Aspen Plus平臺下的污泥富氧氣化模擬分析

喬 建

(山西國控環(huán)球工程有限公司，山西 太原 03000)

引 言

使用Aspen Plus軟件建立對應(yīng)的氣化反應(yīng)模型，在此基礎(chǔ)上對污泥的氣化反應(yīng)進(jìn)行模擬和觀察，計算生物質(zhì)高溫氧化的具體數(shù)值，進(jìn)一步探討不同條件下污泥氣化反應(yīng)的變化。污泥的氣化具有多種優(yōu)點，能夠有效避免焚燒工藝很容易導(dǎo)致的結(jié)垢和腐蝕，同時能夠?qū)崿F(xiàn)對能源的高效利用，氣化過程不會對環(huán)境產(chǎn)生嚴(yán)重污染，具有較好的環(huán)保效果。另一方面，污泥的氣化工藝可以與熔融技術(shù)有效結(jié)合，從而實現(xiàn)有效的污染物排放控制，達(dá)到有效的減容效果，還可以實現(xiàn)良好的資源回收。當(dāng)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(jìn)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(zhì)，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(chǎn)物的差異，研究污泥含水率對氣化反應(yīng)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(yīng)系統(tǒng)軟件的RYield反應(yīng)模塊。ECOM P單元主要用于在不同溫度環(huán)境下對污泥進(jìn)行分解，得到對應(yīng)的氣化氣和灰分，還需要將分解熱進(jìn)一步導(dǎo)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(yīng)器，這個單一的模塊來自系統(tǒng)軟件RGibbs反應(yīng)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(chǎn)物的氣體和固體物質(zhì)，其模塊來自系統(tǒng)軟件中的SSplit分離模塊。結(jié)合污泥氣化的相關(guān)資料和實驗結(jié)果，氣化產(chǎn)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(yīng)用Aspen Plus實施建模，必須滿足相應(yīng)的假設(shè)條件，具體包括：實驗過程中氣化爐處于穩(wěn)定運行狀態(tài)，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(shù)不隨時間發(fā)生變化。本次研究采用的氣化劑與生物質(zhì)顆粒能實現(xiàn)瞬間的完全混合，滿足氣化需要；生物質(zhì)中的H、O、N、S能夠全部轉(zhuǎn)為氣相，與此同時C隨條件的變化不完全轉(zhuǎn)化；氣化爐內(nèi)各個部位均處于相同壓力環(huán)境下；生物質(zhì)中的灰分為惰性物質(zhì)，在具體的氣化過程中不會參與反應(yīng)；生物質(zhì)的顆粒能夠達(dá)到均勻溫度；所有氣相反應(yīng)速度都很快，同時在反應(yīng)過程中達(dá)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(guān)影響因素對氣化結(jié)果產(chǎn)生的實際影響，具體包括污泥含水率、空氣當(dāng)量比、氣化壓力三個因素對氣化的影響，其中空氣當(dāng)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(jié)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(jié)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(yīng)的氣化溫度，就需要不斷增加空氣當(dāng)量比，隨著空氣當(dāng)量比的增加，氣化產(chǎn)氣的熱值也會隨之下降。為了準(zhǔn)確分析污泥含水率對氣化結(jié)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(jié)果顯示見表1。

表1 不同含水率情況下氣化結(jié)果顯示 mol/s

分析發(fā)現(xiàn)，污泥氣化過程產(chǎn)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(jìn)一步分析得出，當(dāng)污泥含水率不斷增加，為了有效維持對應(yīng)的反應(yīng)溫度，對應(yīng)的空氣當(dāng)量比也會增加。同時當(dāng)空氣當(dāng)量比增加以后，CO的含量不斷降低。空氣當(dāng)量比增加使得氣化中氧氣增加，氣化反應(yīng)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(dāng)污泥含水率達(dá)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(yīng)進(jìn)行綜合分析，考察CO和H2的產(chǎn)量變化，結(jié)果顯示，產(chǎn)氣的熱值隨著含水率的增加而急劇降低。

2.2 空氣當(dāng)量比的影響

為研究空氣當(dāng)量比對污泥氣化的具體影響，在使用Aspen Plus進(jìn)行具體的模擬計算時，將污泥的含水率設(shè)定為10%，氣化壓力設(shè)定為0.2 MPa。在此基礎(chǔ)上控制空氣當(dāng)量比，將其由0.1逐漸增加到1.0，觀察不同空氣當(dāng)量比情況下氣化溫度及產(chǎn)氣熱值的變化。結(jié)果顯示，污泥氣化反應(yīng)溫度會隨著空氣當(dāng)量比的增加而逐漸升高。要想確保反應(yīng)在溫度在1 000 ℃以上進(jìn)行，空氣當(dāng)量比必須達(dá)到0.4及或以上。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，污泥氣化反應(yīng)過程中空氣當(dāng)量比達(dá)到0.3之前，氣化結(jié)果中H2的含量會隨著空氣當(dāng)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(dāng)量比達(dá)到0.4之前，會隨著空氣當(dāng)量比的增大而增加。當(dāng)污泥氣化過程中空氣當(dāng)量比從0.1逐漸增大到0.3時，產(chǎn)氣的熱值逐漸增加，當(dāng)污泥氣化過程中空氣當(dāng)量比達(dá)到0.4后，產(chǎn)氣的熱值會隨著空氣當(dāng)量比的增大逐漸降低。最終結(jié)果顯示，當(dāng)污泥含水率在10%時，實施氣化的最佳空氣當(dāng)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(jié)果的影響，在使用Aspen Plus進(jìn)行模擬設(shè)計時，反應(yīng)溫度和空氣當(dāng)量比保持不變，其值分別為1 000 ℃、0.4，在此基礎(chǔ)上觀察不同氣化壓力下污泥氣化結(jié)果。結(jié)果顯示，氣化壓力對污泥氣化過程中氣化產(chǎn)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(jié)果，對氣化產(chǎn)物產(chǎn)生影響。另一方面，當(dāng)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(chǎn)物的熱值略有增加。

3 結(jié)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(jié)果的影響，具體包括污泥含水率、空氣當(dāng)量比以及氣化壓力對氣化溫度、氣化熱值的影響。經(jīng)過實驗，得到如下相關(guān)結(jié)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(yīng)在1 000 ℃及以上進(jìn)行，隨著污泥含水率的增加，空氣當(dāng)量比需要不斷增加，對應(yīng)的CO、H2含量不斷降低，產(chǎn)氣熱值不斷降低；氣化壓力對氣化溫度及產(chǎn)氣熱值影響很小，可以忽略。