Aspen Plus平台下的污泥富氧气化模拟分析

乔 建

(山西国控环球工程有限公司，山西 太原 03000)

引 言

使用Aspen Plus软件建立对应的气化反应模型，在此基础上对污泥的气化反应进行模拟和观察，计算生物质高温氧化的具体数值，进一步探讨不同条件下污泥气化反应的变化。污泥的气化具有多种优点，能够有效避免焚烧工艺很容易导致的结垢和腐蚀，同时能够实现对能源的高效利用，气化过程不会对环境产生严重污染，具有较好的环保效果。另一方面，污泥的气化工艺可以与熔融技术有效结合，从而实现有效的污染物排放控制，达到有效的减容效果，还可以实现良好的资源回收。当前比较常见的气化方法包括空气、富氧气化、空气—水蒸气气化、水蒸气气化等，其中空气气化气化气中含有大量氮气，而且其气化气热值比较低。

1 Aspen Plus气化模拟

1.1 污泥富氧气化流程

污泥的气化过程如下：将湿污泥放入干燥器，对其进行加热，得到废气和干污泥，将干污泥放入气化器，加入气化介质，得到气化气和灰分。污泥的气化过程主要包括污泥的加热干燥和污泥的气化。文章将研究污泥在未得到干燥前含水率在70%以及干燥后不同含水率情况下气化产物的差异，研究污泥含水率对气化反应的影响。

1.2 污泥富氧气化模拟

基于Aspen Plus模拟的气化过程包括5个单元模块、10个物流工艺流股和1个热流工艺流股，其中DRY-REAC和DRY-FLSH模块主要是为了模拟污泥的干燥过程，具体对应系统软件的RYield反应模块。ECOM P单元主要用于在不同温度环境下对污泥进行分解，得到对应的气化气和灰分，还需要将分解热进一步导入气化模块。GASIFY单元是一个基于Gibbs自由能最小化原理的反应器，这个单一的模块来自系统软件RGibbs反应模块。SEPARATE单元在实践过程中主要的作用在于有效分离气化产物的气体和固体物质，其模块来自系统软件中的SSplit分离模块。结合污泥气化的相关资料和实验结果，气化产物中气体成分考虑主要包括H2、CO、CO2、CH4、H2O、N2、H2S、SO2、O2、C以及灰分，本次研究不考虑污泥气化过程中焦油含量[1]。

应用Aspen Plus实施建模，必须满足相应的假设条件，具体包括：实验过程中气化炉处于稳定运行状态，其气化过程不会受到其他因素影响，同时实验过程中所有参数不随时间发生变化。本次研究采用的气化剂与生物质颗粒能实现瞬间的完全混合，满足气化需要；生物质中的H、O、N、S能够全部转为气相，与此同时C随条件的变化不完全转化；气化炉内各个部位均处于相同压力环境下；生物质中的灰分为惰性物质，在具体的气化过程中不会参与反应；生物质的颗粒能够达到均匀温度；所有气相反应速度都很快，同时在反应过程中达到一个平衡[2]。

1.3 污泥组成

本次研究使用的污泥来自某污水处理厂。

1.4 污泥富氧气化条件

本次研究主要考察污泥气化过程中相关影响因素对气化结果产生的实际影响，具体包括污泥含水率、空气当量比、气化压力三个因素对气化的影响，其中空气当量比指的是污泥气化过程中实际供给的空气量与污泥完全燃烧所需空气量之比。

2 污泥富氧气化结果与分析

2.1 污泥含水率的影响

分析显示，污泥的含水率对其气化结果具有较大影响，具体来讲，气化过程中随着含水率的增加，为了维持对应的气化温度，就需要不断增加空气当量比，随着空气当量比的增加，气化产气的热值也会随之下降。为了准确分析污泥含水率对气化结果的影响，在实际计算过程中将气化温度控制在1 000 ℃，气化压力则控制在0.2 MPa。在不同含水率情况下气化结果显示见表1。

表1 不同含水率情况下气化结果显示 mol/s

分析发现，污泥气化过程产气较多，具体包括H2S、CH4、CO2、H2O、N2、CO和H2，其中CO和H2为主要成分。进一步分析得出，当污泥含水率不断增加，为了有效维持对应的反应温度，对应的空气当量比也会增加。同时当空气当量比增加以后，CO的含量不断降低。空气当量比增加使得气化中氧气增加，气化反应逐渐趋向燃烧。污泥中水分的增加，会在一定程度上会增加H2的含量，当污泥含水率达到一定程度，反而会降低H2的含量。对不同含水率情况下的气化反应进行综合分析，考察CO和H2的产量变化，结果显示，产气的热值随着含水率的增加而急剧降低。

2.2 空气当量比的影响

为研究空气当量比对污泥气化的具体影响，在使用Aspen Plus进行具体的模拟计算时，将污泥的含水率设定为10%，气化压力设定为0.2 MPa。在此基础上控制空气当量比，将其由0.1逐渐增加到1.0，观察不同空气当量比情况下气化温度及产气热值的变化。结果显示，污泥气化反应温度会随着空气当量比的增加而逐渐升高。要想确保反应在温度在1 000 ℃以上进行，空气当量比必须达到0.4及或以上。进一步分析发现，污泥气化反应过程中空气当量比达到0.3之前，气化结果中H2的含量会随着空气当量比的增大而增加，与此同时H2O的含量不断降低；污泥气化过程中CO的含量空气当量比达到0.4之前，会随着空气当量比的增大而增加。当污泥气化过程中空气当量比从0.1逐渐增大到0.3时，产气的热值逐渐增加，当污泥气化过程中空气当量比达到0.4后，产气的热值会随着空气当量比的增大逐渐降低。最终结果显示，当污泥含水率在10%时，实施气化的最佳空气当量比需要控制在0.3和0.4之间。

2.3 气化压力的影响

为了研究污泥气化过程中气化压力对气化结果的影响，在使用Aspen Plus进行模拟设计时，反应温度和空气当量比保持不变，其值分别为1 000 ℃、0.4，在此基础上观察不同气化压力下污泥气化结果。结果显示，气化压力对污泥气化过程中气化产物的影响较小，只有气化压力大大增加，才会影响到污泥气化的最终结果，对气化产物产生影响。另一方面，当污泥气化过程中气化压力不断增加，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。

3 结论

本次研究使用Aspen Plus分析污泥气化过程中不同影响因素对最终结果的影响，具体包括污泥含水率、空气当量比以及气化压力对气化温度、气化热值的影响。经过实验，得到如下相关结果，污泥高温氧气气化得到的气体中主要成分为CO、H2，H2O的含量很少，基本为0；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；气化压力对气化温度及产气热值影响很小，可以忽略。