基于Aspen Plus 的城市污泥中低温气化模拟研究

王清 陈晓平 杨叙军 宋联 朱葛

1 东南大学能源转换及其过程测控教育部重点实验室

2 无锡国联环保科技股份有限公司

随着我国城市化进程的加快和城市污水处理率的提高，随之产生的污泥量也急剧增加。传统的污泥处置工艺包括堆肥、填埋、焚烧等[1]。污泥气化作为一种新型的污泥处置工艺，具备以上处置工艺不具备的优势。污泥气化减容效果明显，有害物质排放少，易于控制。与焚烧工艺相比，气化工艺的二氧化硫、氮氧化物等有害气体的排放量明显减少[2]，中低温气化还能有效降低重金属的排放[3-4]。

目前关于污泥气化的研究主要集中在实验研究阶段。受实验条件和实验装置的限制，难以通过实验研究全面掌握污泥的气化特性。本文利用Aspen Plus系统地研究了空气当量比、气化压力、污泥含水率对气化特性的影响规律，可以有效弥补实验的不足，有利于进一步指导气化过程的优化。

1 Aspen Plus 气化建模

Aspen Plus 软件是一种具有强大功能的流程模拟软件，在文献中被广泛应用于模拟各种气化反应过程。研究表明，Aspen Plus 能较为准确地模拟出气化过程的变化规律[5-6]。

Aspen Plus 中气化炉模型采用RYIELD 和RGIBBS 模块。其中，RYIELD 主要用于模拟污泥的热解过程，RGIBBS 基于吉布斯自由能最小来模拟污泥气化的最终平衡状态[7]。在RGIBBS 模块设置中，考虑碳的不完全转化，提高模拟的准确程度。

使用Aspen Plus 进行污泥气化建模时基于以下假设[8-9]：

1）气化炉在运行中保持稳定状态，所有参数不因时间的变化而变化。

2）污泥中的O、H、S、N 元素全部转化为气相，而C 由于条件变化进行不完全转化。

3）污泥中灰分视为惰性物质，不参与气化过程。

4）气化介质与污泥颗粒在气化炉内瞬间完全的混合。

5）所有气相反应快速反应，且均达到平衡。

6）污泥颗粒温度均匀，温度梯度为零。

7）气化炉内压力一致，压降为零。

基于以上假设建立的Aspen Plus 模型如图1 所示，DECOMP 表示裂解模块，GASFIER 表示气化模块，SEP 表示分离模块。SLUDGE 表示污泥，INBURN表示裂解产物，GAS 表示产气，SOLID 表示气化残渣，AIR 表示气化剂—空气。Q-DECOMP 表示裂解热，Q-LOSS 表示散热损失，Q-LOSS 按污泥收到基低位热值的2%取得。气化炉为自维持系统，由碳与气化剂的氧化反应提供裂解过程和还原反应需要的热量。

图1 污泥气化系统流程图

污泥气化过程包括的主要反应有[10]：

1.2 物料组成及气化条件

气化模拟中选用的污泥样品是来自某污水处理厂的干化污泥，污泥的工业分析，元素分析及热值如表1 所示，其中热值Qnet,ar为污泥含水率Mt为7.99%时的收到基低位热值。

表1 城市污泥工业分析与元素分析

气化条件：气化剂为空气，环境温度为20 ℃，环境压力为1 个大气压。由于气化过程中生成的CnHm 体积分数很小，故模拟中忽略不计，模拟中假设焦油全部裂解。考虑工业规模的气化炉中污泥气化反应较充分，碳的转化率较高，本文的模拟中碳转化率统一取95%。

2 结果与分析

2.1 空气当量比ER 对气化特性的影响

空气当量比ER 表示气化过程中实际通入的空气量与完全燃烧需要的理论空气量的比值。气化过程中，空气当量比和气化温度均是影响污泥气化特性的重要因素。由于本模拟中的气化炉为自维持气化炉，气化温度由进入气化炉的空气量和污泥特性决定，因此本文未单独研究气化温度对气化特性的影响。模拟中，气化压力为0.1 MPa，污泥含水率Mt为7.99%，空气当量比分别取0.2，0.25，0.3，0.35 和0.4。图2～4 分别表示空气当量比对产气组分浓度，产气热值，气体产率，气化温度和冷煤气效率的影响。

