基于A(yíng)spen Plus 的城市污泥中低溫氣化模擬研究

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(guò)程測(cè)控教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

2 無(wú)錫國(guó)聯(lián)環(huán)保科技股份有限公司

隨著我國(guó)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(shì)。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(shí)驗(yàn)研究階段。受實(shí)驗(yàn)條件和實(shí)驗(yàn)裝置的限制，難以通過(guò)實(shí)驗(yàn)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(duì)氣化特性的影響規(guī)律，可以有效彌補(bǔ)實(shí)驗(yàn)的不足，有利于進(jìn)一步指導(dǎo)氣化過(guò)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(guò)程。研究表明，Aspen Plus 能較為準(zhǔn)確地模擬出氣化過(guò)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(guò)程，RGIBBS 基于吉布斯自由能最小來(lái)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(shí)基于以下假設(shè)[8-9]：

1）氣化爐在運(yùn)行中保持穩(wěn)定狀態(tài)，所有參數(shù)不因時(shí)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(guò)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?jiān)珹IR 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(guò)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(guò)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(lái)自某污水處理廠(chǎng)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(shí)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(gè)大氣壓。由于氣化過(guò)程中生成的CnHm 體積分?jǐn)?shù)很小，故模擬中忽略不計(jì)，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(duì)氣化特性的影響

空氣當(dāng)量比ER 表示氣化過(guò)程中實(shí)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(guò)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(dú)研究氣化溫度對(duì)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(duì)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(shì)，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(shì)，空氣當(dāng)量比在0.25～0.30之間時(shí)H2含量處于較高水平。當(dāng)空氣當(dāng)量比為0.25時(shí)，H2含量為24.78%。造成這種變化趨勢(shì)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(dòng)，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(dòng)，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(dòng)，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(dòng)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(yàn)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(duì)產(chǎn)氣組分濃度的影響

圖3 空氣當(dāng)量比對(duì)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(shí)，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(gè)因素的影響，在兩個(gè)因素的綜合作用下，冷煤氣效率呈現(xiàn)出下降趨勢(shì)。

圖4 空氣當(dāng)量比對(duì)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(shí)，空氣當(dāng)量比應(yīng)選在0.3 左右合適。此時(shí)，氣化溫度處在較高的水平，同時(shí)冷煤氣效率未發(fā)生顯著降低。

2.2 氣化壓力對(duì)氣化特性的影響

模擬時(shí)，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(duì)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(shì)，CO2和CH4含量呈上升趨勢(shì)。造成這種變化趨勢(shì)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(dòng)。隨著氣化壓力升高，甲烷的水蒸汽重整反應(yīng)（7）逆向移動(dòng)，甲烷化反應(yīng)（8）正向移動(dòng)，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(dòng)也會(huì)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(dòng)。

圖5 氣化壓力對(duì)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(shì)，但下降的幅度不大，壓力從0.1 MPa 變化到6 MPa 時(shí)，氣體產(chǎn)率只下降了4.56%。壓力對(duì)產(chǎn)氣熱值的影響很小，壓力從0.1 MPa 變化到6 MPa 時(shí)，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(duì)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(duì)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(shí)，常壓氣化即可。如果考慮將氣化過(guò)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(duì)氣化特性的影響

污泥含水率對(duì)污泥的氣化特性有重要影響。實(shí)際氣化過(guò)程中，當(dāng)燃料含水率達(dá)到25%以上時(shí)，氣化爐中的溫度波動(dòng)大，燃料很難穩(wěn)定燃燒[12]。含水率高還會(huì)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(duì)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(duì)稻草氣化特性的影響時(shí)得出的模擬結(jié)果與本模擬結(jié)果類(lèi)似。

圖8 污泥含水率對(duì)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(shì)。污泥含水率由5%升至30%時(shí)，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(duì)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(shì)，冷煤氣效率先小幅上升后下降。實(shí)際氣化過(guò)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(duì)氣化溫度和冷煤氣效率的影響

綜上，污泥含水率較高時(shí)，不僅氣化爐運(yùn)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(wèn)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(shí)，污泥含水率不宜大于15%。

3 結(jié)論

本文利用Aspen Plus 模擬平臺(tái)，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(duì)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(duì)氣化過(guò)程的影響，在進(jìn)行污泥中低溫氣化時(shí)，空氣當(dāng)量比選在0.3 左右較為合適。此時(shí)，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(duì)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(shí)，常壓氣化即可。如果考慮將氣化過(guò)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(shí)，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(shí)，污泥含水率不宜大于15%。