付建英 余權(quán) 馬瀚程 徐化 詹明秀

（1中國(guó)聯(lián)合工程有限公司 浙江杭州 310052 2中國(guó)計(jì)量大學(xué)計(jì)量測(cè)試工程學(xué)院 浙江杭州 310018 3杭州鍋爐集團(tuán)股份有限公司 浙江杭州 310021）

0 引言

隨著人們生活水平的提高，能源消耗也日益加劇，因此加強(qiáng)清潔能源的研究和尋找高效的能源利用方式，對(duì)解決能源問題尤其重要［1］。近年來(lái)熱解氣化技術(shù)的發(fā)展，能夠?qū)⒐虖U垃圾和生物質(zhì)能轉(zhuǎn)化為熱能、化學(xué)品以及燃料等［2］，為處理固廢垃圾和利用生物質(zhì)資源開辟了一條新道路。相比于不可再生的化石燃料，生物質(zhì)資源作為清潔可再生能源，來(lái)源廣泛，世界年產(chǎn)量約為2200億t（干物質(zhì)），但利用率還不到其總量的1%［3-4］。秸稈作為典型的生物質(zhì)資源，主要成分是纖維素、半纖維素、木質(zhì)素等，含有豐富的生物質(zhì)能，在我國(guó)儲(chǔ)量豐富，達(dá)8.84 億 t，是一種適合熱解氣化的生物質(zhì)［5-7］。

考慮到相關(guān)實(shí)驗(yàn)的難度，組分、加熱速率、物料停留時(shí)間、熱解溫度的不同，熱解產(chǎn)物也不盡相同［8］。本文以生活垃圾熱解氣化爐為原型，以生活垃圾、廚余垃圾和秸稈為原料，使用Aspen Plus軟件模擬垃圾和秸稈共熱解氣化工藝過(guò)程，從熱化學(xué)平衡角度出發(fā)，根據(jù)吉布斯自由能最小化原理［9］建立工藝模型，開展垃圾和秸稈熱解氣化研究，對(duì)不同的摻燒比例進(jìn)行模擬分析，探索生活垃圾與秸稈共熱解的生成產(chǎn)物及氮氧化物排放，為垃圾和生物質(zhì)共熱解氣化技術(shù)的發(fā)展提供必要的理論參考。

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 軟件介紹

Aspen Plus軟件擁有強(qiáng)大的物性數(shù)據(jù)庫(kù)，包含1 773種有機(jī)物、2 450 種無(wú)機(jī)物、3 314 種固體物質(zhì)［10］、900 種水溶電解質(zhì)的基本物性參數(shù)［11-12］，在實(shí)驗(yàn)參數(shù)的基礎(chǔ)上，通過(guò)物性分析［13］，分析溫度、壓力、進(jìn)料流量以及進(jìn)料成分等各種參數(shù)對(duì)模擬結(jié)果的影響，如果在運(yùn)行模擬時(shí)選擇合適的工藝條件和模擬模型，可以得到準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)結(jié)果，節(jié)省時(shí)間，降低重復(fù)熱解氣化過(guò)程的成本，從而為流化床氣化爐提出優(yōu)化的運(yùn)行條件［14］。目前已有一些學(xué)者將其應(yīng)用于熱解氣化過(guò)程的研究。

Begum等［15］模擬4種不同的物料的熱解氣化過(guò)程，改變氣料比和氣化爐溫度，得到了這兩個(gè)因素變化對(duì)氣化結(jié)果的影響；陳翀［16］模擬討論了溫度、空氣當(dāng)量比以及水分等氣化產(chǎn)物組成的影響；Doherty等［17］基于吉布斯最小自由能建立了Aspen Plus循環(huán)流化床氣化模型，研究了影響空氣－水蒸氣氣化的因素；Nikoo等［18］建立了生物質(zhì)熱解氣化動(dòng)力學(xué)模型，并分析了碳轉(zhuǎn)化率及生物質(zhì)顆粒粒徑對(duì)熱解氣化效果的影響；張巍巍等［19］將生物質(zhì)和半焦炭氣化的結(jié)果與Aspen Plus進(jìn)行了比較，結(jié)果表明熱解溫度為400°C時(shí)氣化效果最為明顯；陳漢平等［20］建立流化床氣化模型，通過(guò)模擬表明該模型能夠準(zhǔn)確模擬生物質(zhì)氣化過(guò)程。

1.2 模型假設(shè)

