Комбинированное производство биоводорода, тепла и электроэнергии на основе газификации остаточной биомассы (AVEVA PRO/II)

Вот перевод и адаптация оригинального текста статьи на русский язык. Текст представлен в развернутом, профессиональном стиле с сохранением всех цифр, дат, имен собственных и технических деталей.

---

Переход к возобновляемым источникам энергии: моделирование процесса газификации биомассы для получения биоводорода

Глобальный переход к возобновляемым источникам энергии требует разработки надежных и точных моделей процессов переработки биомассы. Одним из ключевых термохимических методов является газификация — сложный высокотемпературный процесс частичного окисления углеводородного сырья. В результате этого процесса образуется синтез-газ (syngas), представляющий собой смесь, преимущественно состоящую из монооксида углерода (CO), водорода (H₂), диоксида углерода (CO₂) и метана (CH₄). Данный кейс посвящен моделированию альтернативной схемы газификации кожуры цитрусовых с целью производства биоводорода (biohydrogen).

Постановка задачи и используемый инструментарий

Основная задача исследования заключалась в оценке энергоэффективности процесса газификации влажных отходов цитрусовых, включая анализ возможностей тепловой интеграции системы. Для выполнения расчетов инженеры применили программное обеспечение AVEVA PRO/II Simulation. Выбор данного ПО обусловлен его исторической репутацией в области строгого расчета материальных и тепловых балансов (mass and energy balance) для химических производств, что гарантирует высокую достоверность результатов.

Термодинамическое моделирование и методология

Реактор газификации был смоделирован с использованием подхода реактора минимизации свободной энергии Гиббса (Gibbs reactor). Данный термодинамический метод позволяет обойтись без точного знания кинетики сложных и многостадийных химических реакций. Вместо этого симулятор (simulator) автоматически находит такой равновесный состав продуктов, при котором общая энергия Гиббса системы достигает минимального значения при заданных температуре и давлении.

В качестве исходных потоков в реактор подавались:

• влажная биомасса (кожура цитрусовых);
• газифицирующие агенты: насыщенный водяной пар и воздух.

Образовавшийся горячий синтез-газ с температурой 1023 K (что эквивалентно 750 °C) направлялся в систему теплообменников для рекуперации явного тепла (sensible heat recovery). Для последующего выделения чистого водорода из полученной газовой смеси была смоделирована установка короткоцикловой адсорбции (Pressure Swing Adsorption — PSA). В среде PRO/II данный процесс был упрощенно представлен блоком Stream Calculator с заданным коэффициентом извлечения водорода 70%. Такой подход был принят, поскольку строгий расчет динамики циклической адсорбции требует применения специализированных динамических симуляторов и выходит за рамки стационарного моделирования в PRO/II.

Валидация модели и итоговые результаты

Валидация разработанной модели проводилась путем сопоставления расчетных данных с экспериментальными результатами, полученными на лабораторной установке с кипящим слоем (fluidized bed reactor) при температуре 850 °C. В ходе верификации варьировалось ключевое соотношение пар/биомасса (S/B).

Результаты моделирования продемонстрировали высокую сходимость с экспериментальными данными:

• Увеличение отношения S/B закономерно приводило к росту молярной доли водорода (H₂) и диоксида углерода (CO₂) за счет интенсификации реакции сдвига водяного газа (water-gas shift reaction).
• Одновременно наблюдалось снижение содержания монооксида углерода (CO).

Согласно данным исследования, графическая валидация (сравнение трендов на диаграммах распределения компонентов) показала точное совпадение характера кривых. При этом необходимо отметить, что в исходном источнике не указан точный числовой процент абсолютной погрешности для температуры 850 °C. Оценка точности модели проводилась на основе визуального соответствия (visual fit) экспериментальным кривым распределения компонентов синтез-газа.

Вывод

Разработанная модель газификации кожуры цитрусовых доказала свою применимость для проведения предварительных технико-экономических обоснований (feasibility studies) проектов по утилизации влажной биомассы (wet biomass). Высокая сходимость трендов позволяет использовать данный подход для оптимизации режимов работы реальных промышленных установок, направленных на получение биоводорода.

Источник

Источник

Теги

• #AVEVA_PROII
• #Газификация
• #СинтезГаз
• #GibbsReactor
• #Термодинамика

Источник: https://iris.unime.it/retrieve/6404b045-5b35-488f-9bb1-3ac4b77cdc17/energies-15-05524.pdf

#AVEVA_PROII #Газификация #СинтезГаз #GibbsReactor #Термодинамика