基于Aspen_plus的...流化床高温氧气气化模拟分析_王恩宇.pdf
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1、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
2、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 o
3、f 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
4、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1
5、1。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
6、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
7、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
8、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
9、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
10、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
11、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
12、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
13、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
14、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
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