＊王騰起 顧一帆 潘德安 李瀟

（北京工業(yè)大學(xué)循環(huán)經(jīng)濟(jì)研究院 北京 100124）

隨著我國再生資源產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展，近年來涌現(xiàn)了眾多新興固廢循環(huán)利用技術(shù)。其中，熱解技術(shù)因既能保證無機(jī)有價資源的高回收率，亦能充分利用固廢中的有機(jī)組分，已被應(yīng)用于有機(jī)固廢以及有機(jī)-無機(jī)復(fù)合固廢的循環(huán)利用之中。然而，受制于熱解爐的爐體大小等因素的影響，使得該類技術(shù)應(yīng)用規(guī)模相對較小，如線路板、漆包線等典型復(fù)合固廢的熱解技術(shù)仍處于中試階段，距離工業(yè)化階段具有一定差距，嚴(yán)重制約了該類技術(shù)的推廣應(yīng)用[1]。

工業(yè)過程放大是指將技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室規(guī)模或中試規(guī)模放大到工業(yè)化尺度，并且保證其良好性能[2]。工業(yè)過程放大也被稱為反應(yīng)器的放大，幾乎存在于各種技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域[3]。但是技術(shù)從中試至工業(yè)化應(yīng)用階段存在轉(zhuǎn)化周期長、廠房及用地限制等制約因素，部分先進(jìn)技術(shù)難以滿足上述要求，而使得其工業(yè)化應(yīng)用速度放緩[4-5]。此外，工業(yè)過程的放大常常面對各種各樣的失敗，關(guān)鍵技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)下降等現(xiàn)象。當(dāng)反應(yīng)器放大中內(nèi)部出現(xiàn)嚴(yán)重的溫度、濃度等變化，反應(yīng)器的處理量與性能將受到嚴(yán)重影響[6-7]。為此亟需系統(tǒng)構(gòu)建熱解技術(shù)工業(yè)化放大方法，提前預(yù)測該類技術(shù)工業(yè)化應(yīng)用階段的技術(shù)績效，并與傳統(tǒng)技術(shù)進(jìn)行比較，以確定熱解技術(shù)的應(yīng)用空間。

1.工業(yè)放大理論基礎(chǔ)

工業(yè)化放大是一個復(fù)雜過程，需要綜合考量多因素的化學(xué)反應(yīng)機(jī)理、反應(yīng)器中的傳熱傳質(zhì)過程及其耦合機(jī)制。任何一種新技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室內(nèi)研究成功到實(shí)際工業(yè)規(guī)模的應(yīng)用，至少需要經(jīng)過如圖1所示四個階段。

圖1 實(shí)驗(yàn)室研究到工業(yè)化應(yīng)用的過程放大

為此需要正確的方法論提供支撐，傳統(tǒng)的工業(yè)化放大理論以逐級經(jīng)驗(yàn)放大法為主，但是隨著近年來計(jì)算機(jī)科學(xué)的飛速發(fā)展，數(shù)值模擬法被越來越多的應(yīng)用于技術(shù)的工業(yè)放大領(lǐng)域[8-9]。

(1)逐級經(jīng)驗(yàn)放大

逐級經(jīng)驗(yàn)放大是指將小規(guī)模試驗(yàn)通過多級的放大逐步地?cái)U(kuò)大至工業(yè)規(guī)模，是最為傳統(tǒng)的方法[10]。該方法是根據(jù)上一級的試驗(yàn)結(jié)果和技術(shù)參數(shù)為基礎(chǔ)，建立稍大規(guī)模的試驗(yàn)線，通過不斷的試錯獲得最優(yōu)結(jié)果。然而，逐級經(jīng)驗(yàn)放大不關(guān)注化學(xué)反應(yīng)機(jī)理與物理傳遞規(guī)律，忽略操作系數(shù)與反應(yīng)器幾何參數(shù)之間的關(guān)系，且多采用線性外推進(jìn)行預(yù)測計(jì)算，不但與實(shí)際工業(yè)數(shù)值偏差較大，而且開發(fā)周期漫長，需要消耗大量的人力和物力等。

(2)數(shù)值模擬放大

隨著計(jì)算流體力學(xué)（Computational Fluid Dynamics，CFD）和流程模擬的發(fā)展，數(shù)值模擬的理論體系逐步完善，被愈來愈多的應(yīng)用于工業(yè)過程的仿真與放大[10]。CFD可以對流體流場進(jìn)行系統(tǒng)的分析和優(yōu)化，而不需要干擾流動本身，還能在測量儀器無法監(jiān)測的位置模擬計(jì)算變量，這些在傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)技術(shù)中很難實(shí)現(xiàn)[11]。流程模擬本質(zhì)是根據(jù)工業(yè)化生產(chǎn)過程，以數(shù)學(xué)模型描繪多個單元操作組成的產(chǎn)品過程，仿真具體的制造流程，并在軟件中利用改變技術(shù)的結(jié)果因子來獲取所要求的成果，不但能夠節(jié)省時間，還能夠節(jié)約大量的投資。目前的數(shù)值模擬方法大多依托計(jì)算機(jī)仿真模擬軟件完成，其中以Fluent求解CFD問題的流體模擬以及基于Aspen Plus進(jìn)行的化工流程模擬較為常見。

