梁永煌，章衛(wèi)星，楊 珂，游 偉

（中國五環(huán)工程有限公司，武漢 430223）

城市垃圾等離子氣化技術(shù)模擬研究

梁永煌，章衛(wèi)星，楊 珂，游 偉

（中國五環(huán)工程有限公司，武漢 430223）

簡要介紹了等離子氣化技術(shù)及其特點，以及國內(nèi)外等離子氣化技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用情況。在分析探討了等離子氣化原理的基礎(chǔ)上，借助Aspen Plus系統(tǒng)流程模擬軟件，對我國城市垃圾進(jìn)行等離子氣化建模和模擬分析。

等離子氣化;城市垃圾;Aspen Plus;模擬研究;富氧空氣氣化

目前，城市垃圾處理主要有三種方式，即衛(wèi)生填埋、堆肥和焚燒發(fā)電[1]。但隨著我國城市化規(guī)模的擴(kuò)大，城市垃圾逐年增加，許多地方已出現(xiàn)了垃圾無地可埋、無處可堆的尷尬局面，城市垃圾污染引起的環(huán)境和生態(tài)安全問題已經(jīng)十分嚴(yán)峻。垃圾焚燒可實現(xiàn)垃圾減量化，在減少占地的同時，可進(jìn)行發(fā)電，創(chuàng)造一定經(jīng)濟(jì)效益，但垃圾焚燒也帶來了一系列問題：1）由于焚燒溫度不高，容易產(chǎn)生二英和呋喃等致癌物質(zhì)；2）焚燒產(chǎn)生的飛灰和殘渣中富含有毒有害重金屬物質(zhì)，容易造成地下水源污染；3）焚燒產(chǎn)生大量煙氣，碳排放量大[2-4]。因此，尋找和研究開發(fā)出一種針對城市垃圾處理的綠色環(huán)保新技術(shù)，盡可能減少和消除垃圾處理過程中造成的環(huán)境污染問題，已成為我國當(dāng)前城市垃圾處理領(lǐng)域的一個新課題[5]。

等離子氣化技術(shù)是近幾年發(fā)展起來的一種全新技術(shù)[6，7]。和一般垃圾焚燒技術(shù)不同，采用等離子氣化技術(shù)處理城市垃圾，是利用等離子炬產(chǎn)生的高強(qiáng)度熱源（5500℃以上）作為氣化爐熱源，由于其高溫和高熱密度，幾乎能將垃圾等固體廢物中的有機(jī)物完全氣化并轉(zhuǎn)化成合成氣（主要為CO和H2），而無機(jī)物則可變成無害的玻璃體灰渣，可以實現(xiàn)垃圾處理過程污染物的“零排放”。等離子氣化技術(shù)應(yīng)用于城市垃圾的處理在國外已有工業(yè)化運行裝置，被證明是一種可靠的垃圾處理措施[8-10]。本文以Aspen Plus軟件作為模擬工具，對我國城市垃圾進(jìn)行等離子氣化建模和模擬計算，并對模擬結(jié)果進(jìn)行分析討論，以期對我國城市垃圾等離子氣化的產(chǎn)業(yè)化工作提供基礎(chǔ)性參考。

1 等離子氣化技術(shù)及其應(yīng)用簡介

1.1 等離子氣化技術(shù)及其特點

隨著溫度升高，物質(zhì)先后經(jīng)歷固、液、氣三態(tài)，溫度繼續(xù)上升，氣體將電離導(dǎo)電，但在一定的體積內(nèi)（德拜半徑之內(nèi)），由于正負(fù)離子數(shù)目相等，宏觀呈現(xiàn)電中性，此時物質(zhì)成為等離子體態(tài)，稱為“第四類物質(zhì)狀態(tài)”[6，7]。按照等離子應(yīng)用和參與方式可分為等離子氣化和等離子輔助氣化，前者將等離子體作為氣化劑直接參與氣化反應(yīng)，后者則是將等離子體作為引發(fā)劑促使氣化反應(yīng)進(jìn)行。等離子體是極活潑的反應(yīng)性物種，使通常條件下難以進(jìn)行或速度很慢的反應(yīng)變得快速，尤其有利于難消解污染物的處理[8-14]。將等離子氣化技術(shù)用于處理各類污染物具有處理流程短、效率高、適用范圍廣等特點，具體如下：1）可以處理有毒、有害危險及非危險廢物，包括有機(jī)的、無機(jī)的、氣體、液體及固體；2）能夠完全、安全地將有毒廢料轉(zhuǎn)化成無毒且有使用價值的產(chǎn)品；3）符合最嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)，綠色達(dá)標(biāo)排放（二英、重金屬含量遠(yuǎn)低于歐盟標(biāo)準(zhǔn)）；4）處理得到的合成氣經(jīng)過凈化處理，可用于生產(chǎn)化工產(chǎn)品或用于發(fā)電[2-14]。

