Aspen Plus平臺下的污泥富氧氣化模擬分析

喬 建

(山西國控環球工程有限公司，山西 太原 03000)

引 言

使用Aspen Plus軟件建立對應的氣化反應模型，在此基礎上對污泥的氣化反應進行模擬和觀察，計算生物質高溫氧化的具體數值，進一步探討不同條件下污泥氣化反應的變化。污泥的氣化具有多種優點，能夠有效避免焚燒工藝很容易導致的結垢和腐蝕，同時能夠實現對能源的高效利用，氣化過程不會對環境產生嚴重污染，具有較好的環保效果。另一方面，污泥的氣化工藝可以與熔融技術有效結合，從而實現有效的污染物排放控制，達到有效的減容效果，還可以實現良好的資源回收。當前比較常見的氣化方法包括空氣、富氧氣化、空氣—水蒸氣氣化、水蒸氣氣化等，其中空氣氣化氣化氣中含有大量氮氣，而且其氣化氣熱值比較低。

1 Aspen Plus氣化模擬

1.1 污泥富氧氣化流程

污泥的氣化過程如下：將濕污泥放入干燥器，對其進行加熱，得到廢氣和干污泥，將干污泥放入氣化器，加入氣化介質，得到氣化氣和灰分。污泥的氣化過程主要包括污泥的加熱干燥和污泥的氣化。文章將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況下氣化產物的差異，研究污泥含水率對氣化反應的影響。

1.2 污泥富氧氣化模擬

基于Aspen Plus模擬的氣化過程包括5個單元模塊、10個物流工藝流股和1個熱流工藝流股，其中DRY-REAC和DRY-FLSH模塊主要是為了模擬污泥的干燥過程，具體對應系統軟件的RYield反應模塊。ECOM P單元主要用于在不同溫度環境下對污泥進行分解，得到對應的氣化氣和灰分，還需要將分解熱進一步導入氣化模塊。GASIFY單元是一個基于Gibbs自由能最小化原理的反應器，這個單一的模塊來自系統軟件RGibbs反應模塊。SEPARATE單元在實踐過程中主要的作用在于有效分離氣化產物的氣體和固體物質，其模塊來自系統軟件中的SSplit分離模塊。結合污泥氣化的相關資料和實驗結果，氣化產物中氣體成分考慮主要包括H2、CO、CO2、CH4、H2O、N2、H2S、SO2、O2、C以及灰分，本次研究不考慮污泥氣化過程中焦油含量[1]。

應用Aspen Plus實施建模，必須滿足相應的假設條件，具體包括：實驗過程中氣化爐處于穩定運行狀態，其氣化過程不會受到其他因素影響，同時實驗過程中所有參數不隨時間發生變化。本次研究采用的氣化劑與生物質顆粒能實現瞬間的完全混合，滿足氣化需要；生物質中的H、O、N、S能夠全部轉為氣相，與此同時C隨條件的變化不完全轉化；氣化爐內各個部位均處于相同壓力環境下；生物質中的灰分為惰性物質，在具體的氣化過程中不會參與反應；生物質的顆粒能夠達到均勻溫度；所有氣相反應速度都很快，同時在反應過程中達到一個平衡[2]。

1.3 污泥組成

本次研究使用的污泥來自某污水處理廠。

1.4 污泥富氧氣化條件

本次研究主要考察污泥氣化過程中相關影響因素對氣化結果產生的實際影響，具體包括污泥含水率、空氣當量比、氣化壓力三個因素對氣化的影響，其中空氣當量比指的是污泥氣化過程中實際供給的空氣量與污泥完全燃燒所需空氣量之比。

2 污泥富氧氣化結果與分析

2.1 污泥含水率的影響

分析顯示，污泥的含水率對其氣化結果具有較大影響，具體來講，氣化過程中隨著含水率的增加，為了維持對應的氣化溫度，就需要不斷增加空氣當量比，隨著空氣當量比的增加，氣化產氣的熱值也會隨之下降。為了準確分析污泥含水率對氣化結果的影響，在實際計算過程中將氣化溫度控制在1 000 ℃，氣化壓力則控制在0.2 MPa。在不同含水率情況下氣化結果顯示見表1。

表1 不同含水率情況下氣化結果顯示 mol/s

分析發現，污泥氣化過程產氣較多，具體包括H2S、CH4、CO2、H2O、N2、CO和H2，其中CO和H2為主要成分。進一步分析得出，當污泥含水率不斷增加，為了有效維持對應的反應溫度，對應的空氣當量比也會增加。同時當空氣當量比增加以后，CO的含量不斷降低。空氣當量比增加使得氣化中氧氣增加，氣化反應逐漸趨向燃燒。污泥中水分的增加，會在一定程度上會增加H2的含量，當污泥含水率達到一定程度，反而會降低H2的含量。對不同含水率情況下的氣化反應進行綜合分析，考察CO和H2的產量變化，結果顯示，產氣的熱值隨著含水率的增加而急劇降低。

2.2 空氣當量比的影響

為研究空氣當量比對污泥氣化的具體影響，在使用Aspen Plus進行具體的模擬計算時，將污泥的含水率設定為10%，氣化壓力設定為0.2 MPa。在此基礎上控制空氣當量比，將其由0.1逐漸增加到1.0，觀察不同空氣當量比情況下氣化溫度及產氣熱值的變化。結果顯示，污泥氣化反應溫度會隨著空氣當量比的增加而逐漸升高。要想確保反應在溫度在1 000 ℃以上進行，空氣當量比必須達到0.4及或以上。進一步分析發現，污泥氣化反應過程中空氣當量比達到0.3之前，氣化結果中H2的含量會隨著空氣當量比的增大而增加，與此同時H2O的含量不斷降低；污泥氣化過程中CO的含量空氣當量比達到0.4之前，會隨著空氣當量比的增大而增加。當污泥氣化過程中空氣當量比從0.1逐漸增大到0.3時，產氣的熱值逐漸增加，當污泥氣化過程中空氣當量比達到0.4后，產氣的熱值會隨著空氣當量比的增大逐漸降低。最終結果顯示，當污泥含水率在10%時，實施氣化的最佳空氣當量比需要控制在0.3和0.4之間。

2.3 氣化壓力的影響

為了研究污泥氣化過程中氣化壓力對氣化結果的影響，在使用Aspen Plus進行模擬設計時，反應溫度和空氣當量比保持不變，其值分別為1 000 ℃、0.4，在此基礎上觀察不同氣化壓力下污泥氣化結果。結果顯示，氣化壓力對污泥氣化過程中氣化產物的影響較小，只有氣化壓力大大增加，才會影響到污泥氣化的最終結果，對氣化產物產生影響。另一方面，當污泥氣化過程中氣化壓力不斷增加，CO和H2的含量略有減少，H2S、CH4、H2O和CO2的含量略有增加，氣化產物的熱值略有增加。

3 結論

本次研究使用Aspen Plus分析污泥氣化過程中不同影響因素對最終結果的影響，具體包括污泥含水率、空氣當量比以及氣化壓力對氣化溫度、氣化熱值的影響。經過實驗，得到如下相關結果，污泥高溫氧氣氣化得到的氣體中主要成分為CO、H2，H2O的含量很少，基本為0；為確保反應在1 000 ℃及以上進行，隨著污泥含水率的增加，空氣當量比需要不斷增加，對應的CO、H2含量不斷降低，產氣熱值不斷降低；氣化壓力對氣化溫度及產氣熱值影響很小，可以忽略。