水蒸气流量对污水污泥气化产气特性的影响

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摘要：采用固定床气化装置，在温度为900 ℃条件下进行污泥水蒸气气化试验。研究了水蒸气和污泥中碳元素质量比 （S/C）对污泥气化气体产率、氢气产率、气体成分与低位热值、气体能源转化率的影响。结果表明，污泥水蒸气气化在气体产率、氢气产率、气体能源转化率方面都显著优于污泥热解；污泥水蒸气气化在S/C值为2.72时，气体产率、氢气产率、气体能源转化率达到峰值，分别为0.59 m3/kg、0.32 m3/kg、0.83；污泥水蒸气气化产气的低位热值随水蒸气量的增加而下降。

关键词：污水污泥；热解；气化

中图分类号：X705 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2013）11-2529-03

近年来，随着我国城市化进程的加快，污水处理率逐年提高，污泥产量也随之急剧增加。据中国水网《中国污泥处理处置市场报告（2010版）》数据显示[1]，2009年我国城市湿污泥（含水率80%）产生量已突破2 000万t。但随着各国环境标准的不断提高，传统的污泥处理方法（如农用、填埋、焚烧和海洋倾倒）将逐步被限制使用[2]。因此，发展环境影响小、可持续发展的污泥处理技术非常必要。

污泥气化技术因其经济性好、二次污染小、产物利用价值高等优点被认为潜力大、应用前景好。近年来世界各地都在积极开展此项技术的试验研究[3-9]，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研究则鲜有报道。

本试验利用固定床气化装置，研究高温下水蒸气和污泥中碳元素质量比（S/C）对污泥气化气体产率、氢气产率、气体成分与热值、气体能源转化率的影响，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 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24 h，干燥后的污泥研磨至1～3 mm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。

2.3 S/C值对污泥气化氢气产率的影响

S/C值对污泥气化氢气产率的影响如图3所示，可以看出相对于污泥热解，污泥水蒸气气化极大地提高了氢气的产率，这是因为水蒸气参与了式（7）～（12）的反应，导致氢气产率大幅增加。氢气的产率同样在S/C值为2.72达到峰值（0.32 m3/kg），其原因也是因为水蒸气流量对污泥气化反应起正反两方面的作用所致。

2.4 S/C值对污泥气化产气成分与低位热值的影响

S/C值对气化产气成分与热值的影响如表2所示，表中CnHm包含C2H2、C2H4、C2H6等气体。从表2可以看出随着水蒸气量的增加，氢气含量先增后降，在S/C值为2.72时达到峰值，此变化趋势与氢气产率相吻合。CO、CH4含量随水蒸气流量的增加而下降，CO2含量随水蒸气流量的增加而上升，这是由于水蒸气流量的增加促进了式（9）、（10）的反应。CnHm由于含量较小，随着水蒸气流量的增加变化不大。气体低位热值随水蒸气流量的增加而降低，这是因为水蒸气流量的增加导致气体中CO、CH4含量下降和CO2含量上升的结果。

2.5 S/C值对气体能源转化率的影响

S/C值对气体能源转化率的影响如图4所示，可以看出污泥气化气体能源转化率平均比污泥热解高48%。而污泥气化在S/C值为2.72时，气体能源转化率最高，达到0.83。这是污泥气化气体产率在S/C值为2.72时最高产生的结果。

3 结论

1）在温度设定为900 ℃时，污泥水蒸气气化在气体产率、氢气产率、气体能源转化率方面都显著优于污泥热解。

2）污泥水蒸气气化在S/C值为2.72时，气体产率、氢气产率、气体能源转化率达到峰值，分别为0.59 m3/kg、0.32 m3/kg、0.83。这是因为水蒸气流量对污泥气化反应有正反两方面的作用所致。

3）污泥水蒸气气化产气的低位热值随水蒸气量的增加而下降，这是由于水蒸气流量的增加导致气体中CO、CH4含量下降和CO2含量上升的结果。

参考文献：

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