固相停留時間對干化污泥水蒸氣氣化產氣特性的影響

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(長江大學城市建設學院，湖北 荊州 434023)

固相停留時間對干化污泥水蒸氣氣化產氣特性的影響

何丕文，吳小剛

(長江大學城市建設學院，湖北荊州434023)

采用固定床氣化裝置，在水蒸氣流量為0.5kg/h、反應溫度為900℃條件下進行了污泥水蒸氣氣化試驗，研究了污泥在氣化爐固相停留時間(Solid residence time,SRT)對污泥氣化氣體產率、氣體成分與低位熱值、氣體能源轉化率的影響。結果表明，隨著SRT從11s提高到26s，氣體產率從0.49Nm3/kg上升至0.61Nm3/kg，氣體能源轉化率從0.52上升至0.73，產氣的低位熱值從10083.7kJ/m3提高至11357.9kJ/m3；同時，產氣中H2和CO含量隨著STR的升高而升高，CO2含量隨STR的升高而降低，CH4和CnHm含量變化較小。因此，延長污泥在氣化爐反應時間是提高污泥氣化效率的有效手段，在污泥氣化工藝設計時，應適當延長污泥在氣化爐中停留時間。

SRT；干化污泥；氣化；氣體產率；氣體能源轉化率

污泥是城市污水處理廠產生的固體廢棄物。由于我國經濟水平和環保意識提高，各地紛紛新建了大批污水處理廠，污水處理量急劇增長，導致污泥的排放量大幅增加。據住建部報告顯示，截止2012年6月底，我國共建成市政污水廠3243座，其處理規模達1.39×109m3/d[1]，若按每萬立方米污水產生6t污泥(含水率80%)測算，每年產出的污泥高達3000余萬噸。但傳統的污泥處理方法(如農用、填埋、焚燒和海洋傾倒)存在很多不盡如意的地方，并且難以為繼，將逐步被淘汰[2]。而污泥熱化學處理方法二次污染少，產物可作為新能源應對當今能源危機，彌補傳統方法缺陷，可真正實現污泥處置的“無害化、減量化、資源化”目標[3]。

污泥氣化技術是一種極具潛力的污泥熱化學處理方法，能有效減小污泥的體積、固定重金屬元素，并產出富氫燃氣。近年來世界各地都在積極開展該項技術的試驗研究[3～10]，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技術的研究則鮮有報道。為此，筆者利用固定床氣化裝置，研究在水蒸氣環境下，污泥在氣化爐中固相停留時間(SRT)對污泥氣化的氣體產率、氣體成分與熱值、氣體能源轉化率的影響，旨在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 試驗材料與方法

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24h，干燥后的污泥研磨至1～3mm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。

注：* 差值計算。

1.2試驗裝置

試驗裝置如圖1 所示，主要由進料器、氣化爐、水蒸氣發生器、催化爐、溫控設備以及冷凝凈化裝置等部分構成。裝置主要特色是進料設備是由2級螺旋給料器組成，2級螺旋給料器由2臺電動機、2臺電機變頻器、加料斗、Ⅰ級絞龍和Ⅱ級絞龍等構成。運行時，Ⅰ級絞龍在電機的驅動下負責將原料推進氣化室，而Ⅱ級絞龍在另一臺電機驅動下負責推動原料在氣化爐中緩慢前進，使試驗樣品在高溫下發生氣化反應。

圖1 固定床氣化系統試驗裝置示意圖

1.3試驗方法

試驗開始前，先把污泥原料置入進料斗形成料封，從水蒸氣進口處通入氮氣，將試驗設備中空氣排盡。然后打開電爐與溫控裝置電源，按預先設定的升溫速率對氣化爐與催化爐進行加熱，當氣化爐和催化爐的爐膛溫度達到實驗所需的溫度后，打開水蒸汽發生器，按預先設定好的流速向氣化爐中通入水蒸氣。最后，打開進料裝置，并通過電機變頻器改變Ⅰ級絞龍轉速，將物料進料量調節為0.6kg/h，同時通過改變Ⅱ級絞龍轉速以調節物料在氣化爐中的停留時間。整個試驗過程，反應在微正壓的條件下進行，氣化產物從氣化爐內流出, 進入催化爐催化重整后，再通過冷凝系統冷卻，將氣化產物中的可冷凝物質冷凝于收集瓶中，不可冷凝的氣體被凈化裝置干燥和除塵后，通過煤氣表測定體積后，進行采樣或點火燃燒。當試驗產氣穩定5min后，每隔3min利用集氣袋采樣1次，一共采樣3 次，利用3 次采用的平均值作為計算依據。實驗完成后， 等爐體溫度降至室溫后收集半焦和焦油。

