基于Aspen_plus的...流化床高温氧气气化模拟分析_王恩宇.pdf

收稿日期：2020-08-10作者简介：王恩宇（1997-），男（满族），辽宁营口人，硕士研究生。通讯作者：刘耀鑫（1977-），男，辽宁沈阳人，副教授，硕士生导师，博士，主要从事煤/生物质热解、气化等方面研究。基于Aspen plus的污泥循环流化床高温氧气气化模拟分析王恩宇，阚泽，邹政宇，刘耀鑫（沈阳工程学院 能源与动力学院，辽宁 沈阳 110136）摘要：基于Aspen plus软件建立了循环流化床污泥高温氧气气化模型，研究了气化温度、O2当量比、O2浓度及污泥含水率等因素对气化产物组分的影响。结果表明：O2当量比为0.05时，可燃组分含量最多，继续增加当量比会使可燃组分逐渐下降；随着温度升高，可燃组分逐渐增多，当温度达到 850 时，产物组分几乎不再变化；随着污泥含水率的增加，CO的体积分数逐渐下降，气化气热值降低；当O2浓度从55%增至98%时，可燃组分逐渐增大，气化气热值逐渐增大。关键词：污泥；氧气气化；高温气化；Aspenplus中图分类号：X705文献标识码：A文章编号：1673-1603（2023）01-0030-06DOI：10.13888/ki.jsie（ns）.2023.01.005第 19 卷第 1 期2 0 2 3 年 1 月Vol.19 No.1Jan.2023沈阳工程学院学报（自然科学版）Journal of Shenyang Institute of Engineering（Natural Science）目前，处理污泥的方式以填埋、焚烧和干化等方法为主。其中，填埋易造成地下水和土壤污染，干化和焚烧则易产生硫化物和二噁英等有害气体1-3。污泥气化的高温有利于消灭病原体，且污泥中的有机成分能够产生可燃合成气，实现了污泥减容处理和资源再利用，且大量重金属沉降在形态稳定的灰渣中，灰渣能够用于建筑行业4-5，具有良好的发展前景。国外学者在污泥气化做了大量研究：Petersen等建立了污泥循环流化床气化的三维模型，发现当污泥中挥发分的含量较高时，需增多进口处的燃料，加强反应物混合，提升气化效率6；MiloslavHartman等介绍了污泥循环流化床气化的数学模型，并解释了该模型能够模拟其内部的流化状态7；Philippe Mathieu等利用Aspen plus模拟了生物质流化床气化，发现富氧气化能产出具有较高热值的合成气8。相比于国外，国内在污泥气化模拟方面的研究较少：霍小华基于Aspen plus建立了污泥富氧气化模型，发现污泥含水率的增加不利于气化反应的进行，随着空气当量比的增加，H2和CO的含量逐渐下降9；车德勇等利用Aspen plus进行了生物质流化床空气-水蒸气气化模拟，发现了提高气化温度会使H2和CO2在气化气中的含量上升，在空气当量比为0.27时，气化效率最高10。目前，污泥气化过程中存在灰分结渣、燃气热值低等缺点11。循环流化床气化技术具有气化效率高、燃料适应性广等优点12。富氧气化能降低N2的稀释，高温气化能促进还原反应和焦油裂解，且流化床气化研究主要针对生物质和煤粉的气化。因此，基于Aspen plus建立了循环流化床污泥高温O2气化模型，开展了对污泥循环流化床气化模拟的研究。1建立气化模型1.1污泥高温O2气化流程污泥富氧气化模拟流程：将干污泥与水按一定比例混合作为进料，在高温热解模块中对其加热，得到热分解产物，经分离后热分解产物进入到燃烧气化装置内，并加入高浓度O2作为气化介质，得到的气化产物主要成分为气化气与灰分，最后利用分离装置分离气化气与灰分。本文在研究不同的影响条件时，对初始条件做出相应改变。1.2污泥气化理论分析污泥高温气化过程包括4个部分，分别为高温热解、燃烧反应、还原反应、产物分离。在高温热解部分，污泥热解为灰分、CO2、H2和 CH4等物质；在燃烧反应部分，部分热解气体发生燃烧放热，为之后的还原反应提供热量。污泥气化的主要反应方程式如表1所示。