【本期推荐】甄正，江砚池（青年编委），杜锴欣，等｜基于Aspen Plus的沙柳水蒸气气化模拟研究

作者简介

江砚池，博士，上海交通大学智慧能源创新学院长聘教轨副教授，研究方向为生物质气化、CO2捕集技术，入选上海市浦江人才计划（A类）、上海市白玉兰人才计划。主持国家自然科学基金青年、国家重点研发计划子课题等科研项目，以第一/通信作者发表高水平论文20余篇，担任《低碳化学与化工》期刊青年编委。

甄正，上海交通大学智慧能源创新学院博士研究生，研究方向为生物质气化。

课题组简介

上海交通大学张忠孝教授课题组依托上海交通大学动力机械与工程教育部重点实验室、燃煤污染物减排国家工程实验室（上海），长期深耕固体燃料清洁高效转化，在生物质热解气化、合成气净化利用及灰渣熔融结渣机理等方面积累深厚。拥有高温生物质气化试验台、傅立叶红外光谱仪、二维实时激光粒子图像速度场仪等一大批与本研究相关测试仪器。近年来承接负责国家重点研发计划、国家“863”课题、国家科技支撑重点课题、上海市科委科技计划多项。

基于Aspen Plus的沙柳水蒸气气化模拟研究

甄正 1,3
江砚池 1,3
杜锴欣 1,3苏紫 1,3李尧 1,3朱志祥 3,4乌晓江 2,3张忠孝 2,3

1. 上海交通大学 智慧能源创新学院，上海 200240；2. 上海交通大学 机械与动力工程学院，上海 200240；3. 上海非碳基能源转换与利用研究院，上海 200240；4. 岐阜大学 机械工程系，岐阜 501-1193

摘 要 沙柳的大规模气化是实现其生态和能源效益综合利用的重要技术。基于Aspen Plus构建了固定床、流化床和气流床气化模型，深入对比了沙柳与典型生物质的原料和气化特性，系统探究了温度、气化剂通入量和压力等工艺参数对沙柳气化过程的影响。结果表明，沙柳具有热值高、灰分含量低的优点，相同条件下气流床气化中合成气有效组分（CO + H2）含量（体积分数）为83.82%，碳转化率为97.87%，高于固定床和流化床气化过程。气化温度和m(水蒸气)/m(生物质)是影响沙柳高温气流床气化结果的主要因素，高温气化过程对压力响应不显著。气化温度低于1400 ℃时，气化温度升高有助于增大合成气有效组分产量，但对合成气中φ(H2)/φ(CO)影响更大，通入水蒸气可有效调节合成气中φ(H2)/φ(CO)，但有效合成气组分产量明显减小。在相同气化条件下，沙柳高温气化合成气生产绿甲醇的成本低于玉米秸秆，且通过沙柳气化合成的甲醇产量较玉米秸秆高45.97%。

关键词 沙柳；水蒸气气化；Aspen Plus；工艺参数

沙柳是中国内蒙古地区的典型沙漠作物，兼具耐旱、抗风沙和繁殖力强的特点，广泛用于中国荒漠地区的沙化土地修复。基于沙柳的生长特性，每年需对其进行平茬管理，仅鄂尔多斯一地的沙柳年产量就达150 × 10 4 t，因此有必要探索合适的沙柳转化路径，实现生物质资源的高效利用。现有研究主要聚焦于以沙柳为原料制备活性炭、乙酸和呋喃等增值化学品 [ 1-3] 。相关技术存在处理量小、生产工艺有待完善等问题，难以实现沙柳的规模化利用。生物质气化是极具规模化应用潜力的沙柳利用技术，通过气化反应能够将沙柳富含的纤维素、半纤维素和木质素等有机成分转化为合成气（CO、H 2 等），过程清洁且转化高效 [ 4-5] 。值得注意的是，气化技术可与当地丰富的风光资源耦合，借助风光发电的廉价电力和电解水制取绿氢，气化所得合成气可进一步参与甲醇等绿色燃料的合成，极大提高资源利用效率和产品经济价值 [ 6-8] 。研究发现生物质气化过程的设计与操作条件通常受气化炉类型、反应温度和物料特性等因素影响 [ 9-10] ，尽管目前已在工程试验中进行了少量沙柳气化测试，但对其气化反应机理、工艺调控机制认识不够深入，难以指导工业规模生产。因此，有必要深入研究沙柳气化过程，探索适配的工艺方法，为工业化生产提供理论基础。