1.2 等離子氣化技術(shù)應(yīng)用簡介

鑒于等離子氣化技術(shù)的特點，早在20世紀(jì)60年代該技術(shù)就已經(jīng)開始被應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中，其主要應(yīng)用領(lǐng)域有[6-14]：1）處理市政垃圾及其焚燒殘留物；2）處理危險的工業(yè)有機(jī)廢物；3）處理醫(yī)療廢棄物；4）處理劣質(zhì)煤；5）處理生物質(zhì)。其中，以等離子氣化固體廢棄物（主要為垃圾）的工業(yè)應(yīng)用最為廣泛。

美國西屋公司在等離子體及等離子氣化方面已有40多年的應(yīng)用經(jīng)驗，該公司于20世紀(jì)60年代開始為航天用途建造等離子炬，后續(xù)研究用于銷毀化學(xué)武器、印刷電路板和石棉等有毒廢物[2，4]。20世紀(jì)90年代初，西屋公司在美國建造了一個處理固體廢物并帶有發(fā)電的試驗裝置，90年代末，又在日本建造了一個中試規(guī)模的等離子氣化裝置，主要將生活垃圾、污水污泥、廢舊汽車粉碎后的殘留物等進(jìn)行處理。隨著在美國和日本的等離子氣化示范裝置的成功運營，西屋公司逐漸將該技術(shù)向加拿大和歐洲進(jìn)行應(yīng)用推廣。除西屋公司外，加拿大的普拉斯科（Plasco）能源公司是當(dāng)今世界范圍內(nèi)另一家擁有商業(yè)化等離子氣化技術(shù)的公司[4]。Plasco公司主要針對北美生活垃圾，開發(fā)出基于燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電的等離子氣化垃圾工藝。該工藝的核心是垃圾的兩級熱解：第一級利用廢物自身熱值熱解，第二級利用等離子電弧加熱重整合成氣，同時用等離子炬玻璃化裂解室的廢渣。2008年底，加拿大決定采用Plasco公司的等離子氣化技術(shù)建造北美地區(qū)規(guī)模最大的氣化垃圾發(fā)電廠，項目總投資1.25億美元，處理規(guī)模400t/d，發(fā)電量可達(dá)21MW，可滿足19,000戶當(dāng)?shù)鼐用袢沼秒娏啃枨?。此外，Plasco公司與中國節(jié)能集團(tuán)合資，擬在北京建100t/d的實驗裝置用于處理北京市的生活垃圾。

我國等離子氣化技術(shù)研究起步較早，主要側(cè)重于材料加工工藝技術(shù)，在處理固體廢棄物方面，中科院力學(xué)所進(jìn)行了應(yīng)用性的基礎(chǔ)研究，在實驗室建成了一條3t/d的等離子處理醫(yī)療垃圾的實驗線，并與企業(yè)合作建成了2條工業(yè)規(guī)模（5～10t/d）的等離子處理危險廢物的生產(chǎn)線[7]。此外，太原理工大學(xué)、清華大學(xué)、大連理工大學(xué)等主要側(cè)重于煤的等離子氣化技術(shù)研究[7，15，16]，北京環(huán)宇冠川公司側(cè)重于工業(yè)危險廢物的等離子氣化研究，武漢凱迪電力公司側(cè)重于生物質(zhì)的等離子氣化研究，武漢華電天和公司側(cè)重于高危廢棄物的等離子氣化研究，都取得了一些研究成果，但在處理城市垃圾方面的研究較少。中國五環(huán)工程有限公司目前也對等離子氣化技術(shù)處理垃圾廢物（含城市垃圾）開展了相應(yīng)的研究，獲得了相應(yīng)的研究成果。

