王清 陳曉平 楊敘軍 宋聯(lián) 朱葛

1 東南大學(xué)能源轉(zhuǎn)換及其過程測控教育部重點實驗室

2 無錫國聯(lián)環(huán)?？萍脊煞萦邢薰?/p>

隨著我國城市化進(jìn)程的加快和城市污水處理率的提高，隨之產(chǎn)生的污泥量也急劇增加。傳統(tǒng)的污泥處置工藝包括堆肥、填埋、焚燒等[1]。污泥氣化作為一種新型的污泥處置工藝，具備以上處置工藝不具備的優(yōu)勢。污泥氣化減容效果明顯，有害物質(zhì)排放少，易于控制。與焚燒工藝相比，氣化工藝的二氧化硫、氮氧化物等有害氣體的排放量明顯減少[2]，中低溫氣化還能有效降低重金屬的排放[3-4]。

目前關(guān)于污泥氣化的研究主要集中在實驗研究階段。受實驗條件和實驗裝置的限制，難以通過實驗研究全面掌握污泥的氣化特性。本文利用Aspen Plus系統(tǒng)地研究了空氣當(dāng)量比、氣化壓力、污泥含水率對氣化特性的影響規(guī)律，可以有效彌補(bǔ)實驗的不足，有利于進(jìn)一步指導(dǎo)氣化過程的優(yōu)化。

1 Aspen Plus 氣化建模

Aspen Plus 軟件是一種具有強(qiáng)大功能的流程模擬軟件，在文獻(xiàn)中被廣泛應(yīng)用于模擬各種氣化反應(yīng)過程。研究表明，Aspen Plus 能較為準(zhǔn)確地模擬出氣化過程的變化規(guī)律[5-6]。

Aspen Plus 中氣化爐模型采用RYIELD 和RGIBBS 模塊。其中，RYIELD 主要用于模擬污泥的熱解過程，RGIBBS 基于吉布斯自由能最小來模擬污泥氣化的最終平衡狀態(tài)[7]。在RGIBBS 模塊設(shè)置中，考慮碳的不完全轉(zhuǎn)化，提高模擬的準(zhǔn)確程度。

使用Aspen Plus 進(jìn)行污泥氣化建模時基于以下假設(shè)[8-9]：

1）氣化爐在運行中保持穩(wěn)定狀態(tài)，所有參數(shù)不因時間的變化而變化。

2）污泥中的O、H、S、N 元素全部轉(zhuǎn)化為氣相，而C 由于條件變化進(jìn)行不完全轉(zhuǎn)化。

3）污泥中灰分視為惰性物質(zhì)，不參與氣化過程。

4）氣化介質(zhì)與污泥顆粒在氣化爐內(nèi)瞬間完全的混合。

5）所有氣相反應(yīng)快速反應(yīng)，且均達(dá)到平衡。

6）污泥顆粒溫度均勻，溫度梯度為零。

7）氣化爐內(nèi)壓力一致，壓降為零。

基于以上假設(shè)建立的Aspen Plus 模型如圖1 所示，DECOMP 表示裂解模塊，GASFIER 表示氣化模塊，SEP 表示分離模塊。SLUDGE 表示污泥，INBURN表示裂解產(chǎn)物，GAS 表示產(chǎn)氣，SOLID 表示氣化殘渣，AIR 表示氣化劑—空氣。Q-DECOMP 表示裂解熱，Q-LOSS 表示散熱損失，Q-LOSS 按污泥收到基低位熱值的2%取得。氣化爐為自維持系統(tǒng)，由碳與氣化劑的氧化反應(yīng)提供裂解過程和還原反應(yīng)需要的熱量。

圖1 污泥氣化系統(tǒng)流程圖

污泥氣化過程包括的主要反應(yīng)有[10]：

1.2 物料組成及氣化條件

氣化模擬中選用的污泥樣品是來自某污水處理廠的干化污泥，污泥的工業(yè)分析，元素分析及熱值如表1 所示，其中熱值Qnet,ar為污泥含水率Mt為7.99%時的收到基低位熱值。

