基于Aspen Plus平臺的污泥富氧氣化模擬

霍小華

（山西大學工程學院，山西太原030013）

基于Aspen Plus平臺的污泥富氧氣化模擬

霍小華

（山西大學工程學院，山西太原030013）

以污泥為研究對象，利用A spen P l us軟件建立氣化反應模型，對生物質(zhì)高溫氧氣氣化進行模擬計算。探討了不同反應條件，包括空氣當量比、氣化壓力以及污泥含水率對氣化溫度、氣化產(chǎn)物、產(chǎn)氣熱值的影響。結(jié)果顯示，污泥高溫氧氣氣化得到的可燃氣體主要成分為C O、H2、C O2和H2O，H2S含量很少，C H4含量基本為零；污泥含水率的增加，必須提高空氣當量比才能確保氣化溫度在1 000℃以上；隨著空氣當量比的增加，C O和H2含量降低，產(chǎn)氣的熱值也降低；隨氣化壓力的升高，H2S和C H4的含量增加，但C O和H2的含量卻降低，產(chǎn)氣的熱值隨壓力的增加略有提高。

污泥；氣化模擬；A spen P l us軟件平臺

0 引言

與焚燒工藝相比，污泥的氣化工藝可以避免結(jié)垢腐蝕等，具有高效的能源利用率和良好的環(huán)保特性，并且氣化和熔融技術(shù)相結(jié)合可以實現(xiàn)嚴格的污染控制、顯著的減容性和高效的資源回收率等[1，2]。

目前，常采用的氣化法有空氣、富氧氣化、空氣—水蒸氣氣化、水蒸氣氣化等。采用空氣氣化，氣化氣中氮氣含量很高，氣化氣熱值很低[3]。由于模擬計算取用的污泥含水率較高，為便于考察污泥含水率的影響，不考慮采用水蒸氣氣化。鑒于以上考慮，對污泥氣化采用1 000℃的高溫氧氣來氣化。與傳統(tǒng)的氣化技術(shù)相比，此技術(shù)具有的特點是：燃氣熱值高，氣化后污泥中固體物質(zhì)呈熔融狀態(tài)，可用于作建筑材料，重金屬等有害物質(zhì)對環(huán)境的污染趨于零。

1 Aspen Plus氣化模擬

基于Aspen Plus軟件平臺，對污泥的富氧氣化過程及氣化條件對污泥氣化的影響展開研究。

1.1 污泥富氧氣化流程

污泥的氣化過程如圖1所示，包括污泥干燥和污泥氣化兩部分。研究了污泥未干燥時含水率在70%以及干燥后含水率分別在10%、20%、30%、40%、50%時對氣化產(chǎn)物的影響。

圖1 污泥富氧氣化過程

1.2 污泥富氧氣化模擬

基于Aspen Plus模擬的氣化過程如圖2所示，其中包括5個單元模塊、10個物流股和1個熱流股。DRY-REAC和DRY-FLSH模塊合在一起模擬干燥過程，模塊來自Aspen Plus中的RStoic反應模塊和Flash2分離模塊。DECOM單元是一個僅計算收率的簡單反應器，模塊來自Aspen Plus中的RYield反應模塊。DECOMP單元的主要功能是根據(jù)給定的分解溫度，將污泥分解為單元素的分子和灰分，并將分解熱導入氣化模塊（GASIFY）。GASIFY單元是一個基于Gibbs自由能最小化原理的反應器，模塊來自Aspen Plus中RGibbs反應模塊[4-6]。SEPARATE單元用來實現(xiàn)氣化產(chǎn)物的氣固兩相分離，模塊來自Aspen Plus中的SSplit分離模塊。氣化產(chǎn)物中氣體成分考慮H2、CO、CO2、CH4、H2O、N2、H2S、SO2、O2、C以及灰分，不考慮焦油含量[7]。

建模的假設條件為：氣化爐處于穩(wěn)定運行狀態(tài)，所有參數(shù)不隨時間發(fā)生變化；氣化劑與生物質(zhì)顆粒在爐內(nèi)瞬間完全混合；生物質(zhì)中的H、O、N、S全部轉(zhuǎn)為氣相，而C隨條件的變化不完全轉(zhuǎn)化；氣化爐內(nèi)的壓力相同，無壓力降；生物質(zhì)中的灰分為惰性物質(zhì)，在氣化過程中不參與反應；生物質(zhì)的顆粒溫度均勻，無梯度；所有氣相反應速度都很快，且達到了平衡[8]。

圖2 Aspen Plus模擬流程圖

1.3 污泥組成

Aspen Plus模擬時使用的污泥來自北京市某污水處理廠。污泥的工業(yè)分析及元素分析見表1。

表1 污泥的工業(yè)分析和元素分析

1.4 污泥富氧氣化條件

氣化過程中，考察了污泥含水率、空氣當量比（EquivalentRatio，簡稱ER）和氣化壓力三個因素對氣化的影響。ER為污泥氣化實際供給的空氣量與污泥完全燃燒所需空氣量之比。