熱解爐從上到下可分為干燥層、熱解層、氣化層、燃燒層和冷渣層。如圖1所示，原料從爐膛上方進(jìn)入熱解爐，空氣從底部進(jìn)入，空氣在燃燒層與焦炭等反應(yīng)提供熱解所需熱量，攜帶熱解層產(chǎn)生的熱解氣離開爐膛。在模擬過(guò)程中進(jìn)行了適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化，并對(duì)模擬做出以下假設(shè)：①爐內(nèi)反應(yīng)過(guò)程皆為穩(wěn)態(tài)，爐內(nèi)溫度和壓力皆為定值，所有考慮的反應(yīng)都處于平衡狀態(tài)；②組分輸入時(shí)，生活垃圾、廚余垃圾和秸稈設(shè)置為非常規(guī)組分，焦油設(shè)為虛擬組分；③原料的干燥和揮發(fā)都是瞬發(fā)的；④原料中灰分不會(huì)參加任何反應(yīng)；⑤焚燒過(guò)程中垃圾和空氣充分混合且分布均勻；⑥不考慮壓力和氣體的損失和泄漏；⑦所有的 N 只生成 N2、NO、NO2， 其它氣體產(chǎn)物僅考慮 H2、O2、CO2、CO、H2O 和 CH4。

1.3 模擬流程

根據(jù)圖1，建立Aspen Plus模擬流程如圖2所示。該流程中熱解過(guò)程分干燥（DRIER）、熱解（DECOMP）、氣化（GASIF）、燃燒（COMBUST）、分離（ASH-SEP）等五個(gè)過(guò)程。含水的物流先進(jìn)入RStoic反應(yīng)器 （DRIER模塊）將原料干燥，通過(guò)閃蒸Flash2（GAS-SEP模塊）實(shí)現(xiàn)氣體分離。之后進(jìn)入RYield反應(yīng)器 （DECOMP模塊），將干燥后的原料分解成單元素分子（C、H2、N2、O2等）和其他化合物組成的常規(guī)物流。通過(guò)RGibbs反應(yīng)器（GASIF模塊）模擬熱解產(chǎn)物的氣化反應(yīng)，氣化產(chǎn)物通過(guò)閃蒸Flash2（GAS-SEP2模塊）分離。其中，分離出的氣化氣體作為干燥氣通入干燥模塊，剩下的固體物質(zhì)在RYield反應(yīng)器（COMBUST模塊）中模擬燃燒反應(yīng)，并為氣化反應(yīng)提供能量。最后在Sep反應(yīng)器（ASH-SEP模塊）中分離出灰渣，同時(shí)燃燒煙氣為氣化模塊提供原料。

模擬基于吉布斯自由能最小化原理，物性方法選擇用于合成氣模擬的PR-BM方法。表1為Aspen Plus模擬過(guò)程中各模塊的作用描述。

表1 Aspen Plus模擬模塊

1.4 模擬參數(shù)

模擬參數(shù)條件設(shè)定：給料量為12.5 t/h，環(huán)境溫度為25℃，系統(tǒng)壓力設(shè)為大氣壓。系統(tǒng)中干燥溫度設(shè)定為200℃，熱解溫度為600℃，而燃燒溫度保持為850℃；燃燒風(fēng)量設(shè)定為33.974 Nm3/h；熱損失為零且熱交換為理想狀態(tài)；熱解產(chǎn)物包括熱解氣和殘?jiān)渲袩峤鈿堅(jiān)商己突医M成。垃圾爐中的主要反應(yīng)如表2所示。