2 城市垃圾等離子氣化Aspen p lus模擬模型的建立

將Aspen Plus應(yīng)用于煤的氣化過程模擬在國內(nèi)外已經(jīng)取得了很多的研究成果[17-19]。本文將借鑒Aspen Plus在煤氣化過程模擬方面的研究成果，結(jié)合等離子氣化技術(shù)特點，對城市垃圾的等離子氣化進(jìn)行相應(yīng)建模和分析討論。

2.1 模擬方法與等離子氣化原理

2.1.1 模擬方法

與煤氣化Aspen Plus建模一樣，垃圾的等離子氣化建模所使用的模型方法主要也是基于Gibbs反應(yīng)器的反應(yīng)平衡模型[19，20]。該模型主要通過一系列假設(shè)條件，將氣化過程設(shè)定為平衡反應(yīng)模型，認(rèn)為其一直處于穩(wěn)定狀態(tài)，所有化學(xué)反應(yīng)均達(dá)到平衡，然后通過平衡Gibbs自由能最小原理，結(jié)合氣化過程質(zhì)量及能量平衡方程等手段，對氣化爐出口產(chǎn)品氣組成、產(chǎn)率及平衡溫度進(jìn)行預(yù)測計算。該反應(yīng)平衡模型以反應(yīng)熱力學(xué)為基礎(chǔ)，不考慮氣化爐的流動傳熱傳質(zhì)特性以及氣化反應(yīng)的過程，對碳轉(zhuǎn)化率高、反應(yīng)接近平衡的工況預(yù)測得比較好，而對沒有達(dá)到化學(xué)平衡的工況則預(yù)測得比較差。由于平衡模型假設(shè)條件較理想，在實際應(yīng)用中受各種條件限制，模型計算結(jié)果準(zhǔn)確性與氣化爐型關(guān)聯(lián)度較大。整體來說，氣流床模型最接近于實際值，流化床次之，而固定床由于反應(yīng)溫度低，反應(yīng)產(chǎn)物復(fù)雜，結(jié)果較差[18]。

本研究采用等離子火炬產(chǎn)生的高溫高能輔助城市垃圾氣化，由于大功率等離子火炬的中心溫度可高達(dá)20,000℃～30,000℃，火炬邊緣溫度也可達(dá)到3000℃左右，足以將垃圾完全熔融氣化。因此，在等離子氣化爐的高溫反應(yīng)體系內(nèi)，垃圾的化學(xué)反應(yīng)理論上可以達(dá)到反應(yīng)平衡，故本文研究采用Gibbs反應(yīng)器模擬等離子氣化垃圾反應(yīng)。

2.1.2 等離子氣化原理（見圖1）

圖1 等離子氣化爐示意圖

如圖1所示，等離子氣化爐內(nèi)從下往上可分為四個主要反應(yīng)區(qū)域：熔渣區(qū)、燃燒氧化區(qū)、氣化還原區(qū)和干餾干燥區(qū)。

（1）熔渣區(qū)：利用等離子炬產(chǎn)生的高溫將垃圾等固體廢物熔融形成液態(tài)熔渣，經(jīng)氣化爐底部激冷室激冷后形成玻璃態(tài)渣體沉積到氣化爐底部的渣池中。該區(qū)域平均溫度可高達(dá)1600℃以上。

（2）燃燒氧化區(qū)：氣化劑（空氣/氧氣和蒸氣）進(jìn)入氣化爐底部的燃燒區(qū)，與從氣化爐頂部加入的垃圾迅速發(fā)生氧化反應(yīng)，生成一氧化碳和二氧化碳，同時放出大量的熱，反應(yīng)溫度在1500℃左右。

（3）氣化還原區(qū)：來自燃燒區(qū)的二氧化碳和水蒸氣，在氣化爐中上部區(qū)域與從上部向下移動的垃圾等固體物質(zhì)發(fā)生一系列吸熱性氣化還原反應(yīng)，生成粗合成氣（CO和H2為主）。該區(qū)域溫度在1300℃左右。