表1 城市污泥工業(yè)分析與元素分析

氣化條件：氣化劑為空氣，環(huán)境溫度為20 ℃，環(huán)境壓力為1 個大氣壓。由于氣化過程中生成的CnHm 體積分?jǐn)?shù)很小，故模擬中忽略不計，模擬中假設(shè)焦油全部裂解?？紤]工業(yè)規(guī)模的氣化爐中污泥氣化反應(yīng)較充分，碳的轉(zhuǎn)化率較高，本文的模擬中碳轉(zhuǎn)化率統(tǒng)一取95%。

2 結(jié)果與分析

2.1 空氣當(dāng)量比ER 對氣化特性的影響

空氣當(dāng)量比ER 表示氣化過程中實際通入的空氣量與完全燃燒需要的理論空氣量的比值。氣化過程中，空氣當(dāng)量比和氣化溫度均是影響污泥氣化特性的重要因素。由于本模擬中的氣化爐為自維持氣化爐，氣化溫度由進(jìn)入氣化爐的空氣量和污泥特性決定，因此本文未單獨研究氣化溫度對氣化特性的影響。模擬中，氣化壓力為0.1 MPa，污泥含水率Mt為7.99%，空氣當(dāng)量比分別取0.2，0.25，0.3，0.35 和0.4。圖2～4 分別表示空氣當(dāng)量比對產(chǎn)氣組分濃度，產(chǎn)氣熱值，氣體產(chǎn)率，氣化溫度和冷煤氣效率的影響。

由圖2 可知，隨著空氣當(dāng)量比升高，CO、CO2、CH4含量呈下降趨勢，其中，CH4含量下降的幅度最大。H2含量呈先上升后下降的趨勢，空氣當(dāng)量比在0.25～0.30之間時H2含量處于較高水平。當(dāng)空氣當(dāng)量比為0.25時，H2含量為24.78%。造成這種變化趨勢的主要原因有：1）隨著空氣當(dāng)量比的升高，即進(jìn)入氣化爐的O2量的升高，促進(jìn)了產(chǎn)氣中CO、H2、CH4的氧化反應(yīng)。2）氣化溫度隨著空氣當(dāng)量比的升高而升高，化學(xué)反應(yīng)發(fā)生平衡移動，造成CO、CO2、H2、CH4含量的變化。3）空氣帶入的大量N2稀釋了產(chǎn)氣中可燃組分的濃度，改變了CO、CO2、H2、CH4的含量。CO 含量的降低主要原因可能是是O2量的升高導(dǎo)致CO 的氧化反應(yīng)加劇，CO2含量的降低主要原因可能是空氣帶入的大量N2稀釋了產(chǎn)氣中CO2的濃度。H2濃度前期升高主要原因可能是由于化學(xué)反應(yīng)的平衡移動，氣化溫度升高促進(jìn)了氣體重整反應(yīng)（4）、（5）、（7）和甲烷分解反應(yīng)的正向移動，后期降低的主要原因可能是N2的稀釋作用占了主導(dǎo)地位。CH4含量降低主要是反應(yīng)的平衡移動和N2的稀釋作用共同導(dǎo)致的，氣化溫度升高促進(jìn)了CH4的分解反應(yīng)、CH4與水蒸氣的重整反應(yīng)。米鐵等[11]在生物質(zhì)氣化試驗中得到的氣化規(guī)律與本模擬結(jié)果較為吻合。

圖2 空氣當(dāng)量比對產(chǎn)氣組分濃度的影響

圖3 空氣當(dāng)量比對產(chǎn)氣熱值和氣體產(chǎn)率的影響

由圖3 可知，產(chǎn)氣熱值隨著空氣當(dāng)量比的升高而降低，氣體產(chǎn)率隨著空氣當(dāng)量比的升高而升高。產(chǎn)氣熱值從7392.63 kJ/Nm3降低到4063.54 kJ/Nm3，主要由于產(chǎn)氣中的可燃組分CO、H2、CH4含量降低。氣體產(chǎn)率隨著空氣當(dāng)量比的升高而升高，氣體產(chǎn)率從1.46 Nm3/kg 升高到2.14 Nm3/kg。