表1污泥气化反应方程1234C+CO22COH2O+CCO+H22H2O+CCO2+2H2CH4+H2OCO+3H2吸热吸热吸热吸热序号反应方程式类型567891011CH4+2H2OCO2+4H2C+O2CO22C+O22CO2CO+O22CO22H2+O22H2OCH4+2O2CO2+2H2OH2O+COCO2+H2吸热放热放热放热放热放热放热序号反应方程式类型1.3污泥高温富氧气化模型1.3.1模型假设基于Aspen plus建立循环流化床污泥高温O2气化模型，为保证模型的准确性，简化工艺流程，对模型做如下假设：1）试验过程中，气化装置处于稳定运行状态，污泥气化时各参数不随时间发生变化。2）污泥中的灰分为惰性物质，在具体的气化试验中不参与反应。3）污泥颗粒均匀受热且达到相同的温度。4）在气化装置内，物质反应的速度均较快，同时在反应过程中达到化学平衡。5）污泥中的H、N和O元素均转化为气态，不考虑焦油的产生。1.3.2搭建模型基于污泥气化原理及以上模型假设条件，建立了污泥高温富氧气化模型，如图1所示。图1污泥富氧气化模型第 1 期王恩宇，等：基于Aspen plus的污泥循环流化床高温氧气气化模拟分析表1（续）31第 19 卷沈阳工程学院学报（自然科学版）选取的试验物性方法为 PENG-ROB，污泥与灰分为非常规组分，分别采用 HCOALGEN 和DCOALIGT研究NC物性中污泥与灰分的焓和密度。该模型共有6个模块单元、10个物流工艺流股和1个热流工艺流股。其中，RYIELD模块模拟污泥的干燥与热分解，依靠SEP模块分离热分解的产物；RGibbs模块是基于Gibbs自由能最小化原理的反应器；SSplit模块在模型中的作用是有效分离气化产物，主要包括气化气与灰分；HEATER模块用于冷却气化气。根据对污泥研究的相关资料可知：其气化气产物的主要成分为 H2、CO、CO2、CH4、H2O、N2及灰分。由于焦油成分复杂，为简化模拟流程，减少不确定性因素，在模型假设中不考虑焦油问题。考虑到实际气化过程中有未完全反应的C，在SEP模块中提前将其分离。1.4污泥成分污泥原样为某污水处理厂的脱水污泥，其工业分析与元素分析数据如表2和表3所示。表2污泥工业分析（干基）%成分参数Aad32.6Vad59.7FCad7.7Mad0表3污泥元素分析成分C/%H/%O/%N/%S/%Qnetar/（kJkg-1）参数33.474.7823.133.871.1612 455.372结果与分析2.1O2浓度的影响O2浓度对于污泥富氧气化是一个较为重要的影响因素，浓度的改变会影响N2对气化气的稀释，同时O2浓度也会影响炉内的气化温度。本文选择O2的浓度范围为55%98%（填充气体为N2），污泥含水率为10%，当量比为0.05。通过污泥气化模拟试验，选取结果为MIXED流股，不考虑灰分，结果如图2所示。图2O2浓度对气化成分的影响由图2可知：氧气浓度对气化气成分具有一定影响：随着富氧浓度的持续增加，H2含量从17.5%增大至 19.5%，CO 含量从 30.5%增大至 35%，CO2含量小幅度上升，从27%增大至36%，CH4含量变化较小。O2浓度对气化气成分的影响主要包括以下方面：1）O2含量对气化炉内的燃烧反应（表1中的6、7、8、9）和还原反应（表 1中的 1、2、3）具有一定影响，随着O2浓度的增大，燃烧反应速率加快且放出大量的热，因为N2含量下降，吸收的热量减少，导致气化炉内温度上升，有利于炉内的大分子再次裂解，同时促进了炉内还原反应的进行，使得 H2和CO的含量上升；2）随着O2含量的逐渐增大，N2的含量减少，相当于极大地削减了N2对气化气的稀释，各气体组分浓度均有所增加。这两方面原因均增大了合成气的热值，提升了合成气的品质。此结论与黄亚继等人的研究结果较为吻合13。将此模拟结果与实际气化试验对比可知：当O2含量较低时，CO和H2的组分较高，这可能是由于O2含量低，气化温度下降，大量焦油未被分解14。