近年来，基于热力学平衡计算的Aspen Plus工业流程模拟软件在生物质气化特性研究中得到广泛应用，且模拟数据和实验数据拟合较好 [ 11-15] 。黄秀辉等 [12] 采用Aspen Plus研究了玉米秸秆与煤共气化过程，考察了O 2 流量、水蒸气流量、气化温度和气化压力等不同因素对气化过程中合成气组分、H 2 产量等的影响。SEZER等 [13] 使用Aspen Plus构建了生物质流化床气化模型，并基于30种生物质原料的气化数据集训练了人工神经网络（ANN）模型，模型预测精度较好。KE等 [14] 利用Aspen Plus开发了一维稳态动力学模型，以探讨压力、气化温度、含水量、当量比和氧含量（固体中物质含量指质量分数，气体含量指体积分数，下同）对气化过程的影响，并借助灵敏度分析优化了气化过程参数。

综上所述，基于热力学平衡和物料守恒原理建立气化流程模型有助于灵活、迅速地了解沙柳气化过程的影响因素和不同工艺的气化效果。然而，目前相关研究主要聚焦秸秆等常见生物质原料的气化，关于沙柳资源化利用的研究仍停留在化工产品制造等层面，缺乏以沙柳为气化原料的模拟研究以及对沙柳具体气化工艺参数影响和不同气化床型可行性的研究。因此，本研究拟聚焦沙柳气化过程，使用Aspen Plus构建固定床、流化床和气流床气化模型，选取水蒸气为气化剂，优选适配沙柳的气化方案，并对比沙柳与玉米秸秆、红麻的理化特性，系统研究温度、气化剂通入量和压力对气化过程中合成气组分的影响，以期为沙柳气化工艺流程的设计和优化提供参考。

1基于Aspen Plus的气化炉建模

1.1 物料分析

本研究以沙柳、玉米秸秆和红麻为生物质原料，3种生物质分别取自内蒙古鄂尔多斯、山东济宁和上海横沙岛。将生物质原料粉碎至粒径为100目后在80 ℃烘箱干燥2 h，对上述所得物质进行了工业分析、元素分析和发热量测量，结果见 表1 。其中工业分析采用GB/T 28731—2012提供的方法，元素分析采用GB/T 28732—2012、GB/T 30728—2014和GB/T 28734—2012提供的方法，发热量测量采用GB/T 30727—2014提供的方法。由 表1 可知，玉米秸秆是目前使用较为广泛的生物质气化作物，红麻是一种广泛分布在江浙地区的作物，其低位发热量与玉米秸秆接近。

▼ 表1 不同生物质的工业分析、元素分析结果和低位发热量

注：M代表水分，A代表灰分，V代表挥发分；元素分析结果中氧含量由差减法计算获得；百分数均为质量分数；下标ad、d分别代表测试基准为分析基、干燥基，St, d代表干燥基全硫分。

1.2 生物质气化模型建立

Aspen Plus是常用的化工流程模拟软件，选用热力学平衡模型对气化过程进行模拟计算，预测气化产物的组成、热值及转化率等参数。在生物质气化模拟中，采用SRK物性方法计算常规组分（H 2 、N 2 、CO、CO 2 和CH 4 等），生物质和灰分为非常规组分，依据 表1 的工业分析和元素分析结果单独定义。不同气化模型的模块组成及其功能见 表2 。

