基于Aspen Plus平台的污泥富氧气化模拟

霍小华

（山西大学工程学院，山西太原030013）

基于Aspen Plus平台的污泥富氧气化模拟

霍小华

（山西大学工程学院，山西太原030013）

以污泥为研究对象，利用A spen P l us软件建立气化反应模型，对生物质高温氧气气化进行模拟计算。探讨了不同反应条件，包括空气当量比、气化压力以及污泥含水率对气化温度、气化产物、产气热值的影响。结果显示，污泥高温氧气气化得到的可燃气体主要成分为C O、H2、C O2和H2O，H2S含量很少，C H4含量基本为零；污泥含水率的增加，必须提高空气当量比才能确保气化温度在1 000℃以上；随着空气当量比的增加，C O和H2含量降低，产气的热值也降低；随气化压力的升高，H2S和C H4的含量增加，但C O和H2的含量却降低，产气的热值随压力的增加略有提高。

污泥；气化模拟；A spen P l us软件平台

0 引言

与焚烧工艺相比，污泥的气化工艺可以避免结垢腐蚀等，具有高效的能源利用率和良好的环保特性，并且气化和熔融技术相结合可以实现严格的污染控制、显著的减容性和高效的资源回收率等[1，2]。

目前，常采用的气化法有空气、富氧气化、空气—水蒸气气化、水蒸气气化等。采用空气气化，气化气中氮气含量很高，气化气热值很低[3]。由于模拟计算取用的污泥含水率较高，为便于考察污泥含水率的影响，不考虑采用水蒸气气化。鉴于以上考虑，对污泥气化采用1 000℃的高温氧气来气化。与传统的气化技术相比，此技术具有的特点是：燃气热值高，气化后污泥中固体物质呈熔融状态，可用于作建筑材料，重金属等有害物质对环境的污染趋于零。

1 Aspen Plus气化模拟

基于Aspen Plus软件平台，对污泥的富氧气化过程及气化条件对污泥气化的影响展开研究。

1.1 污泥富氧气化流程

污泥的气化过程如图1所示，包括污泥干燥和污泥气化两部分。研究了污泥未干燥时含水率在70%以及干燥后含水率分别在10%、20%、30%、40%、50%时对气化产物的影响。

图1 污泥富氧气化过程

1.2 污泥富氧气化模拟

基于Aspen Plus模拟的气化过程如图2所示，其中包括5个单元模块、10个物流股和1个热流股。DRY-REAC和DRY-FLSH模块合在一起模拟干燥过程，模块来自Aspen Plus中的RStoic反应模块和Flash2分离模块。DECOM单元是一个仅计算收率的简单反应器，模块来自Aspen Plus中的RYield反应模块。DECOMP单元的主要功能是根据给定的分解温度，将污泥分解为单元素的分子和灰分，并将分解热导入气化模块（GASIFY）。GASIFY单元是一个基于Gibbs自由能最小化原理的反应器，模块来自Aspen Plus中RGibbs反应模块[4-6]。SEPARATE单元用来实现气化产物的气固两相分离，模块来自Aspen Plus中的SSplit分离模块。气化产物中气体成分考虑H2、CO、CO2、CH4、H2O、N2、H2S、SO2、O2、C以及灰分，不考虑焦油含量[7]。

建模的假设条件为：气化炉处于稳定运行状态，所有参数不随时间发生变化；气化剂与生物质颗粒在炉内瞬间完全混合；生物质中的H、O、N、S全部转为气相，而C随条件的变化不完全转化；气化炉内的压力相同，无压力降；生物质中的灰分为惰性物质，在气化过程中不参与反应；生物质的颗粒温度均匀，无梯度；所有气相反应速度都很快，且达到了平衡[8]。

