固相停留时间对干化污泥水蒸气气化产气特性的影响

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(长江大学城市建设学院，湖北 荆州 434023)

固相停留时间对干化污泥水蒸气气化产气特性的影响

何丕文，吴小刚

(长江大学城市建设学院，湖北荆州434023)

采用固定床气化装置，在水蒸气流量为0.5kg/h、反应温度为900℃条件下进行了污泥水蒸气气化试验，研究了污泥在气化炉固相停留时间(Solid residence time,SRT)对污泥气化气体产率、气体成分与低位热值、气体能源转化率的影响。结果表明，随着SRT从11s提高到26s，气体产率从0.49Nm3/kg上升至0.61Nm3/kg，气体能源转化率从0.52上升至0.73，产气的低位热值从10083.7kJ/m3提高至11357.9kJ/m3；同时，产气中H2和CO含量随着STR的升高而升高，CO2含量随STR的升高而降低，CH4和CnHm含量变化较小。因此，延长污泥在气化炉反应时间是提高污泥气化效率的有效手段，在污泥气化工艺设计时，应适当延长污泥在气化炉中停留时间。

SRT；干化污泥；气化；气体产率；气体能源转化率

污泥是城市污水处理厂产生的固体废弃物。由于我国经济水平和环保意识提高，各地纷纷新建了大批污水处理厂，污水处理量急剧增长，导致污泥的排放量大幅增加。据住建部报告显示，截止2012年6月底，我国共建成市政污水厂3243座，其处理规模达1.39×109m3/d[1]，若按每万立方米污水产生6t污泥(含水率80%)测算，每年产出的污泥高达3000余万吨。但传统的污泥处理方法(如农用、填埋、焚烧和海洋倾倒)存在很多不尽如意的地方，并且难以为继，将逐步被淘汰[2]。而污泥热化学处理方法二次污染少，产物可作为新能源应对当今能源危机，弥补传统方法缺陷，可真正实现污泥处置的“无害化、减量化、资源化”目标[3]。

污泥气化技术是一种极具潜力的污泥热化学处理方法，能有效减小污泥的体积、固定重金属元素，并产出富氢燃气。近年来世界各地都在积极开展该项技术的试验研究[3～10]，但大部分研究都集中在以空气或空气与水蒸气混合物作为气化剂的污泥内热式气化技术上，而以水蒸气作为气化剂的污泥外热式气化技术的研究则鲜有报道。为此，笔者利用固定床气化装置，研究在水蒸气环境下，污泥在气化炉中固相停留时间(SRT)对污泥气化的气体产率、气体成分与热值、气体能源转化率的影响，旨在为污泥气化工艺的优化设计与合理运行操作提供理论基础。

1 试验材料与方法

1.1污泥样品

试验所用污泥取自荆州市洪光污水处理厂的脱水污泥，取回的污泥经自然干燥后，放置在105℃的干燥箱内恒温干燥24h，干燥后的污泥研磨至1～3mm后，制得试验样品。对样品进行了工业分析和元素分析，其结果如表1所示。

注：* 差值计算。

1.2试验装置

试验装置如图1 所示，主要由进料器、气化炉、水蒸气发生器、催化炉、温控设备以及冷凝净化装置等部分构成。装置主要特色是进料设备是由2级螺旋给料器组成，2级螺旋给料器由2台电动机、2台电机变频器、加料斗、Ⅰ级绞龙和Ⅱ级绞龙等构成。运行时，Ⅰ级绞龙在电机的驱动下负责将原料推进气化室，而Ⅱ级绞龙在另一台电机驱动下负责推动原料在气化炉中缓慢前进，使试验样品在高温下发生气化反应。

图1 固定床气化系统试验装置示意图

1.3试验方法

试验开始前，先把污泥原料置入进料斗形成料封，从水蒸气进口处通入氮气，将试验设备中空气排尽。然后打开电炉与温控装置电源，按预先设定的升温速率对气化炉与催化炉进行加热，当气化炉和催化炉的炉膛温度达到实验所需的温度后，打开水蒸汽发生器，按预先设定好的流速向气化炉中通入水蒸气。最后，打开进料装置，并通过电机变频器改变Ⅰ级绞龙转速，将物料进料量调节为0.6kg/h，同时通过改变Ⅱ级绞龙转速以调节物料在气化炉中的停留时间。整个试验过程，反应在微正压的条件下进行，气化产物从气化炉内流出, 进入催化炉催化重整后，再通过冷凝系统冷却，将气化产物中的可冷凝物质冷凝于收集瓶中，不可冷凝的气体被净化装置干燥和除尘后，通过煤气表测定体积后，进行采样或点火燃烧。当试验产气稳定5min后，每隔3min利用集气袋采样1次，一共采样3 次，利用3 次采用的平均值作为计算依据。实验完成后， 等炉体温度降至室温后收集半焦和焦油。

试验过程中设定气化炉反应温度为900℃，水蒸气流量为0.5kg/h，污泥进料速率为0.6kg/h，催化炉温度为700℃，通过改变Ⅱ级绞龙转速以调节物料在气化炉中的停留时间，试验分别在SRT为11、16、21、26s 4种情况下进行。

