Modeling of Biomass Gasification with Adaptation to Biological Methanation Using Aspen Plus®

Abstract: حظيت البدائل المتجددة باهتمام كبير في ظل انخفاض موارد الوقود الاحفوري المتاحة وزيادة المتطلبات البيئية. ان انتاج المواد الكيميائية والوقود المتجدد من خلال استغلال الكتلة الحيوية يقدم طريقا واعدا لدفع هذا التحول الى الامام. ومن الممكن انتاج غاز "الاصطناع" (syngas)، وهو خليط مكون أساسا من غاز اول أكسيد الكربون (CO) وغاز الهيدروجين (H2)، من الكتلة الحيوية عبر عملية التغويز (gasification). يمكن بعد ذلك استخدام عملية انتاج الميثان البيولوجية (biological methanation) كبديل محتمل للعمليات التحفيزية لإنتاج الغاز الحيوي من غاز "الاصطناع" المشتق من الكتلة الحيوية. كان الهدف من هذا المشروع نمذجة ومحاكاة عملية تغويز الكتلة الحيوية في برنامج المحاكات Aspen Plus® مع التكيف لعلمية انتاج غاز الميثان بطريقة بيولوجية. استندت هذه الدراسة على مفاعل التغويز الدوّامي (cyclone gasifier) بقدرة 5 ميجاواط حرارية التابع لشركة Meva Energy والذي يعمل تحت ضغط 0.65 barg ودرجة حرارة ما بين 850 و1000 درجة مئوية. يتكون الغاز الناتج بشكل أساسي من النيتروجين (N2)، والهيدروجين (H2)، وأول أكسيد الكربون (CO)، وثاني أكسيد الكربون (CO2)، والميثان (CH4)، والهيدروكربونات الخفيفة غير العطرية (non-aromatic)، والقطران (tars). انّ معظم الدراسات المنشورة حالياً حول نماذج المحاكاة التي تستخدم برنامج Aspen Plus® تسند على استخدام حسابات التوازن الكيميائي. لكنّ هذه الحسابات تتسم غالباً في المبالغة في تقدير مدى تفاعل الكربون وإهمال وجود القطران أثناء عملية التغويز. في هذه الدراسة تم تطوير نماذج تستند على التوازن الكيميائي وسرعة التفاعلات الكيميائية لعملية تغويز الكتلة الحيوية في المفاعل الدوّامي. بالإضافة إلى ذلك، تم تطوير نموذج لنظام تنظيف الغاز التابع لهذا المفاعل، ثم تم التحقق من صحة جميع النماذج باستخدام بيانات وقياسات حقيقية من المفاعل. تم أيضاً حساب قيمة حرارة الاحتراق الدنيا (lower heating value) للغاز الناتج وكفاءة العملية (cold gas efficiency) لجميع الحالات. كانت درجة الحرارة المتوقعة في المفاعل أقل بكثير عند استخدام نموذج التوازن الكيميائي مقارنة بالبيانات الحقيقية. كما لوحظ انحراف كبير بين نموذج التوازن والقياسات الحقيقة بالنسبة لتركيزات غاز الهيدروجين (H2) والميثان (CH4) والهيدروكربونات الخفيفة غير العطرية. ومن ناحية أخرى، تم العثور على اتفاق جيد بين المحاكاة والبيانات التجريبية عند استخدام النموذج القائم على سرعة التفاعلات الكيميائية. عند التحقق من صحة نموذج تنظيف الغاز، أظهرت النتائج المتوقعة بعض التوافقات مع القياسات الحقيقية، ولكن لوحظ وجود تباينات كبيرة في تركيز بعض المكونات مثل الإندين (indene) والنفثالين (naphthalene). بالنسبة لعملية انتاج الميثان البيولوجية، فإن الشرط الرئيسي هو استخدام غاز "الاصطناع" (syngas) خالٍ من غاز النيتروجين (N2). ولم يتم العثور على اي تأثير سلبي لغاز النيتروجين على عملية انتاج الميثان البيولوجية بذاتها، ولكن تكمن الإشكالية في ان عملية فصل غاز النيتروجين من المنتج تكون ذو تكلفة عالية. يمكن تحقيق هذا الشرط الرئيسي عن طريق استخدام مزيج من غاز الاكسجين (O2) وثاني أكسيد الكربون (CO2) بدلاً من الهواء خلال عملية التغويز. وعندما تم تغيير عملية التغويز لتناسب عملية انتاج الميثان البيولوجية، لوحظ انخفاض في درجة حرارة المفاعل مقارنة بعملية التغويز التقليدية. ويتسبب هذا التغيير في انخفاض كفاءة عملية التغويز وفي زيادة محتوى القطران في الغاز الناتج. لذلك يعد استخدام تركيز منخفض من غاز ثاني أكسيد الكربون (CO2) في وسط التغويز (gasifying medium) أمرًا مرغوبًا فيه، ولكن هذا سيؤثر في كفاءة عملية فصل الجسيمات من الغاز الناتج بسبب انخفاض معدل التدفق الحجمي للغاز.