体发生装置的热容量和反应过程（1）决定。由于反应（1）是吸热的，因此在工业气化过程中蒸汽的消耗量会相当高。为了使反应（1）按化学计量进行，每1克氢气需要9克水，这还不包括反应热。如果蒸汽是气体发生装置中的热载体，则在800°C和大气压下，还需要额外32克蒸汽。

在多联产系统中可以产生大量温度超过800–850°C（不超过1000°C）的蒸汽。在这种情况下，过热蒸汽的压力不应超过30巴。这个值由可用于额外过热器的金属和合金的强度特性决定。

因此，本研究的目的是确定设计用于后续生物质气化和氢气生产的多联产系统的能量效率和净能量效率，使用Aspen Plus软件进行建模。

本研究的新颖性体现在以下成果中：

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仅使用蒸汽进行生物质气化的多联产系统的热力学可行性论证；

实施两阶段气化器，分离蒸汽气化过程（不使用其他气化剂），以生产燃烧用气体并确保正在进行的过程的能量独立性，以及为第三方消费者提供氢气；

提供高达30巴压力和1000°C温度的过热蒸汽特性；

开发一个完全自主的能源系统，独立于外部能源，具有高能量生产和转换效率；

蒸汽锅炉和蒸汽涡轮机之间新型集成以产生高温蒸汽进行气化的热力学论证。这种配置显著降低了烟气与产生的蒸汽之间的绝对温差，从而显著提高了净能量效率。

章节摘录

过热蒸汽气化

气化过程可以根据所使用的气化剂进行分类。最常用的气化剂如表1所示。它们可以单独使用或混合使用。其他气化剂（如CO₂）也常与表1中列出的物质混合使用。

表1表明，使用蒸汽可以产生最多的氢气，因为水是氢的供体。这意味着为了使气化过程最有效，必须提供足够的蒸汽量。

结果与讨论

让我们根据净能量效率的标准，依次考虑方案各个组成部分以及整个提案概念的各个部分。

结论

本研究使我们能够开发出一个生成过热蒸汽并实现无氧生物质气化以生产氢气的原创概念。在建模过程中，验证了多联产概念的可行性，并计算了所开发方案的能量效率和净能量效率。结果确定了关键值的范围，并确定了最大值及其相应条件：

1.

提出了

CRediT作者贡献声明

S.A. Shevyrev：撰写初稿、方法论、研究、概念化。P.A. Strizhak：资金获取、监督、撰写及审稿。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究由托木斯克理工大学（Priority-2030-EEZTs-013-198-2025）项目资助。