表2 氣化反應(yīng)方程

本模擬中，入口給料設(shè)定為生活垃圾分別與廚余垃圾、秸稈以一定比例混合而成的混合物，物料的理化特性及模擬工況分別見表3及表4。

2 模擬結(jié)果

本文采用Aspen Plus軟件對(duì)不同配比的入口物料進(jìn)行模擬，獲得的熱解產(chǎn)物分布如圖3所示。由圖3可知，生活垃圾混合廚余垃圾熱解后，產(chǎn)物主要以半焦為主，隨著廚余垃圾配比的增加，固體產(chǎn)物逐漸減少，熱解氣和焦油的產(chǎn)率逐漸增加；在廚余垃圾配比為50%時(shí)，焦油的產(chǎn)率最高，相比生活垃圾單獨(dú)熱解提高了約30%，熱解氣產(chǎn)率提高了20%。結(jié)合表3生活垃圾和秸稈的元素分析數(shù)據(jù)可知，秸稈的含碳量高于生活垃圾，所以隨著秸稈配比的增加，半焦的產(chǎn)率逐漸下降，可能是因?yàn)榻斩捲跓峤膺^(guò)程中產(chǎn)生的富氫自由基，與生活垃圾組分互相反應(yīng)，促進(jìn)了共熱解反應(yīng)的進(jìn)行，降低了半焦生成率［21-22］；而液相產(chǎn)物的產(chǎn)率的提高，可能是因?yàn)榻斩捴泻休^高的揮發(fā)分，混合熱解后促進(jìn)了焦油的生成［23］，也有可能是與垃圾互相反應(yīng)，破壞了秸稈的細(xì)胞結(jié)構(gòu)使產(chǎn)油率提高［24］。由以上分析和熱解產(chǎn)物產(chǎn)率可知，在生活垃圾與廚余垃圾、秸稈的共熱解過(guò)程中，廚余垃圾和秸稈的添加有利于提高焦油的產(chǎn)率，但配比過(guò)高時(shí)反而會(huì)阻礙生活垃圾熱解，降低焦油的產(chǎn)率，這說(shuō)明各組分之間存在著相互作用。

表3 物料理化特性分析

表4 模擬工況表 （%）

出口煙氣中熱解氣主要產(chǎn)物為 CO、CO2、H2、CH4， 其體積分布如圖4所示。結(jié)果表明，當(dāng)生活垃圾與廚余垃圾共熱解時(shí)，隨著廚余垃圾摻燒比例的增加，CO的體積分?jǐn)?shù)逐漸上升，CO2的體積分?jǐn)?shù)呈下降趨勢(shì)，H2的體積分?jǐn)?shù)則略有上升，而CH4的體積分?jǐn)?shù)變化不大；當(dāng)生活垃圾與秸稈共熱解時(shí)，隨著摻燒比例的增加，入口物料的熱值和C元素含量明顯增加，水分含量較低，燃燒所需的空氣量變大，在燃燒風(fēng)量一定的情況下，過(guò)量空氣系數(shù)降低，不利于C的燃燒產(chǎn)生CO2，而利于CO的產(chǎn)生，因此CO體積分?jǐn)?shù)上升，且大于生活垃圾與廚余垃圾共熱解的CO體積分?jǐn)?shù)，H2和CH4體積分?jǐn)?shù)變化不大。

出口煙氣中的NOx由NO和NO2組成，不同摻燒比例下的NOx排放濃度如圖5所示。結(jié)果表明，生活垃圾混合廚余垃圾熱解時(shí)，隨著摻燒比例的增加，NOx排放濃度升高。垃圾熱解氣化過(guò)程的NOx生成方式主要包括燃料型和熱力型。本模型中的模塊溫度是固定值，因而熱力型NOx的產(chǎn)量不變。同時(shí)，根據(jù)元素分析結(jié)果，廚余垃圾和秸稈中的含氮量均大于生活垃圾的含氮量，使得摻燒后物料的含氮量增加，燃料型NOx的生成量增加，從而NOx總排放量增加。

3 總結(jié)

本文使用Aspen Plus軟件模擬生活垃圾分別與廚余垃圾和秸稈共熱解氣化工藝過(guò)程，探索垃圾與秸稈共熱解的熱解氣產(chǎn)物及氮氧化物排放，結(jié)論如下：

（1）生活垃圾與廚余垃圾、秸稈共熱解過(guò)程中，廚余垃圾和秸稈的添加有利于提高焦油的產(chǎn)率，但配比過(guò)高時(shí)反而會(huì)阻礙生活垃圾熱解，降低焦油的產(chǎn)率，這說(shuō)明各組分之間存在著相互作用。

（2）生活垃圾與廚余垃圾、秸稈共熱解的熱解氣主要產(chǎn)物為 CO、CO2、H2、CH4，隨著廚余垃圾和秸稈摻燒比例的增加，CO的體積分?jǐn)?shù)逐漸上升，CO2的體積分?jǐn)?shù)呈下降趨勢(shì)，H2和CH4的體積分?jǐn)?shù)變化不大。廚余垃圾和秸稈共熱解后，產(chǎn)生了大量富氫自由基，使生活垃圾中輕質(zhì)組分裂解出來(lái)，從而提高了熱解氣的產(chǎn)率。

（3）生活垃圾與廚余垃圾、秸稈共熱解出口煙氣中的NOx由NO和NO2組成，隨著摻燒比例的增加，燃料型NOx的生成量增加，NOX排放濃度升高。