由图2 可知，随着空气当量比升高，CO、CO2、CH4含量呈下降趋势，其中，CH4含量下降的幅度最大。H2含量呈先上升后下降的趋势，空气当量比在0.25～0.30之间时H2含量处于较高水平。当空气当量比为0.25时，H2含量为24.78%。造成这种变化趋势的主要原因有：1）随着空气当量比的升高，即进入气化炉的O2量的升高，促进了产气中CO、H2、CH4的氧化反应。2）气化温度随着空气当量比的升高而升高，化学反应发生平衡移动，造成CO、CO2、H2、CH4含量的变化。3）空气带入的大量N2稀释了产气中可燃组分的浓度，改变了CO、CO2、H2、CH4的含量。CO 含量的降低主要原因可能是是O2量的升高导致CO 的氧化反应加剧，CO2含量的降低主要原因可能是空气带入的大量N2稀释了产气中CO2的浓度。H2浓度前期升高主要原因可能是由于化学反应的平衡移动，气化温度升高促进了气体重整反应（4）、（5）、（7）和甲烷分解反应的正向移动，后期降低的主要原因可能是N2的稀释作用占了主导地位。CH4含量降低主要是反应的平衡移动和N2的稀释作用共同导致的，气化温度升高促进了CH4的分解反应、CH4与水蒸气的重整反应。米铁等[11]在生物质气化试验中得到的气化规律与本模拟结果较为吻合。

图2 空气当量比对产气组分浓度的影响

图3 空气当量比对产气热值和气体产率的影响

由图3 可知，产气热值随着空气当量比的升高而降低，气体产率随着空气当量比的升高而升高。产气热值从7392.63 kJ/Nm3降低到4063.54 kJ/Nm3，主要由于产气中的可燃组分CO、H2、CH4含量降低。气体产率随着空气当量比的升高而升高，气体产率从1.46 Nm3/kg 升高到2.14 Nm3/kg。

由图4 可知，随着空气当量比升高，气化温度升高，冷煤气效率下降，其中冷煤气效率在空气当量比大于0.3 时，下降的速度变快。随着进入气化炉的O2量的升高，促进了CO、H2、CH4的氧化反应，反应放出的热量导致气化温度升高。冷煤气效率受产气热值和气体产率两个因素的影响，在两个因素的综合作用下，冷煤气效率呈现出下降趋势。

图4 空气当量比对气化温度和冷煤气效率的影响

由以上分析可知，在进行污泥中低温气化时，空气当量比应选在0.3 左右合适。此时，气化温度处在较高的水平，同时冷煤气效率未发生显著降低。

2.2 气化压力对气化特性的影响

模拟时，空气当量比取0.3，污泥含水率Mt为7.99%，气化压力分别取0.1 MPa，0.2 MPa，0.5 MPa，1 MPa，2 MPa，4 MPa 和6 MPa。图5～7 分别表示气化压力对产气组分浓度，产气热值，气体产率，气化温度和冷煤气效率的影响。

由图5 可知，随着气化压力的升高，CO 和H2含量呈下降趋势，CO2和CH4含量呈上升趋势。造成这种变化趋势的主要原因是压力升高促使化学反应平衡发生移动。随着气化压力升高，甲烷的水蒸汽重整反应（7）逆向移动，甲烷化反应（8）正向移动，从而导致CH4含量上升，H2含量下降。另外反应（4）、（5）的逆向移动也会导致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压使（3）（4）等反应的正反应受到抑制，平衡向着CO 减少、CO2含量增多的方向移动。

图5 气化压力对产气组分浓度的影响

由图6 可知，随着压力的升高，气体产率呈下降趋势，但下降的幅度不大，压力从0.1 MPa 变化到6 MPa 时，气体产率只下降了4.56%。压力对产气热值的影响很小，压力从0.1 MPa 变化到6 MPa 时，产气热值只从5383.66 kJ/Nm3变化到5351.82 kJ/Nm3。