▼ 表2 不同气化模型的模块组成及其功能

各模型建立过程中做如下假设：（1）气化炉在运行中保持稳定状态；（2）反应过程中干燥、热解和气化等阶段互不影响；（3）将生物质中灰分视为惰性物质，不参与气化过程；（4）气化介质与生物质颗粒在气化炉内瞬间完全混合；（5）所有气相反应均快速反应，且均达到平衡；（6）气化反应后的合成气组分仅包括H 2 、N 2 、CO、CO 2 、CH 4 、H 2 O和H 2 S，不考虑其他气体 [12, 16-17] 。

在气化反应过程中，固定床气化炉内生物质原料沿反应器自上而下移动并落在炉膛上 [18] 。生物质固定床气化流程模型见 图1 。由 图1 可知，生物质原料先进入DRY模块中干燥，随后同O 2 、水蒸气分别进入GSF模块发生高温气化反应。反应后的产物经依次CYCLONE和SEP模块分离产物中的灰分和水分。

▲ 图1 生物质固定床气化流程模型

生物质流化床气化流程模型见 图2 [13] 。对于常规鼓泡流化床而言，气化剂通常由气化炉底部输入，生物质原料输入到热料床后和气化剂接触反应，在床体材料中呈现鼓泡状态，从而实现对床体材料的不断搅拌，保证气化反应均匀发生 [ 19-21] 。因此在本模型中，生物质原料首先进入DRY模块进行干燥，而后同O 2 分别进入PRY模块发生热解反应。其中，水蒸气由SPL-1模块按比例分别进入PRY和GSF模块建立蒸汽氛围。热解产物经S1模块分离出不参与气化反应的气体组分以及少量CH 4 ，以避免CH 4 在后续高温气化反应中完全反应，导致合成气中无法检出，其他产物进入GSF模块发生气化反应。气化反应产物与分离气在M1中混合，并进入COOL-1模块保温至500 ℃，最后经S2模块分离合成气和灰渣。

G—反应流股。

▲ 图2 生物质流化床气化流程模型[13]

生物质在气流床气化炉气化过程中，载气携带生物质原料进入气化炉内，利用内部高温使原料瞬间反应，释放热能并生成合成气 [22] 。基于此构建了气流床模型（ 图3 ）。

Q—热量流股。

▲ 图3 生物质气流床气化流程模型

由 图3 可知，生物质原料与载气经M1模块混合后输入DRY模块进行干燥，随后与O 2 一同进入COMBU模块发生热解和氧化反应并释放大量热量，反应产物与气化剂在GSF模块发生气化反应，产物经由CYCLONE模块分离合成气和灰渣。由于气流床气化反应迅速，生物质原料的干燥、热解和气化等反应趋于同时发生，因此在各级反应器间不仅有物料流股传输，同时引入热量传输以模拟瞬时反应对气化过程的供热。

1.3 模型验证

对于所建立的模型，本文选用已有文献中生物质在固定床、流化床以及气流床反应器的气化实验结果 [ 23-25] ，保持输入物料特性、反应条件与文献所述条件一致进行了模型验证模拟，结果见 表3 。

▼ 表3 不同气化床的模拟值和实验值对比

注：数据均为体积分数。

由 表3 可知，模拟值与实验值之间具有良好的一致性，偏差值均小于5%，在可接受范围之内，以上结果证明了所建模型的可行性。

2模拟结果与讨论

2.1 沙柳在不同气化床的水蒸气气化结果

以沙柳为生物质原料分别输入固定床、流化床和气流床气化模型，气化温度分别设定为600 ℃、900 ℃和1400 ℃，反应压力为0.1 MPa，沙柳进料流量为1000 kg/h，以水蒸气为气化剂（ m (水蒸气)/ m (生物质) = 0.2），模拟结果见 图4 。

