Simulation Of Sewage Sludge Gasification And Co-Gasification With Coal And Other Biomasses / by Nermeen Ibrahim Rabee ; Under the Supervision of Prof. Dr. Hassan Fahmy Imam, Prof. Dr. Ayman Abdel-Hamid El- Midany.

Thesis (M.Sc.)-Cairo University, 2023.

Bibliography: pages 78-83.

Egypt is facing two main problems; increasing energy demand driven by
economic growth and technical development contributes to the sever depletion of
conventional energy resources and Solid Waste Management because it is a crucial
public service issue affecting both Environment and health. These problems increased
with the rapid population growth and the fast growing urbanization rate.
Sewage sludge disposal is one of the biggest problems to the wastewater
treatment plants in Egypt due to the large quantity of sludge produced continuous due
to the rising of wastewater treatment plants. This sludge should be treated to decrease
its environmental impacts, municipal solid waste (MSW) is another environmental
problem facing Egypt, and it produces about 25 thousand tons daily in greater Cairo
only. Rice straw another nuisance waste in Egypt needed to be in consideration.
However, organic fraction of theses wastes contains energy also valuable resources.
There are a number of physical, chemical and biological processes available for
energy recovery from sludge and other biomass. Those processes can be used to
covert theses wastes into biogas, syngas or oil, which is then further converted into an
energy source such as electricity, heat or biofuel. Gasification of biomass is
considered as one of the most important technologies for converting biomass into
gaseous fuel (syngas). There are a lot of advantages of gasification that it can use
wide range and low value feed-stocks, syngas cleaning reduces air pollution, reduces
greenhouse gases (GHG) emissions, increases fuel efficiency and provides easy to
handle and efficient fuels. The aim of this work is to study the gasification process in
terms of the effects of equivalence ratio (ER), temperature on gas composition, carbon
conversion, lower heating value (LHV) and higher heating value (HHV), for both air
and oxygen and adding steam to air gasification. It focused on simulation of sewage
sludge gasification and other biomass for converting organic fraction of these wastes
into a valuable gas. The presented model is based on minimization of Gibbs free
energy and the restricted equilibrium method. The production of syngas by
gasification of sewage sludge alone or by co-gasification with coal and other wastes
(rice straw, wood, MSW and food waste). A parametric study on the gasifier is
conducted using Aspen Plus software where it is a process simulation software
package. The model can be used as a predictive tool for optimizing the gasifier
performance. The gasifier has been modeled in a three stages. Fist drying biomass
feed, second decomposed it into its elements and finally the third stage is gasification
reactions in GIBBS reactor. The modeled results are good agreement with the
experimental data. Operating at high temperature increases the production of CO and
H2 also carbon conversion and cold gas efficiency. Increasing of ER produced higher
carbon conversion, yet the cold gas efficiency experienced slight changes that are due
to the decrease in LHV of the syngas, as well as the oxidation of combustible gases.
Using of air plus steam as gasifying agent increases the hydrogen production.
The results indicate that gasification of sewage sludge with moisture content
5.3% is effective without coal and biomass additions where gasification performance
which is generally evaluated by CGE is 75%. On the other hand, co-gasification of
sewage sludge with coal and other biomasses was modeled to study the effect of
partial replacement of the SS with moisture content 50 % with coal and other
biomasses. The results showed that replacement of SS with different feedstocks
during co-gasification enhanced gas quality, gas yield and gasification performance
where CGE increased from 40% to 65% with 70% rice straw, from 40-62% with 70%
wood, from 40-58 % with 70% coal. Food waste and MSW have low CGE (50-41%)
with 50% S.S. Mixing 10% of SS with others gives CGE 68% by using air as a
gasifying agent.
This study concludes with the possibility of using various solid wastes, especially
sewage sludge, as an alternative source of energy through the gasification process.
The modeling and simulation processes for such operations are not only compatible
with laboratory and industrial experiments, but also provide reliable data in addition
to saving time and effort in the planning and design stages as well as the
implementation of such operations

