Preview

Альтернативная энергетика и экология (ISJAEE)

Расширенный поиск
Доступ открыт Открытый доступ  Доступ закрыт Доступ платный или только для Подписчиков

Моделирование процесса газификации эффлюента темновой ферментации в газогенераторе с нисходящим потоком

https://doi.org/10.15518/isjaee.2023.02.064-081

Полный текст:

Аннотация

В работе представлены результаты исследования численного моделирования процесса газификации в газогенераторе с нисходящим потоком для получения синтез - газа с высоким содержанием водорода. Впервые исследована возможность применения эффлюента темновой ферментации в качестве сырья для термохимической конверсии с использованием в качестве окислителя - воздуха в соотношениях окислитель/топливо 0,45, 0,55 и 0,65. Моделирование процесса газификации осуществлялось в программном комплексе Comsol Multiphysics. В результате численных исследований были получены значения концентраций основных компонентов синтез - газа. Выход синтез - газа при воздушной газификации составил 1,8 м3/кг сухого вещества. При этом теплота сгорания генерируемого газа варьируется от 3,1 до 3,9 МДж/м3 при молярном отношении водорода к углекислому газу, находящемся в диапазоне от 3,1 до 3,9. Максимальный удельный вес водорода в составе синтез - газа, равный 26,94 %, достигается при соотношении окислитель/топливо, равном 0,45. Эффективность получения водорода варьируется в диапазоне от 23,8 до 27,3 %. Тепловая мощность, которую можно получить из синтез – газа, соответствует 47 – 59 кВт. Эффективность преобразования углерода составляет 23,6 – 28,8 %. На основании конструкционного расчета были получены основные геометрические параметры газогенератора с нисходящим потоком. Газогенератор предназначен для получения синтез - газов из эффлюентов анаэробной ферментации. Получение требуемых значений концентраций необходимых компонентов газа будет осуществляться путем варьирования расхода газифицирующего агента, а также комбинирования соотношений окислитель/топливо. Данное исследование позволит расширить знания в области комплексных технологий получения водорода из органических отходов, сочетающих биологические и термохимические методы.

Об авторах

Д. В. Ермолаев
Институт энергетики и перспективных технологий ФИЦ Казанский научный центр РАН
Россия

Ермолаев Денис Васильевич - кандидат технических наук, старший научный сотрудник лаборатории энергетических систем и технологий.

420111, Казань, ул. Лобачевского, д. 2/31, а/я 260

Researcher ID: E-9858-2017, Scopus Author ID: 55232290400



Ю. В. Караева
Институт энергетики и перспективных технологий ФИЦ Казанский научный центр РАН
Россия

Караева Юлия Викторовна - кандидат технических наук, ведущий научный сотрудник лаборатории энергетических систем и технологий.

420111, Казань, ул. Лобачевского, д. 2/31, а/я 260

Researcher ID: F-6917-2017, Scopus Author ID: 56856782800



С. С. Тимофеева
Институт энергетики и перспективных технологий ФИЦ Казанский научный центр РАН
Россия

Тимофеева Светлана Сергеевна - кандидат технических наук, старший научный сотрудник лаборатории энергетических систем и технологий.

420111, Казань, ул. Лобачевского, д. 2/31, а/я 260

Researcher ID: AAZ-5531-2020, Scopus Author ID: 56711352400



А. A. Ковалев
Федеральный научный агроинженерный центр ВИМ
Россия

Ковалев Андрей Александрович - кандидат технических наук, старший научный сотрудник лаборатории биоэнергетических и сверхкритических технологий.

109428, Москва, 1-й Институтский проезд, д. 5

Researcher ID: F-7045-2017, Scopus Author ID: 57205285134



Д. А. Ковалев
Федеральный научный агроинженерный центр ВИМ
Россия

Ковалев Дмитрий Александрович - кандидат технических наук, заведующий лабораторией биоэнергетических технологий.

109428, Москва, 1-й Институтский проезд, д. 5

Researcher ID: K-4810-2015



Ю. В. Литти
ФИЦ Биотехнологии РАН
Россия

Литти Юрий Владимирович - кандидат биологических наук, заведующий лабораторией микробиологии антропогенных мест обитания.

119071, Москва, Ленинский проспект, д.33, стр. 2

Researcher ID: C-4945-2014, Scopus Author ID: 55251689800



Список литературы

1. Kevin C., Abdoulaye D., Faisal K. Review and analysis of the hydrogen production technologies from a safety perspective // International Journal of Hydrogen Energy. 2022, Vol. 47, Is. 29, 13990-14007. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2022.02.127.