图6 气化压力对产气热值和气体产率的影响

由图7 可知，气体温度随压力的升高而升高，并且升高的幅度较大。冷煤气效率随压力的升高而下降，随着压力的升高，产气热值和气体产率均有所下降，从而导致冷煤气效率下降。

图7 气化压力对气化温度和冷煤气效率的影响

污泥加压气化，冷煤气效率下降，但加压气化有利于CH4的生成，显著地提高气化温度。当选用中低温度气化时，常压气化即可。如果考虑将气化过程与气体后续利用相匹配的情况下，可以适当的增加气化压力。

2.3 污泥含水率对气化特性的影响

污泥含水率对污泥的气化特性有重要影响。实际气化过程中，当燃料含水率达到25%以上时，气化炉中的温度波动大，燃料很难稳定燃烧[12]。含水率高还会造成焦油凝结，管路堵塞等后果。因此本文将污泥的含水率Mt 的最大值定为30%。模拟中，空气当量比取0.3，气化压力为0.1 MPa，污泥含水率Mt分别为5%，10%，15%，20%，25%和30%。图8-图10 分别表示污泥含水率对产气组分浓度，产气热值，气体产率，气化温度和冷煤气效率的影响。

由图8 可知，随着污泥含水率从5%升高至30%，CO、CO2含量变化较大，CH4、H2含量变化较小。由于污泥水分的增加，氧化反应释放的热量更多地用于蒸发污泥中的水分，导致气化温度下降。反应（3）、（4）、（7）等吸热反应受到抑制，放热反应（6）受到促进，导致CO 含量降低，CO2含量升高。反应（7）受到抑制，反应（8）受到促进，使得CH4含量升高。文献[13]在研究含水率对稻草气化特性的影响时得出的模拟结果与本模拟结果类似。

图8 污泥含水率对产气组分浓度的影响

由图9 可知，随着污泥含水率的升高，产气热值和气体产率均呈下降趋势。污泥含水率由5%升至30%时，产气中CO 含量下降幅度较大，达到64.83%，而H2和CH4含量上升较小，因此产气热值明显下降。

图9 污泥含水率对产气热值和气体产率的影响

由图10 可知，随着污泥含水率的升高，气化温度呈下降趋势，冷煤气效率先小幅上升后下降。实际气化过程中，碳转化率随着气化温度的下降而下降，将导致冷煤气效率的进一步降低。

图10 污泥含水率对气化温度和冷煤气效率的影响

综上，污泥含水率较高时，不仅气化炉运行不稳定，且容易产生焦油堵塞管路、影响气体流通等问题，产气热值、气体产率、冷煤气效率也均随含水率的升高而降低。因此，污泥气化时，污泥含水率不宜大于15%。

3 结论

本文利用Aspen Plus 模拟平台，建立了城市污泥流化床中低温气化模型并进行模拟研究。分析了空气当量比、气化压力、污泥含水率对气化特性的影响。得出如下结论：

1）在自维持气化炉中，增大空气当量比，产气中H2含量先增后减，CO、CO2、CH4含量减少。气体产率、气化温度随着空气当量比的增大而升高，产气热值、冷煤气效率随着空气当量比的增大而降低。综合考虑空气当量比对气化过程的影响，在进行污泥中低温气化时，空气当量比选在0.3 左右较为合适。此时，气化温度和冷煤气效率均处于较高水平。

2）增大气化压力，产气中CH4含量有所上升，H2含量有所下降，CO、CO2含量变化幅度较小。气化压力升高对产气热值、气体产率的影响较小，气化温度有所升高，冷煤气效率有所下降。当选用中低温度气化时，常压气化即可。如果考虑将气化过程与气体后续利用相匹配的情况下，可以适当增加气化压力。

3）污泥含水率变化时，产气中CO、CO2含量变化较大，CO 含量随污泥含水率的升高而降低，CO2含量随污泥含水率的升高而升高。产气热值、气体产率、气化温度均随污泥含水率的升高而降低，冷煤气效率先小幅上升之后下降。在进行污泥气化反应时，污泥含水率不宜大于15%。