碳转化率为合成气中碳元素质量与生物质原料中碳元素质量之比。

▲ 图4 沙柳在不同气化床气化的模拟结果

由 图4 可知，在沙柳的固定床气化产物中，CH 4 体积分数大于5%；流化床气化产物中CH 4 体积分数小于1%；而气流床气化产物中基本不存在CH 4 。这主要归因于气化温度升高抑制了甲烷化反应发生，导致沙柳在固定床、流化床和气流床产物中CH 4 含量依次减小。沙柳在流化床和气流床中气化的合成气有效组分（CO和H 2 ）含量相对更大，H 2 和CO体积分数总和分别为76.25%和83.82%，显著大于固定床（57.03%）。此外，沙柳在固定床、流化床和气流床气化的碳转化率依次增大，且合成气中H 2 体积分数差异不大，而气流床气化产物中CO体积分数为50.33%，显著大于固定床、流化床，CO 2 体积分数最小（15.89%），表明沙柳在气流床气化过程有效合成气产量更高。这是由于高温在促进沙柳热解和残炭气化反应的同时，抑制了CO的燃烧反应和水煤气变换反应，致使CO 2 和H 2 产量减小，CO产量增大。

2.2 生物质原料特性对气化结果的影响

由 表1 可知，沙柳的低位发热量最高（19.43 MJ/kg），灰分含量最低（2.29%），其灰分含量仅为玉米秸秆的55.72%，而热值相较于玉米秸秆则高出27.33%，这表明沙柳作为生物质原料具有较高的能量密度和气化转化潜力，是理想的生物质气化原料。红麻组分含量和发热量与玉米秸秆相近，其中碳元素含量相对玉米秸秆偏小，氢元素含量偏大。

为了对比沙柳与其他地区广泛使用的生物质原料气化特性和适用床型的差异，选用红麻和玉米秸秆为生物质原料，分别输入固定床、流化床和气流床气化模型，气化温度设定为1400 ℃，反应压力为0.1 MPa，3种生物质进料流量均为1000 kg/h，以水蒸气为气化剂（ m (水蒸气)/ m (生物质) = 0.2），结果见 图5 。由 图5 可知，红麻、玉米秸秆在3种气化床型中的合成气组分变化趋势基本与沙柳一致，3种生物质在气流床气化的产物均表现出相对最高的有效组分含量及产出质量。在相同物料输入条件下，气流床中气化合成气的有效组分产量更大。在同一气化条件下，沙柳在不同气化床的合成气有效组分产量均大于玉米秸秆和红麻。值得注意的是，尽管生物质在气流床气化的结果较好，但由于反应温度较高，在实际生产过程中依赖原料燃烧放热维持炉内高温，因而更适用于沙柳等高热值、低灰分的生物质原料。

▲ 图5 生物质在不同气化床气化的模拟结果

2.3 工艺参数对沙柳气流床气化结果的影响

气化温度、压力和气化剂通入量是影响气流床气化的重要工艺参数。ZHOU等 [25] 以稻壳等为生物质原料，在小型气流床中进行了高温气化实验，发现温度升高有助于有效合成气生成，但能量消耗升高，并发现其研究的 m (氧气)/ m (生物质)最佳取值为0.4。冯宜鹏等 [26] 探究了松针在气流床气化过程，发现随着 m (水蒸气)/ m (生物质)从0增大至0.58，碳转化率、合成气产量和合成气热值均呈现先增大后减小的趋势。大量研究表明，尽管温度、气化剂通入量等因素对生物质气化效果的影响趋势类似，但针对不同生物质原料和工业需求，最佳的气化工艺参数范围存在差异 [5,10] 。本节将进一步探究以水蒸气为气化剂时各工艺参数对沙柳气流床气化结果的影响。