由圖4 可知，隨著空氣當(dāng)量比升高，氣化溫度升高，冷煤氣效率下降，其中冷煤氣效率在空氣當(dāng)量比大于0.3 時，下降的速度變快。隨著進(jìn)入氣化爐的O2量的升高，促進(jìn)了CO、H2、CH4的氧化反應(yīng)，反應(yīng)放出的熱量導(dǎo)致氣化溫度升高。冷煤氣效率受產(chǎn)氣熱值和氣體產(chǎn)率兩個因素的影響，在兩個因素的綜合作用下，冷煤氣效率呈現(xiàn)出下降趨勢。

圖4 空氣當(dāng)量比對氣化溫度和冷煤氣效率的影響

由以上分析可知，在進(jìn)行污泥中低溫氣化時，空氣當(dāng)量比應(yīng)選在0.3 左右合適。此時，氣化溫度處在較高的水平，同時冷煤氣效率未發(fā)生顯著降低。

2.2 氣化壓力對氣化特性的影響

模擬時，空氣當(dāng)量比取0.3，污泥含水率Mt為7.99%，氣化壓力分別取0.1 MPa，0.2 MPa，0.5 MPa，1 MPa，2 MPa，4 MPa 和6 MPa。圖5～7 分別表示氣化壓力對產(chǎn)氣組分濃度，產(chǎn)氣熱值，氣體產(chǎn)率，氣化溫度和冷煤氣效率的影響。

由圖5 可知，隨著氣化壓力的升高，CO 和H2含量呈下降趨勢，CO2和CH4含量呈上升趨勢。造成這種變化趨勢的主要原因是壓力升高促使化學(xué)反應(yīng)平衡發(fā)生移動。隨著氣化壓力升高，甲烷的水蒸汽重整反應(yīng)（7）逆向移動，甲烷化反應(yīng)（8）正向移動，從而導(dǎo)致CH4含量上升，H2含量下降。另外反應(yīng)（4）、（5）的逆向移動也會導(dǎo)致H2含量下降。同理，造成CO2含量上升、CO 含量下降的主要原因是加壓使（3）（4）等反應(yīng)的正反應(yīng)受到抑制，平衡向著CO 減少、CO2含量增多的方向移動。

圖5 氣化壓力對產(chǎn)氣組分濃度的影響

由圖6 可知，隨著壓力的升高，氣體產(chǎn)率呈下降趨勢，但下降的幅度不大，壓力從0.1 MPa 變化到6 MPa 時，氣體產(chǎn)率只下降了4.56%。壓力對產(chǎn)氣熱值的影響很小，壓力從0.1 MPa 變化到6 MPa 時，產(chǎn)氣熱值只從5383.66 kJ/Nm3變化到5351.82 kJ/Nm3。

圖6 氣化壓力對產(chǎn)氣熱值和氣體產(chǎn)率的影響

由圖7 可知，氣體溫度隨壓力的升高而升高，并且升高的幅度較大。冷煤氣效率隨壓力的升高而下降，隨著壓力的升高，產(chǎn)氣熱值和氣體產(chǎn)率均有所下降，從而導(dǎo)致冷煤氣效率下降。

圖7 氣化壓力對氣化溫度和冷煤氣效率的影響

污泥加壓氣化，冷煤氣效率下降，但加壓氣化有利于CH4的生成，顯著地提高氣化溫度。當(dāng)選用中低溫度氣化時，常壓氣化即可。如果考慮將氣化過程與氣體后續(xù)利用相匹配的情況下，可以適當(dāng)?shù)脑黾託饣瘔毫Α?/p>

2.3 污泥含水率對氣化特性的影響

污泥含水率對污泥的氣化特性有重要影響。實際氣化過程中，當(dāng)燃料含水率達(dá)到25%以上時，氣化爐中的溫度波動大，燃料很難穩(wěn)定燃燒[12]。含水率高還會造成焦油凝結(jié)，管路堵塞等后果。因此本文將污泥的含水率Mt 的最大值定為30%。模擬中，空氣當(dāng)量比取0.3，氣化壓力為0.1 MPa，污泥含水率Mt分別為5%，10%，15%，20%，25%和30%。圖8-圖10 分別表示污泥含水率對產(chǎn)氣組分濃度，產(chǎn)氣熱值，氣體產(chǎn)率，氣化溫度和冷煤氣效率的影響。