2. Karaeva J.V., Khalitova G.R., Kovalev D.A., Trakhunova I.A. Study of the Process of Hydraulic Mixing in Anaerobic Digester of Biogas Plant // Chemical and Process Engineering. 2015, 36, 1, 101–112. https://doi.org/10.1515/cpe-2015-0008.

3. Karaeva J.V., Timofeeva S.S., Kovalev A.A., Kovalev D.A., Gilfanov M.F., Grigoriev V.S. Y.V. Litti. CO-PYROLYSIS of agricultural waste and estimation of the applicability of pyrolysis in the integrated technology of biorenewable hydrogen production // International Journal of Hydrogen Energy. 2022, 47, 23, 11787-11798. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2022.02.057.

4. Karaeva J.V., Timofeeva S.S., Islamova S.I., Gerasimov A.V. Pyrolysis kinetics of new bioenergy feedstock from anaerobic digestate of agro-waste by thermogravimetric analysis // Journal of Environmental Chemical Engineering. 2022, 10, 3. https://doi.org/10.1016/j.jece.2022.107850.

5. Karaeva, J.V., Timofeeva, S.S., Bashkirov, V.N. et al. Thermochemical processing of digestate from biogas plant for recycling dairy manure and biomass // Biomass Conv. Bioref. 2021. https://doi.org/10.1007/s13399-020-01138-6

6. Jian-Xin G., Xianchun T., Kaiwei Z., Baihe G. Integrated management of mixed biomass for hydrogen production from gasification // Chemical Engineering Research and Design. 2022, Vol.179, 41-55. https://doi.org/10.1016/j.cherd.2022.01.012.

7. Watso J., Zhang Y., Si B., Chen W.T., de Souza R. Gasification of biowaste: a critical review and out-looks // Renew. Sustain. Energy. 2018, 83, 1–17. https://doi.org/10.1016/j.rser.2017.10.003.

8. Shahin M., Hossein D., Mohammad S., Haji H., Omid P. A comprehensive experimental and modeling investigation of walnut shell gasification process in a pilot-scale downdraft gasifier integrated with an internal combustion engine // Energy Conversion and Management. 2021, Vol. 231, 113836. https://doi.org/10.1016/j.enconman.2021.113836.

9. Tezer O., Karabağ N., Öngen A., Çolpan C.Ö., Ayol A. Biomass gasification for sustainable energy production: A review // International Journal of Hydrogen Energy. 2022, Vol. 47, Is.34, 15419-15433. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2022.02.158.

10. Ghorbani S., Atashkari K., Borji M. Three-stage modelling and parametric analysis of a downdraft biomass gasifier // International Journal of Hydrogen Energy. 2022, Vol.47, Is.33, 14799-14822. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2022.03.012.

11. Timofeeva S.S., Karaeva J.V., Kovalev A.A., Kovalev D.A., Litti Yu.V. Steam gasification of digestate after anaerobic digestion and dark fermentation of lignocellulosic biomass to produce syngas with high hydrogen content // International Journal of Hydrogen Energy. 2022. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2022.11.260

12. Faraji M., Saidi M. Process simulation and optimization of groundnut shell biomass air gasification for hydrogen-enriched syngas production // International Journal of Hydrogen Energy. 2022, Vol.47, Is. 28, 13579-13591. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2022.02.105.

13. Barzee T.J., Edalati A., El-Mashad H., Wang D., Kate S., Zhang R. Digestate Biofertilizers Support Similar or Higher Tomato Yields and Quality Than Mineral Fertilizer in a Subsurface Drip Fertigation System // Sec. Waste Management in Agroecosystems. 2019. https://doi.org/10.3389/fsufs.2019.00058.

14. Ting Z.J., Raheem A., Dastyar W., Yang H., Dong W., Yuan H., Li X., Wang W., Zhang R., Zhao M. Alkaline pyrolysis of anaerobic digestion residue with selective hydrogen production // International Journal of Hydrogen Energy, 2020, Vol. 45, Is. 41, 20933-20943. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2020.05.278.

15. Macrì D., Catizzone E., Molino A., Migliori M. Supercritical water gasification of biomass and agrofood residues: Energy assessment from modelling approach // Renewable Energy. 2020, Vol. 150, 624-636. https://doi.org/10.1016/j.renene.2019.12.147.

16. Zhang J., Cui Y., Zhang T., Hu Q., Tong Y.W., He Y., Dai Y., Wang C.-H., Peng Y. Food waste treating by biochar-assisted high-solid anaerobic digestion coupled with steam gasification: Enhanced bioenergy generation and porous biochar production // Bioresource Technology. 2021, Vol. 331, 125051. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2021.125051.