①Fluent流體模擬

使用Fluent求解CFD問題的流程順序?yàn)轭A(yù)處理，求解和后處理[12]。在預(yù)處理階段，構(gòu)建計(jì)算域的幾何模型，然后劃分網(wǎng)格，將相應(yīng)的流體體積劃分為離散的單元，定義流體屬性、物理模型和邊界條件來建立數(shù)學(xué)求解模型。求解階段，需要定義仿真的邊界條件，并將時間離散為時間步長。使用適當(dāng)?shù)碾x散化和數(shù)值算法迭代求解方程，最后在后處理階段進(jìn)行結(jié)果分析和結(jié)果的可視化[13]。

②Aspen Plus流程模擬

使用Aspen Plus進(jìn)行模擬從建模以及組分設(shè)定開始，之后需要選擇合適的物性方法。RK-Soave立方狀態(tài)方程特別適用于煙氣處置、煉油和石油化工領(lǐng)域，使用該模型模擬熱解技術(shù)需要對原材料進(jìn)行元素分析和工業(yè)分析，因?yàn)樵牧鲜欠浅Ｒ?guī)組分，所使用的數(shù)據(jù)通常需要使用中試平臺實(shí)際檢測數(shù)據(jù)。

2.技術(shù)工業(yè)過程放大方法研究進(jìn)展

近年來，已有國內(nèi)外學(xué)者在多領(lǐng)域圍繞如何將實(shí)驗(yàn)室規(guī)模、中試規(guī)模的技術(shù)放大到工業(yè)化階段開展了大量研究。首先需要對技術(shù)放大過程的資源、環(huán)境、經(jīng)濟(jì)或安全等屬性進(jìn)行預(yù)評估，但是在圍繞熱解領(lǐng)域的相關(guān)研究目前在業(yè)內(nèi)仍相對較少，因此選取部分其它領(lǐng)域的典型案例作為參考。

Thonemann等將前瞻性的生命周期評價法應(yīng)用于新興的生產(chǎn)技術(shù)，輔助其從實(shí)驗(yàn)室規(guī)模放大到工業(yè)規(guī)模。在考慮了不同反應(yīng)器設(shè)計(jì)的情況下，將所開發(fā)的實(shí)現(xiàn)預(yù)期生命周期評價法的四步方法應(yīng)用于超臨界CO2生產(chǎn)電化學(xué)甲酸技術(shù)。結(jié)果顯示，在15個指標(biāo)中有14個指標(biāo)表明擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模對環(huán)境的影響較低，間歇反應(yīng)器的放大比連續(xù)反應(yīng)器的放大影響更大[14]。La等評估了用一種新型聚合物作為水泥的替代品，從實(shí)驗(yàn)室階段放大到工業(yè)化階段后對建筑業(yè)的環(huán)境影響、能源消耗、以及經(jīng)濟(jì)效益的變化。結(jié)果發(fā)現(xiàn)該技術(shù)在放大后更加環(huán)保、能源消耗更低、并能節(jié)省更多的資金[15]。Favi等以洗衣機(jī)工廠為案例，提出了一種以用于工業(yè)化階段的生命周期評價方法，以表征不同過程的資源消耗與環(huán)境影響，可以用于比較替代技術(shù)或進(jìn)行環(huán)境的經(jīng)濟(jì)性分析，通過量化指標(biāo)提出有效的改進(jìn)策略，推動制造業(yè)可持續(xù)發(fā)展[16]。Kaniapipian等提出一種新的數(shù)據(jù)驅(qū)動放大模型，用于支撐工業(yè)規(guī)模擴(kuò)大?；贒ES軟件和多目標(biāo)遺傳算法識別潛在的系統(tǒng)配置，提供最佳擴(kuò)大關(guān)鍵績效指標(biāo)。在優(yōu)化研究中，考慮了放大成本和生產(chǎn)量并將該方法用于某電池裝配試驗(yàn)線，結(jié)果表明該方法有助于選擇合適的系統(tǒng)配置和設(shè)計(jì)，節(jié)省了大量的時間、成本和精力[17]。