2.2O2当量比的影响当量比是气化时消耗的O2量与完全燃烧时的理论空气量之比，是气化过程的重要指标之一。当量比的影响不是单方面的，改变当量比会使气化炉32内的温度随之改变，所以，当量比与气化温度的影响是相互关联的，且随着富氧浓度的增加，最佳当量比应有所减小。因此，选取当量比范围为0.010.15，污泥含水率为10%，O2浓度为98%（填充气体为 N2），改变输入的 O2当量比（从 0.01 增大到0.15），进行了污泥气化试验模拟。选取结果为MIXED流股，不考虑灰分，结果如图3所示。图3O2当量比对气化成分的影响由图3可知：通入反应中的气化剂当量比增加至0.05时，H2的含量轻微上升；随着当量比继续增加，H2含量从22%下降至19%；CO的变化与H2接近，在当量比为0.05时达到最大值，继续增加当量比，CO的含量由36%下降至34%；CO2的含量逐渐下降，由37%下降至28%；CH4的含量几乎没有变化。在当量比增加至0.05时，气化剂流量的增加促进了氧化部分的放热反应（表1中的6、7、8、9、10），导致CO2的产量上升，且由于气化炉内温度的升高有利于还原反应（表1中的1）正向反应，使得CO和H2的产量增加；但继续增加O2当量比，使得O2含量上升，促进了氧化反应（表1中的8、9、10）的进行，消耗大量的H2和CO，降低了CO和H2在气化气中的组分。因此，CO和H2的含量随着O2流量的增加而下降，CH4几乎被反应消耗殆尽，降低了合成气的品质，这与伏启让的研究结论基本一致15。2.3气化温度的影响气化温度的改变会影响吸热还原反应和焦油裂解，对H2和CO的产率有较大影响。考虑到循环流化床气化炉的实际气化温度，选取气化温度范围为750 900，设置污泥含水率为10%，O2浓度为98%（填充气体为N2），O2当量比为0.05。通过改变气化温度（从750 增大到900），进行了污泥气化试验模拟。选取结果为MIXED流股，不考虑灰分，结果如图4所示。图4气化温度比对气化成分的影响由图 4 可知：随着气化温度从 750 升高到900，CO和H2的组分分别从27%和13%增大到40%和 19%，然后逐渐趋于平稳；CO2的组分由42%下降到35%，H2O含量变化较小；CH4的含量由5%逐渐减少，最后接近于0。在气化剂流量一定的条件下，O2与污泥中的固定C发生氧化反应（表1中的6、7），生成的CO2与焦炭发生还原反应（表1中的1），生成一定量的CO。在整个气化反应中，热分解与燃烧反应的速度较快，还原反应的速度较慢，整个气化反应的速度限制在还原部分的反应速度，所以影响CO2被还原成 CO 的主要因素是还原部分的化学反应速度16-17。C与CO2的还原反应（表1中的1）是一个吸热反应，因此提高气化温度有利于还原反应正向进行，可以获得CO含量更高的气化气；还原反应消耗大量的 CO2，气化气中的 CO2含量也相应下降，提高了气化气的品质。此结论与张伟研究的富氧条件下生物质气化结果相符18。由于污泥的含水率为 10%，所以参与反应的H2O 量是有限的。当温度升高时，热分解反应加剧，产生的H2量更多，同时温度的升高也促进了还原反应（表1中的1、2、3）的正向进行，导致了H2和CO的含量上升。正是热分解与还原反应的综合影响使得H2在气化气中的含量逐渐升高。由于气化第 1 期王恩宇，等：基于Aspen plus的污泥循环流化床高温氧气气化模拟分析33第 19 卷沈阳工程学院学报（自然科学版）气中的可燃气组分（CO和H2）随温度的增加而升高，所以气化气的热值也相应的增大，最终呈现出如图4的趋势。由此可见，提高气化温度对增加气化气的品质的影响较为明显。2.4污泥含水率的影响水分的增加会使物料内部结构改变，不易实现连续进料19。含水率过高会导致气化炉温度下降，焦油凝结，阻塞管路，不利于气化设备的正常连续工作。因此，选取含水率为10%40%的污泥原料。考虑到实际气化过程中随着含水率的增加导致气化温度会下降，为了维持较高的气化温度，适当增加当量比，O2浓度为 98%（