英文原题：Experimental and numerical modeling of carbonized biomass gasification: A critical review
作者：Kannie Winston Kuttin, Haowen Yu, Mingming Yang, Lu Ding*, Xueli Chen, Guangsuo Yu*, Fuchen Wang
01 论文信息
论文信息
K.W. Kuttin, H. Yu, M. Yang, et al. Experimental and numerical modeling of carbonized biomass gasification: A critical review[J]. Green Carbon 2024 2(2) 176-196.
论文关键词
Carbonized biomass; Gasification; Thermodynamic model; Kinetic model; Computational fluid dynamics model
论文网址
https://doi.org/10.1016/j.greenca.2024.04.003
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Experimental and numerical modeling of carbonized biomass gasification: A critical review
中文解读原链接
Green Carbon文章│华东理工大学丁路教授、于广锁教授和王辅臣教授：生物质炭气化实验与数值模拟综述
02 背景简介
应用生物质作为化石能源的替代品，有助于减轻能源利用导致的环境问题，满足日益增长的能源需求。气化是从生物质中产生能量的最重要和研究最充分的途径之一。炭化是利用含水率高、均质性低的生物质原料生产能源前的重要预处理方法，对气化过程和最终产物具有诸多影响。尽管生物质炭气化过程中焦油含量明显降低，简化了工艺流程，但对其气化实验和数值模拟研究的综述较为缺乏，生物质炭的适用性和局限性需要阐明。
近日，华东理工大学丁路教授、于广锁教授和王辅臣教授在Green Carbon上发表题为“Experimental and Numerical Modeling of Carbonized Biomass Gasification: A Critical Review”的综述论文，文章收集和分析了生物质炭气化的实验和数值模拟方法，这些方法基于精确的条件，如建模考虑的类型、原料、气化炉和评估参数，概述了各种模型，例如基于计算流体动力学和Aspen Plus的平衡和动力学速率模型以及生物质炭气化方案的数值模拟，同时比较了文献中描述的每种模型的建模方法和结果。本综述涵盖了从实验室反应器到工业规模的各种技术，提供了在建模研究开始时必须采取的建模决策的简要概述。
03 文章简介
生物质炭优势
生物质存在机械进料困难、能量密度和均一性低等问题。炭化技术（烘焙、热解和水热炭化）可以改善这些问题，提高生物质的流动性和可压缩性，增加生物质的比表面积，降低生物质的O、S和水分含量，从而提高其热值，使生物质更适合用于气化过程。炭化技术还能够去除生物质可能含有的有害物质，如氯化物、二噁英等，减少在燃烧或气化过程中的环境影响。生物质在热解过程中会产生大量焦油，影响设备的运行，炭化可以显著降低焦油的产生。
图1. 生物质热化学转化技术
生物质炭气化模型
气化模型是理解、优化和预测气化过程行为的关键工具，其模拟了气化过程中发生的复杂热化学反应，提供了对气体成分、温度分布和反应动力学等关键参数的理论值。本综述介绍了三种常见的生物质炭气化模型：平衡模型和动力学模型、计算流体动力学（CFD）模型及人工神经网络（ANN）模型。其中，动力学模型收敛快，但无法描述固相和气相反应及其相互作用；CFD模型计算成本较高，但仍是最具潜力的建模技术，适用于传热和流动现象的描述；ANN模型不能得到精确的解析解，但可提供数值结果。
图2. 生物质炭气化模型
生物质炭气化焦油产量及分子量演变
焦油是一种高粘性、分子量大且复杂的有机化合物混合物，生物质气化过程中焦油的生成会导致管道、阀门结垢、涡轮机和发动机喷嘴等下游设备堵塞和腐蚀问题。焦油的抗反应性使得热或物理方法较难将其去除，凝聚的焦油可发生聚合产生更复杂的分子。大量研究表明，生物质的低温炭化预处理可减少其在气化过程中的焦油产量及分子量。
总结及展望
本综述对生物质炭气化常见模型和实验方法进行了分类和概述，生物质的异质性使得对其热化学转化的理论解释非常具有挑战性。若以生物质和城市生活垃圾作为化石燃料的可持续替代品，生物质气化建模面临的困难主要是开发能够提供如何控制焦油形成的科学见解的建模程序。
04 文章摘要
Abstract
Gasification is one of the most significant and well-researched pathways to produce energy from biomass among the different options available. It is a conversion through thermo-chemical process that takes place within a gasifier, with interconnected factors that have an impact on how well the gasifier works. Gasification of carbonized biomass, which has a variety of effects on both the gasification process and the final product, is a significant method of producing energy from raw biomass that contains a lot of moisture or has non-homogeneous morphology. Although carbonized biomass has the potential to eliminate or significantly reduce tar formation, which is the most difficult aspect of biomass gasifier design and operation, it has not received the attention it merits even though gasification of biomass is a well-known conversion process with extensive research and development spanning all sectors of the process. This review gathers and analyzes the growing number of experimental and numerical modeling approaches in gasification of carbonized biomass based on exact conditions such as type of modeling considerations, feedstock, gasifier, and assessed parameters. The study also provides an overview of various models, such as equilibrium and kinetic rate models and numerical simulations of carbonized biomass gasification schemes based on computational fluid dynamics and Aspen Plus, while comparing the modeling approaches and results for each type of models that are described in the literature. Also, this review encompasses a broad variety of technologies, from laboratory reactors to industrial scale. Overall, this review offers a brief overview of the modeling decisions that must be taken at the beginning of a modeling research.
05 作者简介
丁路 教授
丁路，华东理工大学教授，Green Carbon青年编委。任含碳废弃物资源化零碳利用教育部工程研究中心副主任，中国科协“海智计划”特聘专家。担任Applied Energy、Fuel、Energy、国际煤炭科学技术学报等国际期刊副主编、编委、特刊编辑。长期从事生物质/煤气化、生物质多功能碳材料制备的应用基础研究与技术开发工作。主持国家自然科学基金优秀青年基金（海外）、国家重点研发计划政府间重点专项、国家自然科学基金面上项目、科技部重点研发计划课题等项目。截至目前在Nature Communications、Applied Energy、Chemical Engineering Science、Chemical Engineering Journal、Fuel等期刊共发表论文120余篇，开发了生物质撬装式气化装备体系。
于广锁 教授
于广锁，华东理工大学教授、博士生导师，教育部长江学者特聘教授。现任华东理工大学洁净煤技术研究所所长。兼任中国石油和化学工业联合会煤化工专业委员会专家、先进耐火材料国家重点实验室学术委员会委员。长期从事煤气化技术的应用基础研究和工程开发，负责进行多喷嘴对置式水煤浆气化技术的推广应用和工程化实施。现已在国内外应用66家企业，设计、建设和运行的气化炉197台，单炉最大设计能力达到4000吨/天。申请发明专利80余项，授权70余项；授权实用新型专利50余项；申请美国专利4项，授权3项。发表论文250余篇，被引3400余次。担任Fuel、International Journal of Coal Science & Technology、煤炭转化、煤化工等学术期刊编委或客座编辑。
王辅臣 教授
王辅臣，华东理工大学教授、博士生导师，教育部“长江学者”特聘教授。中国化工学会煤化工专业委员会副主任，上海市化学化工学会常务理事兼能源化工专业委员会主任，Fuel Process Technology、Frontiers in Energy、燃料化学学报、化学反应工程与工艺等学术期刊编委。长期从事煤炭及其他含碳原料气化的应用基础研究与技术开发工作。合作授权专利90余项，合作发表论文300余篇，出版《煤炭气化技术》、《石油焦气化制氢技术》等专著2部。
06 Green Carbon
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