模擬計算時，相關(guān)參數(shù)見表2。

表2 污泥氣化模擬參數(shù)

2 污泥富氧氣化結(jié)果與分析

根據(jù)圖2所建立的Aspen Plus模擬流程，得出不同含水率、不同空氣當量比、不同氣化壓力下產(chǎn)氣的成分。

2.1 污泥含水率的影響

污泥含水率對氣化有較大影響，若含水率較高，則必須增加ER來維持氣化溫度，而ER的增加將降低氣化產(chǎn)氣的熱值。為了研究含水率的影響，計算時保持氣化溫度和氣化壓力分別在1 000℃、0.2MPa不變。污泥含水率對產(chǎn)氣的影響以及在該含水率下為維持溫度所需的最小ER值，見表3。

表3 污泥富氧氣化結(jié)果

由表3可知，氣化產(chǎn)氣有H2S，CH4，CO2，H2O，N2以及CO和H2，其中CO和H2為主要成分。隨著污泥含水率的增加，為維持反應溫度，所需的最小ER也在增加。隨著ER的增加，CO的含量不斷降低，這是因為過多的氧氣參與后，反應趨向燃燒。水分的增加，在一定程度上會增加H2的含量，但過多會降低H2的含量。綜合考慮到CO和H2的產(chǎn)量變化，最終產(chǎn)氣的熱值隨著含水率的增加而急劇降低。

2.2 ER的影響

為研究ER對氣化的影響，模擬計算時，污泥含水率設定在10%，氣化壓力為0.2MPa。

當ER從0.1逐漸增加到1.0時，氣化溫度及產(chǎn)氣熱值的變化如圖3所示。反應溫度隨ER的增加而逐漸升高。為了保證反應在1 000℃以上進行，ER必須在0.4或以上。由圖4可知，在ER達到0.3之前，H2的含量隨著ER的增大而增加，H2O的含量不斷降低；CO的含量在ER達到0.4之前都隨著ER的增大而增加。因此，在圖3中，當ER從0.1逐漸增大到0.3時，產(chǎn)氣的熱值逐漸增加，當ER達到0.4后，產(chǎn)氣的熱值隨著ER增大逐漸降低?？梢钥闯?，當污泥含水率在10%時，最佳ER介于0.3和0.4之間。

2.3 氣化壓力的影響

為研究氣化壓力對氣化的影響，計算時反應溫度和ER保持不變，其值分別為1 000℃、0.4，計算結(jié)果如圖5所示。氣化壓力對氣化產(chǎn)物的影響較小，只有氣化壓力大大增加時，才會影響到氣化產(chǎn)物。隨著氣化壓力的增加，CO和H2的含量略有減少，H2S、CH4、H2O和CO2的含量略有增加，氣化產(chǎn)物的熱值略有增加。

圖3 ER對溫度和氣體熱值的影響

圖4 ER對氣化氣成分的影響

3 結(jié)論

通過分析污泥不同含水率、空氣當量比以及不同氣化壓力對氣化溫度、氣化熱值的影響，可得出以下結(jié)論。

a）污泥高溫氧氣氣化得到的氣體中主要成分為CO、H2、CO2和H2O，H2S和CH4含量很少，基本為0。

圖5 氣化壓力對氣化產(chǎn)物的影響（T=1 273 K，ER=0.4）

b）為確保反應在1 000℃及以上進行，隨著污泥含水率的增加，空氣當量比需要不斷增加，對應的CO、H2含量不斷降低，產(chǎn)氣熱值不斷降低。

c）氣化壓力對氣化溫度及產(chǎn)氣熱值影響很小，可以忽略。

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Aspen Plus-based Gasification Simulation of Sludge w ith Higher Oxygen Content

HUO Xiao-hua
（Engineering College of Shanxi University，Taiyuan，Shanxi 030013，China）

Based on Aspen Plus,a computer simulation model for sludge gasification was developed.The influences ofmoisture contentin sludge，gasification pressureand equivalence ratio（ER）were considered.The resultsshowed that the produced gasweremainly CO，H2，CO2and H2O with little H2S，while CH4was almostnegligible；with the increase ofmoisture content in sludge，ER should be increased in order tomaintain the temperature above 1 000℃；with the increase of ER，the quantity ofCO and H2decreased，which led to the decreaseof the calorific valueof the producerd gas；with the increaseofgasification pressure,thequantity ofH2Sand CH4increased while thatofCO and H2decreased，and the calorific value increased slightly.

sludge；gasification simulation；Aspen Plus

TK62

A

1671-0320（2014）01-0048-03

2013-08-21，

2013-12-10

霍小華（1985-），女，山西臨汾人，2010年畢業(yè)于華北電力大學熱能工程專業(yè)，助教，從事固體燃料的高效清潔利用工作。