图2 Aspen Plus模拟流程图

1.3 污泥组成

Aspen Plus模拟时使用的污泥来自北京市某污水处理厂。污泥的工业分析及元素分析见表1。

表1 污泥的工业分析和元素分析

1.4 污泥富氧气化条件

气化过程中，考察了污泥含水率、空气当量比（EquivalentRatio，简称ER）和气化压力三个因素对气化的影响。ER为污泥气化实际供给的空气量与污泥完全燃烧所需空气量之比。

模拟计算时，相关参数见表2。

表2 污泥气化模拟参数

2 污泥富氧气化结果与分析

根据图2所建立的Aspen Plus模拟流程，得出不同含水率、不同空气当量比、不同气化压力下产气的成分。

2.1 污泥含水率的影响

污泥含水率对气化有较大影响，若含水率较高，则必须增加ER来维持气化温度，而ER的增加将降低气化产气的热值。为了研究含水率的影响，计算时保持气化温度和气化压力分别在1 000℃、0.2MPa不变。污泥含水率对产气的影响以及在该含水率下为维持温度所需的最小ER值，见表3。

表3 污泥富氧气化结果

由表3可知，气化产气有H2S，CH4，CO2，H2O，N2以及CO和H2，其中CO和H2为主要成分。随着污泥含水率的增加，为维持反应温度，所需的最小ER也在增加。随着ER的增加，CO的含量不断降低，这是因为过多的氧气参与后，反应趋向燃烧。水分的增加，在一定程度上会增加H2的含量，但过多会降低H2的含量。综合考虑到CO和H2的产量变化，最终产气的热值随着含水率的增加而急剧降低。

2.2 ER的影响

为研究ER对气化的影响，模拟计算时，污泥含水率设定在10%，气化压力为0.2MPa。

当ER从0.1逐渐增加到1.0时，气化温度及产气热值的变化如图3所示。反应温度随ER的增加而逐渐升高。为了保证反应在1 000℃以上进行，ER必须在0.4或以上。由图4可知，在ER达到0.3之前，H2的含量随着ER的增大而增加，H2O的含量不断降低；CO的含量在ER达到0.4之前都随着ER的增大而增加。因此，在图3中，当ER从0.1逐渐增大到0.3时，产气的热值逐渐增加，当ER达到0.4后，产气的热值随着ER增大逐渐降低。可以看出，当污泥含水率在10%时，最佳ER介于0.3和0.4之间。

2.3 气化压力的影响

为研究气化压力对气化的影响，计算时反应温度和ER保持不变，其值分别为1 000℃、0.4，计算结果如图5所示。气化压力对气化产物的影响较小，只有气化压力大大增加时，才会影响到气化产物。随着气化压力的增加，CO和H2的含量略有减少，H2S、CH4、H2O和CO2的含量略有增加，气化产物的热值略有增加。

图3 ER对温度和气体热值的影响

图4 ER对气化气成分的影响

3 结论

通过分析污泥不同含水率、空气当量比以及不同气化压力对气化温度、气化热值的影响，可得出以下结论。

a）污泥高温氧气气化得到的气体中主要成分为CO、H2、CO2和H2O，H2S和CH4含量很少，基本为0。

图5 气化压力对气化产物的影响（T=1 273 K，ER=0.4）

b）为确保反应在1 000℃及以上进行，随着污泥含水率的增加，空气当量比需要不断增加，对应的CO、H2含量不断降低，产气热值不断降低。

c）气化压力对气化温度及产气热值影响很小，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，严建华，肖刚，等.城市生活垃圾气化处理技术［J］.科技通报，2004，6（20）：560-564.

［3］陈蔚萍，陈迎伟，刘振峰.生物质气化工艺技术应用与进展［J］.河南大学学报，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］高杨，肖军，沈来宏.生物质气化制氢的模拟［J］.燃烧科学与技术，2006，12（6）：540-544.

［8］陈雪莉，张巍巍，栗冬，等.生物质气流床气化技术分析与探讨［J］.计算机与应用化学，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

霍小华（1985-），女，山西临汾人，2010年毕业于华北电力大学热能工程专业，助教，从事固体燃料的高效清洁利用工作。