1.4气体成分测定方法

试验采用气相色谱仪(GC9800T型)对气体产物的成分进行测量。在测定过程当中，采取氩气(99.999%)作载气，载气流量设定为40ml/min，气化柱温度设定为200℃，柱箱温度设定为85℃，检测器温度设定为90℃。

1.5试验数据处理方法

气体产率、产气低位热值、气体能源转化率的计算公式详见文献[11]。

2 试验结果与讨论

2.1污泥水蒸气气化的基本原理

污泥水蒸气气化过程比较复杂，主要过程包括污泥热裂解和半焦二次气化2个阶段，污泥水蒸气气化过程可用下列化学方程式表示[9]：

有机物→焦炭+焦油(Tar)+气体产物(H2,CO,CO2，CnHm)

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

2.2SRT对污泥水蒸气气化气体产率的影响

SRT对污泥气化气体产率的影响如图2所示。由图2可知，随着SRT从11s延长至26s，污泥气化的气体产率从0.49Nm3/kg上升至0.61Nm3/kg。这主要是由于延长污泥在气化炉的停留时间使污泥一次热裂解更加充分，促进了污泥中有机挥发分的析出；而且延长污泥在气化炉的停留时间提高了半焦与水蒸气的接触时间，促进了污泥气化过程中固相产物和气相产物间的反应程度，从而有效提高了气体产物的生成。同时，从图2中也可以得出，随着SRT的延长，气体产率的增长趋势逐步趋于平缓，这主要因为随着时间的推移，污泥中挥发分析出越来越充分，进一步提高SRT对气体的产率的影响将越来越小。因此，在进行污泥气化设备的设计时，应根据设备特点选择最佳的SRT。

图2 SRT对污泥气化气体产率影响

2.3SRT对污泥气化产气成分与低位热值的影响

SRT对气化产气成分的影响如图3所示。图3中CnHm包含C2H2、C2H4、C2H6等气体。由图3可知，H2和CO含量随着SRT的延长而升高，CO2含量随SRT延长而降低，CH4含量随SRT延长小幅降低，而SRT对CnHm含量的影响较小。这表明提高污泥在气化炉的停留时间，不仅使污泥中的有机挥发分更为充分的析出，同时使水蒸气和半焦有机会更多的参入反应，提高固相产物和气相产物间的反应程度，使反应(5)和反应(6)进行得更充分，从而使H2和CO含量升高；H2含量升高幅度大于CO，说明SRT也较多的影响了反应(3)的进程；CO2含量有较大幅度降低，这说明SRT的延长，促进了气相与固相间的反应(6)，而对气相与气相间的反应(4)却影响很小；而CH4含量有小幅降低，进一步证明SRT对反应(3)的进程有一定的影响。

图3 SRT对污泥气化气体成分影响

SRT对气体低位热值的影响如表2所示。由表2可知，SRT对污泥气化产气的热值有一定的影响，随着SRT从11s延长至26s，污泥气化产气的低位热值从10083.7kJ/m3升至11357.9kJ/m3，这主要是由于产气的低位热值取决于产气中各组分的含量及其热值，而SRT的延长使气体中H2和CO含量升高，CO2含量大幅降低，CH4含量变化不大，从而导致产气低位热值得到提高。

表2 SRT对气体低位热值的影响

2.4SRT对气体能源转化率的影响

气体能源转化率是指1kg污泥得到燃气的热值与1kg污泥热值的比值，是反映污泥气化中燃气转化效率的指标。SRT对气体能源转化率的影响如图4所示。

图4 温度对气体能源转化率的影响

由图4可知，随着SRT从11s延长到26s，气体能源转化率从0.52上升至0.73。这是因为污泥气化得到燃气的热值取决于气体的产率和低位热值，而SRT的延长有效提升了气体的产率，同时也提高了气体的低位热值，从而在2方面的作用下导致气体能源转化率得到了大幅提升。这说明延长污泥在气化炉中的反应时间是提高污泥气化工艺能源效率的有效手段，因此在进行污泥气化设备设计时，在条件允许时应适当延长污泥在气化炉停留时间。

3 结论

1)以干化污泥为原料，在水蒸气环境下研究了SRT对污泥气化产气特性的影响。试验表明，污泥气化的气体产率、气体低位热值、气体能源转化率均随SRT的延长而提高。

2)SRT的不同导致污泥气化产气成分的变化，随着SRT的延长，产气中H2和CO含量升高，CO2含量大幅下降，CH4的含量小幅降低，而CnHm含量基本保持不变。因此，延长污泥在气化炉反应时间是提高污泥气化工艺效率的有效手段。

3)采用污泥外热式气化技术，所得富氢燃气的热值较高，具有良好的利用价值。由于污泥外热式气化技术需要外部提供热能，在未来的研究中需要解决廉价、环保的能源供给问题。

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[编辑]计飞翔

2017-05-11

住房与城乡建设部研究项目(2015-K7-011)。

何丕文(1977-)，博士，讲师，现主要从事固体废弃物资源化利用方面的教学与研究工作， pwhe1215@126.com。

引著格式何丕文，吴小刚.固相停留时间对干化污泥水蒸气气化产气特性的影响[J].长江大学学报(自科版), 2017,14(21):12～16.

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1673-1409(2017)21-0012-05