17. Freda, C., Nanna, F., Villone, A. et al. Air gasification of digestate and its co-gasification with residual biomass in a pilot scale rotary kiln // Int J Energy Environ Eng. 2019, 10, 335–346. https://doi.org/10.1007/s40095-019-0310-3.

18. Wiśniewski D., Siudak M., Piechocki J. Small-Scale Energy Use of Agricultural Biogas Plant Wastes by Gasification. 2017. https://doi.org/10.5772/intechopen.71700.

19. Guo X., Cheng Z., Yan B., Dan Z., Ma W. Air gasification of biogas-derived digestate in a downdraft fixed bed gasifier // Waste Management. 2017, Vol. 69, 162-169. https://doi.org/10.1016/j.wasman.2017.08.001.

20. Antoniou N., Monlau F., Sambusiti C., Ficara E., Barakat A., Zabaniotou A. Contribution to Circular Economy options of mixed agricultural wastes management: Coupling anaerobic digestion with gasification for enhanced energy and material recovery // Journal of Cleaner Production. 2019, Vol. 209, 505-514. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2018.10.055.

21. Xiang X., Gong G., Wang C., Cai N., Zhou X., Li Y. Exergy analysis of updraft and downdraft fixed bed gasification of village-level solid waste // International Journal of Hydrogen Energy, 2021, Vol. 46, Is.1, 221-233. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2020.09.247.

22. Ramalingam S., Rajendiran B., Subramiyan S. Recent advances in the performance of Co-Current gasification technology: A review // International Journal of Hydrogen Energy, 2020, Vol. 45, Is. 1, 230-262. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2019.10.185.

23. Martínez J.D., Mahkamov K., Andrade R.V., Lora E.E.S. Syngas production in downdraft biomass gasifiers and its application using internal combustion engines // Renewable Energy. 2012, Vol. 38, Is. 1, 1-9. https://doi.org/10.1016/j.renene.2011.07.035.

24. Chen G., Liu F., Guo X., Zhang Y., Yan B., Cheng Z., Xiao L., Ma W., Hou L.Co-gasification of Acid Hydrolysis Residues and Sewage Sludge in a Downdraft Fixed Gasifier with CaO as an In-Bed Additive // Energy Fuels. 2018, 32, 5, 5893–5900. https://doi.org/10.1021/acs.energyfuels.7b03960.

25. Havilah P.R., Sharma A.K., Govindasamy G., Matsakas L., Patel A. Biomass Gasification in Downdraft Gasifiers: A Technical Review on Production, Up-Gradation and Application of Synthesis Gas // Energies. 2022, 15, 3938. https://doi.org/10.3390/en15113938.

26. Ковалев А.А. Энергетический анализ системы двухстадийной анаэробной переработки жидких органических отходов с получением водород - и метансодержащих биогазов // Альтернативная энергетика и экология (ISJAEE). 2020, 25-27, 95-106. https://doi.org/10.15518/isjaee.2020.09.009.

27. Ковалев А.А., Ковалев Д.А., Литти Ю.В., Катраева И.В. Производство биоводорода в двухстадийном процессе анаэробной биоконверсии органического вещества жидких органических отходов с рециркуляцией эффлюента метантенка // Альтернативная энергетика и экология (ISJAEE). 2020, 7-18, 87-100. https://doi.org/10.15518/isjaee.2020.07-18.87-100.

28. Kovalev A. A., Kovalev D. A., Zhuravleva E. A., Katraeva I. V., Panchenko V.., Fiore U., Litti Y.V. Two-Stage Anaerobic Digestion with Direct Electric Stimulation of Methanogenesis: The Effect of a Physical Barrier to Retain Biomass on the Surface of a Carbon Cloth-Based Biocathode // Renewable Energy. 2022, 181, 966–977. https://doi.org/https://doi.org/10.1016/j.renene.2021.09.097.

29. Ковалев А.А., Ковалев Д.А., Литти Ю.В., Катраева И.В., Ножевникова А.Н. Влияние коэффициента рециркуляции эффлюента метантенка на выход биоводорода в двухстадийном процессе анаэробной биоконверсии жидких органических отходов // Альтернативная энергетика и экология (ISJAEE). 2021, 01-03, 34-46. https://doi.org/10.15518/isjaee.2021.01.003.

30. Kovalev A.A., Kovalev D.A., Nozhevnikova A.N., Zhuravleva E.A., Katraeva I.V., Grigoriev V.S., Litti Y.V. Effect of Low Digestate Recirculation Ratio on Biofuel and Bioenergy Recovery in a Two-Stage Anaerobic Digestion Process // International Journal of Hydrogen Energy. 2021, 46 (80), 39688–39699. https://doi.org/https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2021.09.239.