（4）干餾干燥區(qū)：來自氣化爐氧化區(qū)和還原區(qū)生成的高溫合成氣體與從氣化爐上部加入的垃圾固體物接觸，控制出氣化爐合成氣溫度約1200℃，使?jié)窭杆俚玫礁绅s和干燥。由于氣體溫度高，干餾生成的焦油等有機(jī)物將被迅速有效分解，合成氣中幾乎不含焦油等有機(jī)物，并且能有效避免二英的產(chǎn)生。

2.2 模型建立及物性方法選擇

借鑒煤的氣化過程分析，可將垃圾等離子氣化過程理想地劃分為裂解和燃燒氣化兩個過程[18-21]。裂解過程利用Decomp模塊模擬，其是一個僅計算收率的簡單反應(yīng)器Ryield。Ryield的主要功能是將垃圾分解成單元素分子（純元素C、純元素S、H2、N2、O2、Cl2）和灰渣（Ash），并將裂解熱（QDecomp）導(dǎo)入Gasify模塊。Gasify模塊采用Gibbs反應(yīng)器單元進(jìn)行模擬，它是一個基于Gibbs自由能最小化原理的反應(yīng)器，在同時考慮熱損失（QLoss）的前提下求得氣化爐的出口組成（粗合成氣、Ash）和溫度[18]。垃圾等離子氣化建模見圖2。

圖2 垃圾等離子氣化建模示意圖

用Aspen Plus 模擬計算時，物流將分為常規(guī)組分和非常規(guī)組分。對于常規(guī)組分，采用RK-Soave方程計算物質(zhì)的相關(guān)熱力學(xué)性質(zhì)；非常規(guī)固體組分選用焓模型（HCOALGEN）和密度模型（DCOALIGT）[18，21]。

2.3 反應(yīng)模擬流程圖

Aspen Plus模擬流程圖見圖3，模型模塊及用ME途LT見表1。

圖3 等離子氣化Aspen Plus模擬流程圖

表1 Asepn Plus單元操作模型及用途

3 模擬結(jié)果分析與討論

3.1 我國城市垃圾組成及Aspen Plus模擬條件設(shè)定

3.1.1 我國城市垃圾組成

據(jù)調(diào)查，目前我國城市垃圾平均含水率普遍在45%～55%，垃圾平均比重為0.24～0.4t/m3，垃圾收到基平均低位發(fā)熱值3140～6280kJ/kg（750～1500kcal/kg）[22]。因此，本研究假定了我國三種不同熱值的城市垃圾組成進(jìn)行相應(yīng)的模擬分析，三種不同垃圾具體的組成分析見表2所示。

表2 我國三種不同城市垃圾工業(yè)分析和元素分析

3.1.2 模擬條件設(shè)定

根據(jù)國內(nèi)外等離子氣化垃圾實驗研究及相關(guān)文獻(xiàn)報道，為防止焦油和二英的產(chǎn)生，控制氣化爐出口合成氣溫度在1200℃左右[4，16，23]。

3.2 模擬結(jié)果分析

3.2.1 垃圾空氣中燃燒

首先對垃圾在空氣中的燃燒情況進(jìn)行研究，結(jié)果見圖4。

圖4 垃圾燃燒出口煙氣溫度—垃圾熱值關(guān)系圖

從圖4中可以看出，低熱值垃圾無論是完全燃燒，還是過氧燃燒，隨著垃圾熱值的降低，其在空氣中燃燒的出口煙氣溫度逐漸降低。若要防止燃燒過程中二英生成，滿足出口煙氣溫度＞1200℃，則需要在空氣中完全燃燒，且垃圾熱值≥1250kcal/kg。