تعتبر مشكلة نقص الطاقة وإدارة المخلفات الصلبة من أهم التحديات التي تواجهها مصر في الوقت الراهن ، حيث يزداد الطلب على الطاقه مدفوعاً بالنمو الاقتصادى والتطور التقنى بالإضافة إلى زيادة النمو السكانى ومعدل التحضر فى إستنفاد موارد الطاقة التقليدية كما أن المخلفات الصلبة تؤثر على كل من البيئة والصحة.
وتعد حمأه الصرف الصحى كأحد المخلفات الصلبة من أكبر المشكلات التى تواجه محطات معالجة مياه الصرف الصحى فى مصر نظراً للكميات الكبيرة الناتجة منها ، كما تعتبر مخلفات زراعة الأرز (قش الأرز) ، والقمامة من المخلفات الصلبة والتي تبلغ كمياتها حوالى 25 ألف طن يومياً فى القاهرة الكبرى فقط.
وتحتوي هذه النفايات علي كثير من المواد العضوية مما يجعلها مصدراً للطاقة عن طريق معالجتها بالعمليات الفيزيائية والكيميائية والبيولوجية ، كما يمكن الإستفادة من هذه النفايات بتحويلها إلى غاز حيوي أو غاز تخليقي يمكن إستخدامه مصدر للطاقة في إنتاج الكهرباء أو الحرارة. ولذلك يعتبر تحويل الكتلة الحيوية لغاز أحد أهم التقنيات لإنتاج وقود غازي (غاز المخلق) حتى مع المخلفات منخفضة المحتوي العضوي ، ويتميز الغاز التخليقي بكفاءته العالية وبإنخفاض الإنبعاثات الغازية منه وبالتالي يقلل الإحتباس الحراري.
وتهدف هذه الدراسة إلى نمذجة ومحاكاة إنتاج الغاز المخلق عن طريق تحويل حمأه الصرف الصحى وحدها إلى غاز أو بخلطها مع الفحم أو مع كتل حيوية أخرى مثل قش الارز أو القمامة أو نشارة الخشب أو مخلفات الطعام وذلك بإستخدام برنامج النمذجة (ASPEN PLUS) ، وبالتالي دراسة تأثير تغيير المدخلات إلى مفاعل تحويلها لغاز على كفاءه الغاز الناتج لتحديد ظروف التشغيل المثلى ، وتشمل هذه المتغيرات درجة الحرارة ونسبة الـتكافؤ (ER) لكل من الأكسجين والهواء وإضافه بخار الماء الساخن إلى الهواء بالإضافة إلى تغيير نسبة الحمأه لكل من الفحم والخلطات الحيوية الأخرى .
وقد وجد ان نتائج النمذجة تتفق جيداً مع البيانات التجريبية المتاحة في الأبحاث السابقة ، حيث تبين أن درجة الحرارة العالية تزيد من إنتاج ثاني أكسيد الكربون والهيدروجين وكذلك كفاءه الغاز ، كما أن زياده النسبة المكافئة (ER) إلى تحويل نسبة أكبر من الكربون ، إلا أن كفاءة الغاز إنخفضت بنسبة طفيفة نتيجة إنخفاض القيمة الحرارية (LHV) ، كما أدى إضافة البخار إلى الهواء إلى زيادة نسبة الهيدروجين الناتج ، وأوضحت النتائج أن تحويل حمأة الصرف الصحي لغاز بمحتوى رطوبة 3.5% بدون إضافة فحم أوكتلة حيوية ذات كفاءة عالية تصل إلي 75% ، أما في وجود نسبة رطوبة 50% ، فأن كفاءه الغاز تصل إلي 40%. ومن ناحية أخرى ، فقد أوضحت النتائج أن الإستبدال الجزئى للحمأه أدى إلى تحسين جوده الغاز وإنتاجيته ، حيث إرتفعت كفاءة الغاز في وجود 70% قش الأرز إلى 65% ، بينما وصلت إلى 62% بإستخدام 70% خشب ، وإلى 58% بإستخدام 70% فحم ، وإلى 50% بإستخدام 50% مخلفات طعام ، في حين لم يحدث تتغير بإستخدام مخلفات القمامة.
وتخلص هذه الدراسة إلي إمكانية إستخدام تلك المخلفات وعلي الأخص حمأة الصرف الصحي مصدراً بديل للطاقة عن طريق عملية التحويل لغاز ، كما أن عمليات النمذجة والمحاكاة لتلك العمليات لايتوافق فقط مع التجارب المعملية والصناعية بل يوفر بيانات موثوقة بالإضافة لتوفير الوقت والجهد في مراحل التخطيط والتصميم وكذلك التنفيذ لمثل هذه العمليات.

Issued also as CD

Text in English and abstract in Arabic & English.