31. Kovalev A.A., Kovalev D.A., Litti Y.V.; Katraeva I.V. Biohydrogen Production in the Two-Stage Process of Anaerobic Bioconversion of Organic Matter of Liquid Organic Waste with Recirculation of Digister Effluent // International Journal of Hydrogen Energy, 2020. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2020.07.124.

32. Kovalev A. A. Energy Analysis of the System of Two-Stage Anaerobic Processing of Liquid Organic Waste with Production of Hydrogen- and Methane-Containing Biogases // International Journal of Hydrogen Energy. 2021, 46 (63), 31995–32002. https://doi.org/https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2021.06.187.

33. Barisano D., Freda C., Nanna F., Fanelli E., Villone A. Biomass gasification and in-bed contaminants removal: performance of iron enriched olivine and bauxite in a process of steam/O2 gasification // Bioresour. Technol. 2012, 118, 187–194. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2012.05.011.

34. Patra T.K., Sheth P.N. Biomass gasification models for downdraft gasifier: A state-of-the-art review // Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2015, Vol. 50, 583-593. https://doi.org/10.1016/j.rser.2015.05.012.

35. Xiang X., Gong G., Wang C., Cai N., Zhou X., Li Y. Exergy analysis of updraft and downdraft fixed bed gasification of village-level solid waste // International Journal of Hydrogen Energy. 2021, Vol. 46, Is. 1, 221-233. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2020.09.247.

36. Wijitkosum S., Jiwnok P. Elemental composition of biochar obtained from agricultural waste for soil Amendment and carbon sequestration // Applied sciences. 2019, 9(19). https://doi.org/10.3390/app9193980.

37. Razmjoo P., Pourzamani H., Teiri H., Hajizadeh Y. Determination of an empirical formula for organic composition of mature compost produced in Isfahan-Iran composting plant in 2013 //Int J Env Health Eng. 2015, 4, 3. https://doi.org/10.4103/2277-9183.153988

38. Elshokary S., Farag S., Abu-Elyazeed O.S.M., Hurisso B., Ismai M. Downdraft gasifier design calculation for biomass gasification using exhaust gas as a gasification agent // Materials Today: Proceedings. 2021. https://doi.org/10.1016/j.matpr.2021.03.520.

39. Yoon S.J., Son Y.I, Kim Y. K, Lee J.G. Gasification and power generation characteristics of rice husk and rice husk pellet using a downdraft fixed-bed gasifier // Renewable Energy. 2012, 42, 163-167. https://doi.org/10.1016/j.renene.2011.08.028.

40. Ding, L., Yang, M., Dong, K. et al. Mobile power generation system based on biomass gasification // Int J Coal Sci Technol. 2022, 9, 34. https://doi.org/10.1007/s40789-022-00505-0.

41. Dalmış İ.S., Kayişoğlu B., Tuğ S., Aktaş T., Durgut M.R., Durgut F. A Prototype Downdraft Gasifier Design with Mechanical Stirrer for Rice Straw Gasification and Comparative Performance Evaluation for Two Different Airflow Paths // J Agr Sci-Tarim Bili. 2018, 24(3), 329-339. https://doi.org/10.15832/ankutbd.456649.

42. Guangul F.M., Sulaiman S.A., Ramli A. Study of the effects of operating factors on the resulting producer gas of oil palm fronds gasification with a single throat downdraft gasifier // Renewable Energy. 2014, Vol. 72, 271-283. https://doi.org/10.1016/j.renene.2014.07.022.

43. Dascomb J., Krothapalli A., Fakhrai R. Thermal conversion efficiency of producing hydrogen enriched syngas from biomass steam gasification // International Journal of Hydrogen Energy, 2013, Vol. 38, Is. 27. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2013.07.022.

44. Vassilev S.V., Vassileva C.G., Song Y.-C., Li W.-Y., Feng J. Ash contents and ash-forming elements of biomass and their significance for solid biofuel combustion // Fuel. 2017, Vol. 208. https://doi.org/10.1016/j.fuel.2017.07.036.

45. García R., Pizarro C., Lavín A. G., Bueno J.L. Characterization of Spanish biomass wastes for energy use // Bioresource Technology, 2012, Vol. 103, Is.1, 249-258. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2011.10.004.

46. Vardin F.H., Najafi B. Developing a novel downdraft fixed bed gasifier for hydrogen production from sawdust to improve an SI engine exhaust emissions // Renewable Energy Focus. 2018, Vol. 27, 88-96. https://doi.org/10.1016/j.ref.2018.07.007.