試驗過程中設定氣化爐反應溫度為900℃，水蒸氣流量為0.5kg/h，污泥進料速率為0.6kg/h，催化爐溫度為700℃，通過改變Ⅱ級絞龍轉速以調節物料在氣化爐中的停留時間，試驗分別在SRT為11、16、21、26s 4種情況下進行。

1.4氣體成分測定方法

試驗采用氣相色譜儀(GC9800T型)對氣體產物的成分進行測量。在測定過程當中，采取氬氣(99.999%)作載氣，載氣流量設定為40ml/min，氣化柱溫度設定為200℃，柱箱溫度設定為85℃，檢測器溫度設定為90℃。

1.5試驗數據處理方法

氣體產率、產氣低位熱值、氣體能源轉化率的計算公式詳見文獻[11]。

2 試驗結果與討論

2.1污泥水蒸氣氣化的基本原理

污泥水蒸氣氣化過程比較復雜，主要過程包括污泥熱裂解和半焦二次氣化2個階段，污泥水蒸氣氣化過程可用下列化學方程式表示[9]：

有機物→焦炭+焦油(Tar)+氣體產物(H2,CO,CO2，CnHm)

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

2.2SRT對污泥水蒸氣氣化氣體產率的影響

SRT對污泥氣化氣體產率的影響如圖2所示。由圖2可知，隨著SRT從11s延長至26s，污泥氣化的氣體產率從0.49Nm3/kg上升至0.61Nm3/kg。這主要是由于延長污泥在氣化爐的停留時間使污泥一次熱裂解更加充分，促進了污泥中有機揮發分的析出；而且延長污泥在氣化爐的停留時間提高了半焦與水蒸氣的接觸時間，促進了污泥氣化過程中固相產物和氣相產物間的反應程度，從而有效提高了氣體產物的生成。同時，從圖2中也可以得出，隨著SRT的延長，氣體產率的增長趨勢逐步趨于平緩，這主要因為隨著時間的推移，污泥中揮發分析出越來越充分，進一步提高SRT對氣體的產率的影響將越來越小。因此，在進行污泥氣化設備的設計時，應根據設備特點選擇最佳的SRT。

圖2 SRT對污泥氣化氣體產率影響

2.3SRT對污泥氣化產氣成分與低位熱值的影響

SRT對氣化產氣成分的影響如圖3所示。圖3中CnHm包含C2H2、C2H4、C2H6等氣體。由圖3可知，H2和CO含量隨著SRT的延長而升高，CO2含量隨SRT延長而降低，CH4含量隨SRT延長小幅降低，而SRT對CnHm含量的影響較小。這表明提高污泥在氣化爐的停留時間，不僅使污泥中的有機揮發分更為充分的析出，同時使水蒸氣和半焦有機會更多的參入反應，提高固相產物和氣相產物間的反應程度，使反應(5)和反應(6)進行得更充分，從而使H2和CO含量升高；H2含量升高幅度大于CO，說明SRT也較多的影響了反應(3)的進程；CO2含量有較大幅度降低，這說明SRT的延長，促進了氣相與固相間的反應(6)，而對氣相與氣相間的反應(4)卻影響很小；而CH4含量有小幅降低，進一步證明SRT對反應(3)的進程有一定的影響。

圖3 SRT對污泥氣化氣體成分影響

SRT對氣體低位熱值的影響如表2所示。由表2可知，SRT對污泥氣化產氣的熱值有一定的影響，隨著SRT從11s延長至26s，污泥氣化產氣的低位熱值從10083.7kJ/m3升至11357.9kJ/m3，這主要是由于產氣的低位熱值取決于產氣中各組分的含量及其熱值，而SRT的延長使氣體中H2和CO含量升高，CO2含量大幅降低，CH4含量變化不大，從而導致產氣低位熱值得到提高。