由圖8 可知，隨著污泥含水率從5%升高至30%，CO、CO2含量變化較大，CH4、H2含量變化較小。由于污泥水分的增加，氧化反應(yīng)釋放的熱量更多地用于蒸發(fā)污泥中的水分，導(dǎo)致氣化溫度下降。反應(yīng)（3）、（4）、（7）等吸熱反應(yīng)受到抑制，放熱反應(yīng)（6）受到促進(jìn)，導(dǎo)致CO 含量降低，CO2含量升高。反應(yīng)（7）受到抑制，反應(yīng)（8）受到促進(jìn)，使得CH4含量升高。文獻(xiàn)[13]在研究含水率對稻草氣化特性的影響時得出的模擬結(jié)果與本模擬結(jié)果類似。

圖8 污泥含水率對產(chǎn)氣組分濃度的影響

由圖9 可知，隨著污泥含水率的升高，產(chǎn)氣熱值和氣體產(chǎn)率均呈下降趨勢。污泥含水率由5%升至30%時，產(chǎn)氣中CO 含量下降幅度較大，達(dá)到64.83%，而H2和CH4含量上升較小，因此產(chǎn)氣熱值明顯下降。

圖9 污泥含水率對產(chǎn)氣熱值和氣體產(chǎn)率的影響

由圖10 可知，隨著污泥含水率的升高，氣化溫度呈下降趨勢，冷煤氣效率先小幅上升后下降。實際氣化過程中，碳轉(zhuǎn)化率隨著氣化溫度的下降而下降，將導(dǎo)致冷煤氣效率的進(jìn)一步降低。

圖10 污泥含水率對氣化溫度和冷煤氣效率的影響

綜上，污泥含水率較高時，不僅氣化爐運行不穩(wěn)定，且容易產(chǎn)生焦油堵塞管路、影響氣體流通等問題，產(chǎn)氣熱值、氣體產(chǎn)率、冷煤氣效率也均隨含水率的升高而降低。因此，污泥氣化時，污泥含水率不宜大于15%。

3 結(jié)論

本文利用Aspen Plus 模擬平臺，建立了城市污泥流化床中低溫氣化模型并進(jìn)行模擬研究。分析了空氣當(dāng)量比、氣化壓力、污泥含水率對氣化特性的影響。得出如下結(jié)論：

1）在自維持氣化爐中，增大空氣當(dāng)量比，產(chǎn)氣中H2含量先增后減，CO、CO2、CH4含量減少。氣體產(chǎn)率、氣化溫度隨著空氣當(dāng)量比的增大而升高，產(chǎn)氣熱值、冷煤氣效率隨著空氣當(dāng)量比的增大而降低。綜合考慮空氣當(dāng)量比對氣化過程的影響，在進(jìn)行污泥中低溫氣化時，空氣當(dāng)量比選在0.3 左右較為合適。此時，氣化溫度和冷煤氣效率均處于較高水平。

2）增大氣化壓力，產(chǎn)氣中CH4含量有所上升，H2含量有所下降，CO、CO2含量變化幅度較小。氣化壓力升高對產(chǎn)氣熱值、氣體產(chǎn)率的影響較小，氣化溫度有所升高，冷煤氣效率有所下降。當(dāng)選用中低溫度氣化時，常壓氣化即可。如果考慮將氣化過程與氣體后續(xù)利用相匹配的情況下，可以適當(dāng)增加氣化壓力。

3）污泥含水率變化時，產(chǎn)氣中CO、CO2含量變化較大，CO 含量隨污泥含水率的升高而降低，CO2含量隨污泥含水率的升高而升高。產(chǎn)氣熱值、氣體產(chǎn)率、氣化溫度均隨污泥含水率的升高而降低，冷煤氣效率先小幅上升之后下降。在進(jìn)行污泥氣化反應(yīng)時，污泥含水率不宜大于15%。