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一、图文导读
生物质因其可再生、负碳属性、产量丰富等优点,是一种非常有潜力的替代能源,可助力解决石油煤炭能源短缺问题,并为实现我国“碳达峰”、“碳中和”目标做出贡献。然而,全球大部分生物质因不可持续利用,造成了严重的环境污染和能源浪费。生物质热化学转化是通过热解、气化等方式将生物质转化为液体、气体燃料或化学品,具有效率高、成本低的优势。生物质组成及操作条件决定了热化学转化产物,但生物质组成多样、操作条件复杂,并且产物有气、液、固多种物质,故获得转化产物与生物质组成和操作条件定量关系的实验组合数量庞大,常常依赖于冗长的反复试错实验(图1)。对生物质热化学利用进行过程模拟与系统优化可获得以可持续利用为目标的生物质转化产物和其组成、操作条件之间的定量关系,是工业界和学术界的热点问题之一,难点在于缺乏高精度的生物质热化学数据和预测模型以及过程模拟所需的热力学模型,它们之间的关系如图2所示。
图1. 生物质热化学转化的复杂网络
东南大学吉远辉教授和中国药科大学钱红亮副教授等在Green Chemical Engineering (GreenChE)上发表了题为"Progress in thermodynamic simulation and system optimization of pyrolysis and gasification of biomass"的综述论文。在此篇文章中,作者着重从三个方面介绍了生物质可持续利用的理论研究进展,包括热化学数据预测模型、过程模拟和系统优化。此外,进一步对人工智能在上述三个方面中的应用及进展进行了阐述(图3),并讨论了当前方法的优点和局限性,以及未来人工智能在生物质可持续利用中研究的机遇和挑战。
二、内容概述
1.生物质热化学数据预测
生物质种类多样,即便同一类型生物质,不同季节、地点、部位等生物质的组成亦有差异,故其热化学数据如标准摩尔生成焓、标准摩尔熵、恒压热容、有效能预测有一定的复杂性。本综述从表述生物质组成的元素分析(C、H、O、N、S等)、工业分析(灰分、挥发分、固定碳)、化学分析(纤维素、半纤维素、木质素)角度出发,分别归纳总结了现有生物质热化学数据与组成关联的预测模型,并进行了相应的分类。指出作者前期提出的高位热值和有效能的高精度预测模型,其具有公式简捷、精度高、普适性强等特点。 2.过程模拟 综述了模拟热解和气化过程的平衡常数法和Gibbs自由能最小化法及相关研究进展。在此基础上,着重从提高合成气热值、使构建的气化模型精度和普适性更高、准确预测产物的组成与收率等、准确预测操作条件的影响四个角度介绍了Gibbs自由能最小化法各自修正方法。 3.系统优化 系统优化要满足经济、环境、能量多目标要求,本文重点综述了以有效能为优化目标的系统优化。从基于有效能分析对系统的有效能效率进行评价、对产第二代生物质燃料的合理性评价、提高能量利用效率三个方面介绍了生物质单一利用路线的系统优化。分别从生物质气化发电系统、冷热电联供系统或地源热泵热电联供系统、废热的有效能分析三个方面介绍了生物质耦合利用路线的系统优化。 4.人工智能的应用 近年来,人工智能在生物质热解和气化过程大幅应用,本综述从对人工智能具体方法、生物质类型、方法优势三个方面总结了人工智能在热化学数据估算和生物质热解气化模拟与优化中的研究进展。 三、总结与展望 生物质热化学利用的过程模拟和系统优化可以获得生物质转化产物与其组成、操作条件等之间的定量关系。热化学数据的准确性对生物质热解和气化过程模拟和系统优化的结果影响甚大,而准确的过程模拟又是系统优化的基础。作者讨论了该领域下一阶段的挑战,同时从大数据和人工智能方面讨论了未来的机遇,指出未来将可通过人工智能技术与基于大数据的高精度热力学模型相结合,最终实现以生物质可持续利用为目标的生物质更高精度的热力学模型预测和更全面的系统优化。
文章信息: Title: Progress in thermodynamic simulation and system optimization of pyrolysis and gasification of biomass Authors: Yang Zhang, Yuanhui Ji*, Hongliang Qian* DOI:10.1016/j.gce.2021.09.002 期刊简介: Green Chemical Engineering(GreenChE)于2019年入选“中国科技期刊卓越行动计划高起点新刊”,2020年9月正式创刊。GreenChE以绿色化工为学科基础,聚焦"绿色",立足"工程" ,注重绿色化学、绿色化工及其交叉领域的前沿问题,紧紧围绕低碳化、清洁化和节能化的发展要求。目前是对读者和作者双向免费的开源期刊。 竭诚欢迎各位老师同学积极投稿! E-mail: gce@ipe.ac.cn Tel: 86-10-82544856 https://www.keaipublishing.com/en/journals/green-chemical-engineering/
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