47. Safarian S., Unnthorsson R., Richter C. Hydrogen production via biomass gasification: simulation and performance analysis under different gasifying agents // Biofuels. 2021. Vol. 13, Is. 6, 717-726. https://doi.org/10.1080/17597269.2021.1894781.

48. Catalanotti E., Porter R.T.J., Chalchooghi M.M., Mahgerefteh H. Biomass Gasification in a Downdraft Gasifier with in-situ CO2 Capture: a Pyrolysis, Oxidation and Reduction Staged Model // Chemical Engineering Transactions. 2020, Vol. 80, 85-90. https://doi.org/10.3303/CET2080015.

49. Sasujit K., Dussadee N., Homdoung N., Ramaraj R., Kiatsiriroat T. Waste-to-Energy: Producer Gas Production from Fuel Briquette of Energy Crop in Thailand // International Energy Journal. 2020,17(1).

50. Mansur F. Z., Faizal C. K. M., Samad N. A. F. A., Atnaw S. M., Sulaiman S. A., Guangul F. M., Sulaiman S.A., Ramli A. Gasifcation performance of sawdust, pelletized sawdust and sub-bituminous coal in a downdraft gasifer // SN Appl. Sci. 2020, 2, 1543. https://doi.org/10.1007/s42452-020-03358-x.

51. Chen G., Guo X., Liu F., Ma Z., Cheng Z., Yan B., Wenchao Ma Gasification of lignocellulosic biomass pretreated by anaerobic digestion (AD) process: An experimental study // Fuel. 2019, Vol. 247, 324-333. https://doi.org/10.1016/j.fuel.2019.03.002.

52. Svishchev D.A., Kozlov A.N., Donskoy I.G., Ryzhkov A.F. A semi-empirical approach to the thermodynamic analysis of downdraft gasification // Fuel, 2016, Vol.168, 91-106. https://doi.org/10.1016/j.fuel.2015.11.06649.

53. Alouani Y., Saifaoui D., Alouani A., Alouani M.-A. Municipal solid waste gasification to produce hydrogen: Integrated simulation model and performance analysis // International journal of energy research. 2022, Vol. 46, Is. 14, 20068-20078. https://doi.org/10.1002/er.8591.

54. Sandeep K., Dasappa S. Oxy–steam gasification of biomass for hydrogen rich syngas production using downdraft reactor configuration // International journal of energy research. 2014, Vol. 38, Is. 2, 174-188. https://doi.org/10.1002/er.3019.

55. Raheem Abdul, Dupont V., Channa A.Q., Zhao X., Vuppaladadiyam A.K., Taufiq-Yap Y.-H., Zhao M., Harun R. Parametric Characterization of Air Gasification of Chlorella vulgaris Biomass // Energy Fuels. 2017, 31, 3, 2959–2969. https://doi.org/10.1021/acs.energyfuels.6b03468.

56. Hoque E., Rashid F. Gasification Process Using Downdraft Fixed-Bed Gasifier for Different Feedstock. 2021. https://doi.org/10.5772/intechopen.96227.

57. Akhator P.E., Obanor A.I., Sadjere E.G. Design and development of a small-scale biomass downdraft gasifier // Nigerian Journal of Technology. 2019, Vol. 38(4), 922-930. https://doi.org/10.4314/njt.v38i4.15.

58. Reed T.B., Das A. Handbook of Biomass Downdraft Gasifier Engine Systems. USA. SERI, Golden. 1988. 148 p.

59. Chaves L. I., Silva M.J., Souza S.N.M., Secco D., Rosa H.A., Nogueira C.E.C., Frigo E.P. Small-scale power generation analysis: Downdraft gasifier coupled to engine generator set // Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2016, Volu.58, 491-498. https://doi.org/10.1016/j.rser.2015.12.033.


Рецензия

Для цитирования:


Ермолаев Д.В., Караева Ю.В., Тимофеева С.С., Ковалев А.A., Ковалев Д.А., Литти Ю.В. Моделирование процесса газификации эффлюента темновой ферментации в газогенераторе с нисходящим потоком. Альтернативная энергетика и экология (ISJAEE). 2023;(2):64-81. https://doi.org/10.15518/isjaee.2023.02.064-081

For citation:


Ermolaev D.V., Karaeva J.V., Timofeeva S.S., Kovalev A.A., Kovalev D.A., Litti Yu.V. Modeling of air gasification from dark fermentation effluent in a downdraft gasifier. Alternative Energy and Ecology (ISJAEE). 2023;(2):64-81. (In Russ.) https://doi.org/10.15518/isjaee.2023.02.064-081

Просмотров: 111


ISSN 1608-8298 (Print)