表2 SRT對氣體低位熱值的影響

2.4SRT對氣體能源轉化率的影響

氣體能源轉化率是指1kg污泥得到燃氣的熱值與1kg污泥熱值的比值，是反映污泥氣化中燃氣轉化效率的指標。SRT對氣體能源轉化率的影響如圖4所示。

圖4 溫度對氣體能源轉化率的影響

由圖4可知，隨著SRT從11s延長到26s，氣體能源轉化率從0.52上升至0.73。這是因為污泥氣化得到燃氣的熱值取決于氣體的產率和低位熱值，而SRT的延長有效提升了氣體的產率，同時也提高了氣體的低位熱值，從而在2方面的作用下導致氣體能源轉化率得到了大幅提升。這說明延長污泥在氣化爐中的反應時間是提高污泥氣化工藝能源效率的有效手段，因此在進行污泥氣化設備設計時，在條件允許時應適當延長污泥在氣化爐停留時間。

3 結論

1)以干化污泥為原料，在水蒸氣環境下研究了SRT對污泥氣化產氣特性的影響。試驗表明，污泥氣化的氣體產率、氣體低位熱值、氣體能源轉化率均隨SRT的延長而提高。

2)SRT的不同導致污泥氣化產氣成分的變化，隨著SRT的延長，產氣中H2和CO含量升高，CO2含量大幅下降，CH4的含量小幅降低，而CnHm含量基本保持不變。因此，延長污泥在氣化爐反應時間是提高污泥氣化工藝效率的有效手段。

3)采用污泥外熱式氣化技術，所得富氫燃氣的熱值較高，具有良好的利用價值。由于污泥外熱式氣化技術需要外部提供熱能，在未來的研究中需要解決廉價、環保的能源供給問題。

[1]王斌科，劉金泉，王俊安, 等. 剩余污泥重金屬污染現狀及其治理技術[J]. 環境保護與循環經濟, 2013(1): 50～52.

[2]Sánchez M E, Menéndez J A, Domínguez A, et al. Effect of pyrolysis temperature on the composition of the oils obtained from sewage sludge [J]. Biomass and Bioenergy, 2009, 33(6): 933～940.

[3]金正宇，張國臣，王凱軍. 熱解技術資源化處理城市污泥的研究進展[J].化工進展, 2012,31 (1):1～9.

[4]Dogru M, Midilli A, Howarth C R. Hydrogen rich fuel gas production from the pyrolysis of wet sewage sludge at high temperature[J]. Fuel Processing Technology, 2002, 75(2): 55～82.

[5]Juan Manuel de Andrés, Adolfo Narros, María Encamación Rodríguez. Behaviour of dolomite,olivine and alumina as primary catalysts in air-stream gasification of sewage sludge [J]. Fuel, 2011, 90(2): 521～527.

[6]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.

[7]Midilli A, Dogru M, Akay G, et al. Hydrogen production from sewage sludge via a fixed bed gasifier product gas [J]. Hydrogen Energy, 2002, 27(10): 1035～1041.

[8]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.

[9]Nipattummakul N, Ahmed I, Kerdsuwan S, et al. High temperature steam gasification of wastewater sludge [J]. Applied Energy, 2010, 87(12): 3729～3734.

[10]Nipattummakul N, Ahmed I, Kerdsuwan S, et al. Hydrogen and syngas production from sewage sludge via steam gasification [J]. Hydrogen Energy, 2010, 35(21): 11938～11745.

[11]何丕文，焦李，肖波. 溫度對干化污泥水蒸氣氣化產氣特性的影響[J]. 環境科學與技術, 2013, 36(5): 1～3.

[編輯]計飛翔

2017-05-11

住房與城鄉建設部研究項目(2015-K7-011)。

何丕文(1977-)，博士，講師，現主要從事固體廢棄物資源化利用方面的教學與研究工作， pwhe1215@126.com。

引著格式何丕文，吳小剛.固相停留時間對干化污泥水蒸氣氣化產氣特性的影響[J].長江大學學報(自科版), 2017,14(21):12～16.

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1673-1409(2017)21-0012-05