3.2.2 低熱值垃圾空氣氣化

由于我國城市垃圾含水量普遍較高，熱值偏低，為了使本模擬研究更具有普適性，選取熱值為850kcal/kg的垃圾進(jìn)行進(jìn)一步的等離子氣化模擬研究。

從上文初步的純垃圾空氣燃燒結(jié)果可知，低熱值垃圾氣化將滿足不了垃圾處理無害化的溫度要求，因此垃圾氣化需要摻燒高熱值的燃料，一般選用煤炭進(jìn)行摻燒。根據(jù)國家環(huán)保部﹝2008﹞82號文件《關(guān)于進(jìn)一步加強(qiáng)生物質(zhì)發(fā)電項目環(huán)境影響評價管理工作的規(guī)定》，用于垃圾焚燒發(fā)電摻燒的燃煤比例≤20%，因此本文選用5000kcal/kg煙煤進(jìn)行垃圾摻燒空氣氣化，摻燒量為入爐垃圾量的20%，氣化模擬結(jié)果見圖5所示。

圖5 850kcal/kg城市垃圾+5000kca l/kg煙煤混合空氣氣化模擬結(jié)果

從圖5分析可知，隨著空氣流量的增加，垃圾空氣氣化爐出口合成氣溫度逐漸升高，但合成氣熱值逐漸降低，在滿足氣化爐出口溫度≥1200℃時，合成氣的熱值只有約100kcal/Nm3。由于垃圾氣化產(chǎn)生的合成氣熱值較低，一般用于燃燒發(fā)電，但要滿足燃?xì)忮仩t或燃?xì)廨啓C(jī)的穩(wěn)定燃燒，垃圾氣化所得合成氣的熱值必須≥800kcal/Nm3。分析圖5可知，在控制摻燒煤量符合國家規(guī)定的條件下，垃圾純空氣氣化不能滿足用于發(fā)電的合成氣熱值要求，需要考慮采用富氧或純氧氣化。

3.2.3 低熱值垃圾富氧氣化

為了同時滿足垃圾處理的無害化溫度要求和氣化合成氣用于燃燒發(fā)電的熱值要求，進(jìn)一步模擬研究了低熱值垃圾的等離子富氧氣化，模擬結(jié)果見圖6。

圖6 不同富氧濃度的垃圾氣化模擬結(jié)果

結(jié)合圖5和圖6分析可知，在保證氣化爐出口合成氣溫度在1200℃以上的前提下，隨著富氧濃度的增加，合成氣熱值增加，在50%富氧濃度下進(jìn)行垃圾氣化，可以同時滿足氣化爐出口合成氣溫度≥1200℃，且出口合成氣熱值≥800kcal/Nm3。

4 結(jié)論與展望

借鑒煤氣化的Aspen Plus模擬研究，采用Aspen Plus模擬工具對我國高含水量低熱值的城市垃圾進(jìn)行了等離子氣化建模和模擬研究。模擬中，為防止焦油和二英的產(chǎn)生，實現(xiàn)垃圾的無害化處理，控制等離子氣化爐出口合成氣溫度在1200℃以上，在此要求下，需要摻燒一定量的高熱值燃料煤，在摻燒煤量控制在國家規(guī)定范圍內(nèi)時，需采用富氧空氣氣化，且富氧濃度在50%以上才能同時滿足氣化爐出口合成氣溫度和熱值要求。

環(huán)保性是等離子氣化技術(shù)的最大優(yōu)勢，該優(yōu)勢決定了其非常適用于城市垃圾的處理。等離子氣化城市垃圾已在國外建立了多個示范裝置和工業(yè)化裝置，并獲得成功運行，但由于我國城市垃圾分類難、熱值低，等離子炬能耗高、等離子處理垃圾工廠的投資高等問題，影響了該技術(shù)在我國的發(fā)展。但隨著我國人民生活水平的逐漸提高和環(huán)保意識的逐步增強(qiáng)，我國城市垃圾的分類將逐漸從源頭得到解決，垃圾的熱值將逐漸增加，且等離子氣化技術(shù)也在不斷發(fā)展完善。綜合分析，等離子氣化技術(shù)應(yīng)用于我國城市垃圾的處理將具有較好的發(fā)展前景。

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Simulating Research on Plasma Gasification Technology of Urban Refuse

LIANG Yong-huang, ZHANG Wei-xing, YANG Ke, YOU Wei

X799.3

A

1006-5377（2014）05-0043-05