水蒸氣流量對污水污泥氣化產氣特性的影響

摘要：采用固定床氣化裝置，在溫度為900 ℃條件下進行污泥水蒸氣氣化試驗。研究了水蒸氣和污泥中碳元素質量比 （S/C）對污泥氣化氣體產率、氫氣產率、氣體成分與低位熱值、氣體能源轉化率的影響。結果表明，污泥水蒸氣氣化在氣體產率、氫氣產率、氣體能源轉化率方面都顯著優于污泥熱解；污泥水蒸氣氣化在S/C值為2.72時，氣體產率、氫氣產率、氣體能源轉化率達到峰值，分別為0.59 m3/kg、0.32 m3/kg、0.83；污泥水蒸氣氣化產氣的低位熱值隨水蒸氣量的增加而下降。

關鍵詞：污水污泥；熱解；氣化

中圖分類號：X705 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2013）11-2529-03

近年來，隨著我國城市化進程的加快，污水處理率逐年提高，污泥產量也隨之急劇增加。據中國水網《中國污泥處理處置市場報告（2010版）》數據顯示[1]，2009年我國城市濕污泥（含水率80%）產生量已突破2 000萬t。但隨著各國環境標準的不斷提高，傳統的污泥處理方法（如農用、填埋、焚燒和海洋傾倒）將逐步被限制使用[2]。因此，發展環境影響小、可持續發展的污泥處理技術非常必要。

污泥氣化技術因其經濟性好、二次污染小、產物利用價值高等優點被認為潛力大、應用前景好。近年來世界各地都在積極開展此項技術的試驗研究[3-9]，但大部分研究都集中在以空氣或空氣與水蒸氣混合物作為氣化劑的污泥內熱式氣化技術上，而以水蒸氣作為氣化劑的污泥外熱式氣化研究則鮮有報道。

本試驗利用固定床氣化裝置，研究高溫下水蒸氣和污泥中碳元素質量比（S/C）對污泥氣化氣體產率、氫氣產率、氣體成分與熱值、氣體能源轉化率的影響，為污泥氣化工藝的優化設計與合理運行操作提供理論基礎。

1 材料與方法

1.1 污泥樣品

試驗所用污泥取自荊州市洪光污水處理廠的脫水污泥，取回的污泥經自然干燥后，放置在105 ℃的干燥箱內恒溫干燥24 h，干燥后的污泥研磨至1～3 mm后，制得試驗樣品。對樣品進行了工業分析和元素分析，其結果如表1所示。

2.3 S/C值對污泥氣化氫氣產率的影響

S/C值對污泥氣化氫氣產率的影響如圖3所示，可以看出相對于污泥熱解，污泥水蒸氣氣化極大地提高了氫氣的產率，這是因為水蒸氣參與了式（7）～（12）的反應，導致氫氣產率大幅增加。氫氣的產率同樣在S/C值為2.72達到峰值（0.32 m3/kg），其原因也是因為水蒸氣流量對污泥氣化反應起正反兩方面的作用所致。

2.4 S/C值對污泥氣化產氣成分與低位熱值的影響

S/C值對氣化產氣成分與熱值的影響如表2所示，表中CnHm包含C2H2、C2H4、C2H6等氣體。從表2可以看出隨著水蒸氣量的增加，氫氣含量先增后降，在S/C值為2.72時達到峰值，此變化趨勢與氫氣產率相吻合。CO、CH4含量隨水蒸氣流量的增加而下降，CO2含量隨水蒸氣流量的增加而上升，這是由于水蒸氣流量的增加促進了式（9）、（10）的反應。CnHm由于含量較小，隨著水蒸氣流量的增加變化不大。氣體低位熱值隨水蒸氣流量的增加而降低，這是因為水蒸氣流量的增加導致氣體中CO、CH4含量下降和CO2含量上升的結果。

2.5 S/C值對氣體能源轉化率的影響

S/C值對氣體能源轉化率的影響如圖4所示，可以看出污泥氣化氣體能源轉化率平均比污泥熱解高48%。而污泥氣化在S/C值為2.72時，氣體能源轉化率最高，達到0.83。這是污泥氣化氣體產率在S/C值為2.72時最高產生的結果。

3 結論

1）在溫度設定為900 ℃時，污泥水蒸氣氣化在氣體產率、氫氣產率、氣體能源轉化率方面都顯著優于污泥熱解。

2）污泥水蒸氣氣化在S/C值為2.72時，氣體產率、氫氣產率、氣體能源轉化率達到峰值，分別為0.59 m3/kg、0.32 m3/kg、0.83。這是因為水蒸氣流量對污泥氣化反應有正反兩方面的作用所致。

3）污泥水蒸氣氣化產氣的低位熱值隨水蒸氣量的增加而下降，這是由于水蒸氣流量的增加導致氣體中CO、CH4含量下降和CO2含量上升的結果。

參考文獻：

[1] 中國水網. 污泥處理處置市場報告（2010）[EB/OL]. http：//www2.h2o-china.com/report/2010/2010wunireport/，2010-06-24.

[2] S？魣NCHEZ M E， MEN？魪NDEZ J A， DOM？魱NGUEZ A， et al. Effect of pyrolysis temperature on the composition of the oils obtained from sewage sludge[J]. Biomass and Bioenergy， 2009， 33（6-7）：933-940.

[3] DOM？魱NGUEZ A， MEN？魪NDEZ J A， PIS J J. Hydrogen rich fuel gas production from the pyrolysis of wet sewage sludge at high temperature [J]. Journal of Analytical and Applied Pyrolysis，2006，77（2）：127-132.

[4] de ANDR？魪S J M， NARROS A， RODR？魱GUEZ M E. Behaviour of dolomite， olivine and alumina as primary catalysts in air-stream gasification of sewage sludge[J].Fuel，2011，90（2）：521-527.

[5] PHUPHUAKRAT T， NIPATTUMMAKUL N， NAMIOKA T， et al. Characterization of tar content in the syngas prodced in a downdraft type fixed bed gasification system from dried sewage sludge[J]. Fuel，2010，89（9）：2278-2284.

[6] MIDILLI A，DOGRU M， AKAY G ，et al. Hydrogen production from sewage sludge via a fixed bed gasifier product gas[J]. International Journal of Hydrogen Energy，2002，27（10）：1035-1041.

[7] MARRERO T W，MCAULEY B P， SUTTERLIN W R，et al. Fate of heavy metals and radioactive mentals in gasification of sewage sludge [J]. Waste Management，2004，24（2）：193-198.

[8] HARRIS A T， SCOTT S A， DENNIS J S， et al. The gasification of sewage sludge in bubbling fluidized beds [J]. 17th International Fluidized Bed Combustion Conference May 18-21，2003，Jacksonvile，FL；FBC 2003-70.

[9] NIPATTUMMAKUL N， AHMED I， KERDSUWAN S， et al. High temperature steam gasification of wastewater sludge [J]. Applied Energy，2010，87（12）：3729-3734.