2.3.1 气化温度

在沙柳进料流量为1000 kg/h，以用水蒸气为气化剂（ m (水蒸气)/ m (生物质) = 0.2），反应压力为0.1 MPa条件下，探究了气化温度对沙柳气流床气化结果的影响，结果见 图6 。由 图6 可知，当气化温度低于1400 ℃时，随气化温度升高，合成气中H 2 、CO 2 的体积分数分别由43.98%、16.70%减小至33.49%、15.89%，CO体积分数则随之增大，同时合成气中CO与H 2 质量流量之和由835.49 kg/h增大至881.18 kg/h，合成气平均产量变化为7.615 × 10 -2 kg/(h·℃)，表明在该温度范围内，气化温度升高有助于增大合成气有效组分产量，这主要归因于高温促进了逆水煤气变换等吸热反应的进一步发生，与ZHOU等 [25] 结果一致。当气化温度为1600 ℃时，此时维持气化反应的耗氧量较大，沙柳中含碳组分更多发生完全氧化放热反应，生成大量CO 2 ，导致合成气中CO 2 体积分数增大至18.05%，此时合成气中有效组分产量反而减小。此外，气化温度由800 ℃升至1600 ℃时，合成气中 φ (H 2 )/ φ (CO)由1.13减小至0.60，表明对于沙柳气流床气化过程而言，并非维持气化反应温度越高越有利于增大合成气有效组分产量，实际生产过程还需综合考虑维持高温产生的额外燃料成本和合成气提产收益，以确定最佳气化温度。

▲ 图6 气化温度对沙柳气流床气化结果的影响

2.3.2 水蒸气与生物质质量比

在气化温度为1400 ℃、反应压力0.1 MPa和沙柳进料量为1000 kg/h条件下，考察了 m (水蒸气)/ m (生物质)对沙柳气流床气化结果的影响，结果见 图7 。由 图7 可知，随水蒸气通入量增大，H 2 和CO 2 体积分数逐渐增大，CO则随之减小，当 m (水蒸气)/ m (生物质)由0.2增大至1.0时，合成气中 φ (H 2 )/ φ (CO)由0.67增大至1.02，表明通入水蒸气促使了水煤气变换反应发生，因此能够有效调节合成气 φ (H 2 )/ φ (CO)，进而减小后续化工合成中绿氢使用量 [27] ，与黄秀辉等 [12] 研究结论一致。值得注意的是，尽管随水蒸气通入量增大，合成气中H 2 产量增大，维持气化温度所需耗氧量更大，伴随着CO体积分数减小和CO 2 体积分数增大， m (水蒸气)/ m (生物质)每增大0.1，合成气平均产量减小33.95 kg/h，因此实际生产中 m (水蒸气)/ m (生物质)应综合考虑气化剂和燃料成本以及后续化工合成中的绿氢成本。

▲ 图7 m(水蒸气)/m(生物质)对沙柳气流床气化结果的影响

2.3.3 气化反应压力

分别在气化温度为800 ℃、1400 ℃，沙柳进料量为1000 kg/h， m (水蒸气)/ m (生物质)为0.2条件下，考察了气化反应器内压力对沙柳气流床气化结果的影响，结果见 图8 。

▲ 图8 压力对沙柳气流床气化结果的影响

由 图8 可知，在800 ℃时，压力对合成气组分影响显著，随着压力升高，H 2 和CO体积分数逐渐减小，CO 2 体积分数增大，且CH 4 体积分数由常压下趋近于0不断增大至4 MPa 时的13.87%，这主要归因于压力升高推动系统平衡向分子量减小的方向进行，抑制了水煤气反应以及CO 2 的碳还原反应。值得注意的是，随着压力升高，维持气化温度所需耗氧量不断减小，且在压力为1~2 MPa时减小幅度超20%，说明尽管气流床气化过程中压力增大合成气中有效组分含量减小，但适当加压有助于降低气化反应所需能量，在实际生产过程中气化条件的设计需综合考虑其带来的燃料成本和合成气收益。此外，1400 ℃时压力增大对合成气组分影响不大，表明高温气化时气化系统趋于稳定，压力调控机制对产物分布结果影响有限。

