霍小華

（山西大學(xué)工程學(xué)院，山西太原030013）

基于Aspen Plus平臺(tái)的污泥富氧氣化模擬

霍小華

（山西大學(xué)工程學(xué)院，山西太原030013）

以污泥為研究對(duì)象，利用A spen P l us軟件建立氣化反應(yīng)模型，對(duì)生物質(zhì)高溫氧氣氣化進(jìn)行模擬計(jì)算。探討了不同反應(yīng)條件，包括空氣當(dāng)量比、氣化壓力以及污泥含水率對(duì)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?xì)怏w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(dāng)量比才能確保氣化溫度在1 000℃以上；隨著空氣當(dāng)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(tái)

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(shí)現(xiàn)嚴(yán)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?dú)夂亢芨撸瑲饣瘹鉄嶂岛艿蚚3]。由于模擬計(jì)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(duì)污泥氣化采用1 000℃的高溫氧氣來(lái)氣化。與傳統(tǒng)的氣化技術(shù)相比，此技術(shù)具有的特點(diǎn)是：燃?xì)鉄嶂蹈?，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(duì)環(huán)境的污染趨于零。

1 Aspen Plus氣化模擬

基于Aspen Plus軟件平臺(tái)，對(duì)污泥的富氧氣化過(guò)程及氣化條件對(duì)污泥氣化的影響展開(kāi)研究。

1.1 污泥富氧氣化流程

污泥的氣化過(guò)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(shí)含水率在70%以及干燥后含水率分別在10%、20%、30%、40%、50%時(shí)對(duì)氣化產(chǎn)物的影響。

圖1 污泥富氧氣化過(guò)程

1.2 污泥富氧氣化模擬

基于Aspen Plus模擬的氣化過(guò)程如圖2所示，其中包括5個(gè)單元模塊、10個(gè)物流股和1個(gè)熱流股。DRY-REAC和DRY-FLSH模塊合在一起模擬干燥過(guò)程，模塊來(lái)自Aspen Plus中的RStoic反應(yīng)模塊和Flash2分離模塊。DECOM單元是一個(gè)僅計(jì)算收率的簡(jiǎn)單反應(yīng)器，模塊來(lái)自Aspen Plus中的RYield反應(yīng)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(dǎo)入氣化模塊（GASIFY）。GASIFY單元是一個(gè)基于Gibbs自由能最小化原理的反應(yīng)器，模塊來(lái)自Aspen Plus中RGibbs反應(yīng)模塊[4-6]。SEPARATE單元用來(lái)實(shí)現(xiàn)氣化產(chǎn)物的氣固兩相分離，模塊來(lái)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(shè)條件為：氣化爐處于穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，所有參數(shù)不隨時(shí)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(wú)壓力降；生物質(zhì)中的灰分為惰性物質(zhì)，在氣化過(guò)程中不參與反應(yīng)；生物質(zhì)的顆粒溫度均勻，無(wú)梯度；所有氣相反應(yīng)速度都很快，且達(dá)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(shí)使用的污泥來(lái)自北京市某污水處理廠。污泥的工業(yè)分析及元素分析見(jiàn)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(guò)程中，考察了污泥含水率、空氣當(dāng)量比（EquivalentRatio，簡(jiǎn)稱ER）和氣化壓力三個(gè)因素對(duì)氣化的影響。ER為污泥氣化實(shí)際供給的空氣量與污泥完全燃燒所需空氣量之比。

模擬計(jì)算時(shí)，相關(guān)參數(shù)見(jiàn)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(dāng)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(duì)氣化有較大影響，若含水率較高，則必須增加ER來(lái)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(jì)算時(shí)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(duì)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(jiàn)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(yīng)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?yàn)檫^(guò)多的氧氣參與后，反應(yīng)趨向燃燒。水分的增加，在一定程度上會(huì)增加H2的含量，但過(guò)多會(huì)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(duì)氣化的影響，模擬計(jì)算時(shí)，污泥含水率設(shè)定在10%，氣化壓力為0.2MPa。

當(dāng)ER從0.1逐漸增加到1.0時(shí)，氣化溫度及產(chǎn)氣熱值的變化如圖3所示。反應(yīng)溫度隨ER的增加而逐漸升高。為了保證反應(yīng)在1 000℃以上進(jìn)行，ER必須在0.4或以上。由圖4可知，在ER達(dá)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(dá)到0.4之前都隨著ER的增大而增加。因此，在圖3中，當(dāng)ER從0.1逐漸增大到0.3時(shí)，產(chǎn)氣的熱值逐漸增加，當(dāng)ER達(dá)到0.4后，產(chǎn)氣的熱值隨著ER增大逐漸降低?？梢钥闯?，當(dāng)污泥含水率在10%時(shí)，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(duì)氣化的影響，計(jì)算時(shí)反應(yīng)溫度和ER保持不變，其值分別為1 000℃、0.4，計(jì)算結(jié)果如圖5所示。氣化壓力對(duì)氣化產(chǎn)物的影響較小，只有氣化壓力大大增加時(shí)，才會(huì)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(duì)溫度和氣體熱值的影響

圖4 ER對(duì)氣化氣成分的影響

3 結(jié)論

通過(guò)分析污泥不同含水率、空氣當(dāng)量比以及不同氣化壓力對(duì)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(duì)氣化產(chǎn)物的影響（T=1 273 K，ER=0.4）

b）為確保反應(yīng)在1 000℃及以上進(jìn)行，隨著污泥含水率的增加，空氣當(dāng)量比需要不斷增加，對(duì)應(yīng)的CO、H2含量不斷降低，產(chǎn)氣熱值不斷降低。

c）氣化壓力對(duì)氣化溫度及產(chǎn)氣熱值影響很小，可以忽略。

［1］Sylwester Kalisz，Marek Pronobis，David Baxter.Co-firing of biomass waste-derived syngas in coal power boile r［J］.Energy，2008，12（33）：1770-1778.

［2］徐嘉，嚴(yán)建華，肖剛，等.城市生活垃圾氣化處理技術(shù)［J］.科技通報(bào)，2004，6（20）：560-564.

［3］陳蔚萍，陳迎偉，劉振峰.生物質(zhì)氣化工藝技術(shù)應(yīng)用與進(jìn)展［J］.河南大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，37（1）：35-41.

［4］Aspen Technology.Aspen plus user guide［M］.USA：Aspen Technology，2000：36-188.

［5］Aspen Technology.Aspen plus getting started solids［M］.USA：Aspen Technology，2000：7-37.

［6］Sotudeh—Gharebaagh R，Legxos R，Chaould J.Simulation of circulating fluidized bed reactorsusing Aspen Plus［J］.Fuel，1998，77（4）：327-337.

［7］高楊，肖軍，沈來(lái)宏.生物質(zhì)氣化制氫的模擬［J］.燃燒科學(xué)與技術(shù)，2006，12（6）：540-544.

［8］陳雪莉，張巍巍，栗冬，等.生物質(zhì)氣流床氣化技術(shù)分析與探討［J］.計(jì)算機(jī)與應(yīng)用化學(xué)，2007，24（3）：355-358.

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(xué)熱能工程專業(yè)，助教，從事固體燃料的高效清潔利用工作。