2.4 经济性分析

为了进一步探究沙柳高温气流床气化的可行性，以气化合成气合成绿甲醇（CO + 2H 2 CH 3 OH）工艺为例，在气化温度为1400 ℃、反应压力为0.1 MPa、生物质进料流量为1000 kg/h和 m (水蒸气)/ m (生物质)为0.2条件下，计算了沙柳、玉米秸秆和红麻气化生产绿甲醇成本。成本核算覆盖H 2 、O 2 、水蒸气及生物质原料（暂未纳入设备折旧等固定成本）。合成过程中缺少的H 2 通过电解水制氢获取，且计算仅考虑CO制备甲醇过程，年运行时间4380 h。每吨甲醇的生产成本计算方法见 式(1) 。

式中， 为生产每吨甲醇所需原料成本，万元/吨； 为生产过程中所需H 2 成本，万元/年； 为生产过程中所需O 2 成本，万元/年； 为生产过程中所需水蒸气成本，万元/年； 为生产过程中所需生物质原料成本，万元/年； 为甲醇产量，吨/年。计算过程仅考虑绿甲醇生产过程中的主要原料成本，未将设备、人工和能源等成本列入计算，实际生产成本计算还应考虑税收、商业利息等其他潜在成本。

不同生物质气流床气化生产绿甲醇的经济性分析结果见 表3 。由 表3 可知，相同进料和气化条件下，沙柳气化制甲醇生产成本低于玉米秸秆，且通过沙柳气化合成的甲醇产量较玉米秸秆高45.97%，表明其具备大规模生产的潜力。此外，由于种植规模限制，现有以沙柳为原料的生物质原料成本较玉米秸秆更高，若推广种植其成本仍有下降空间，考虑到碳减排等碳收益，使用沙柳作为原料高温气化生产合成气具有可观的能源和生态价值。

▼ 表3 不同生物质气流床气化生产绿甲醇的经济性分析结果

3结论

本文以水蒸气为气化剂，借助Aspen Plus构建了基于固定床、流化床和气流床的生物质气化模型，通过对比沙柳、玉米秸秆和红麻在3种气化床中气化的结果和原料特性，优选出与沙柳适配的气化技术，并系统探究沙柳高温气流床气化过程中温度、 m (水蒸气)/ m (生物质)和压力等工艺参数对气化效果的影响，最后以气化合成气合成绿甲醇工艺为例，讨论了沙柳高温气化的经济性，得出如下主要结论。

（1）沙柳具有高热值、低灰分的优点，使用气流床进行大规模气化优势显著。在气化温度为1400 ℃、 m (水蒸气)/ m (生物质)为0.2、压力为0.1 MPa及进料量1000 kg/h条件下，气流床气化中合成气有效组分体积分数为83.82%，碳转化率为97.87%，相同条件下均大于固定床和流化床。

（2）气化温度和 m (水蒸气)/ m (生物质)是影响沙柳气流床气化结果的主要因素，高温气化过程系统对压力响应不显著。气化温度低于1400 ℃时，气化温度升高有助于提升合成气有效组分产量，但对合成气中 φ (H 2 )/ φ (CO)影响更大；当气化温度由800 ℃升至1600 ℃时，合成气中 φ (H 2 )/ φ (CO)由1.13减小至0.60。水蒸气通入可有效调节合成气中 φ (H 2 )/ φ (CO)，但合成气有效组分产量减小更显著， m (水蒸气)/ m (生物质)每增大0.1，合成气平均产量减小33.95 kg/h。在实际沙柳气流床气化生产过程中，需综合考虑工艺参数变化对燃料成本和合成气收益的影响，确定最优的工艺参数组合。

（3）在相同的给料和气化条件下，沙柳高温气化合成气生产绿甲醇的成本低于玉米秸秆和红麻，且通过沙柳气化合成的甲醇产量较玉米秸秆高45.97%，若推广沙柳种植其成本仍有下降空间，使用沙柳作为前驱体高温气化生产合成气具有可观的能源和生态价值。

DOI：10.12434/j.issn.2097-2547.20260042

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