其次需要對技術(shù)放大過程的工藝變化條件進(jìn)行模擬研究。Proch等按比例放大構(gòu)建了用于廢輪胎熱解的回轉(zhuǎn)窯二維流體仿真模型，研究工業(yè)化放大過程中的溫度與質(zhì)量變化，結(jié)果表明隨著床面顆粒質(zhì)量的增加，回轉(zhuǎn)窯的設(shè)計(jì)需要增大傾斜度，但旋轉(zhuǎn)速度可以保持不變。仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果進(jìn)行了成功的驗(yàn)證[18]。Lan等基于CFD-DEM仿真模型，研究連續(xù)運(yùn)行的多室流化床的放大效應(yīng)，研究表明增加流化床的尺寸長度時，物料在爐體內(nèi)的停留時間隨之增長，而當(dāng)進(jìn)料率隨著設(shè)備長度的增加而線性增加時，物料的平均停留時間呈下降趨勢[19]。Cui等基于Eulerian-Lagrangian方法，對實(shí)驗(yàn)室規(guī)模、中試規(guī)模和工業(yè)規(guī)模的S-CO2CFB鍋爐（0.1MW至600MW）進(jìn)行了3D CFD模擬。從爐體結(jié)構(gòu)、氣固流動力學(xué)、燃燒特性、傳熱特性、氣體排放特性和鍋爐效率等角度全面討論了放大規(guī)律的擬合公式。

范宏剛等指出基于Aspen Plus軟件搭建的熱解氣化流程仿真模型能夠較為貼合實(shí)際地還原實(shí)際的熱解氣化過程，對熱解技術(shù)的放大過程具有較高的參考價值。但還需加強(qiáng)機(jī)理研究，進(jìn)一步優(yōu)化流程仿真模型，獲得更接近實(shí)際值的模擬案例[20]。Ismail等人建立了廢輪胎熱解流程動力學(xué)模型，對各種參與的反應(yīng)的動力學(xué)速率參數(shù)進(jìn)行估計(jì)，實(shí)現(xiàn)了C1-C25的熱解碳?xì)浠衔锂a(chǎn)物，包括芳烴和H2S、CO和CO2等氣體排放，并對全過程的能量平衡進(jìn)行分析，確定了最佳反應(yīng)條件[21]。Puig-Gamero等人建立了基于流化床反應(yīng)器的熱解流程模擬模型，并基于大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行校準(zhǔn)和驗(yàn)證，結(jié)果發(fā)現(xiàn)預(yù)測精度高于95.6%，熱解油的濃度會隨著溫度以及原料顆粒的直徑增加而降低[22]。

總的來說，熱解過程極其復(fù)雜，很難用反應(yīng)方程來描述，用Fluent模擬熱解過程較為困難，因?yàn)閷Σ煌ざ芜M(jìn)行模擬時需要分別建模、劃分網(wǎng)格并進(jìn)行計(jì)算，不但耗費(fèi)大量精力與計(jì)算資源，而且不同工段之間的數(shù)據(jù)進(jìn)行耦合也是需要解決的難題。在利用Aspen Plus對熱解流程進(jìn)行仿真時，通常將整個技術(shù)流程分為干燥、熱解、分離、煙氣處置、物料冷卻等單元，主要考慮的是整個反應(yīng)過程中結(jié)構(gòu)與參數(shù)合理性，相對于Fluent仿真更為簡單有效，但是Aspen Plus流程仿真對關(guān)鍵工藝參數(shù)的獲取需要建立在諸多假設(shè)的基礎(chǔ)上等，用于工業(yè)規(guī)模放大時可能會存在失真的可能，精度難以保證。近年來國內(nèi)外已有學(xué)者嘗試將兩款仿真工具結(jié)合進(jìn)一步挖掘技術(shù)改進(jìn)的潛力，在對某熱工裝備的設(shè)計(jì)優(yōu)化中，驗(yàn)證了基于Aspen與Fluent結(jié)合使用，可以提出更加節(jié)能環(huán)保且經(jīng)濟(jì)性更好的優(yōu)化方案[23]。Aspen Plus和Fluent均可以實(shí)現(xiàn)對熱解過程的模擬，因此本文提出了將Aspen Plus和Fluent兩種仿真模型的耦合機(jī)制，既能提高模擬精度，降低計(jì)算資源消耗，還能減少耗時耗力。

采用Aspen Plus計(jì)算熱解氣的熱物性參數(shù)，作為初始條件輸入Fluent，模擬與工業(yè)條件基本一致的情況下物料以及爐體內(nèi)的溫度與壓力分布情況，使用流體仿真可以精確預(yù)測流程仿真中所需要的溫度、流量等關(guān)鍵工藝參數(shù)。在假定不同規(guī)模的熱解設(shè)備熱解率始終可以保持不變的前提下，使用Aspen Plus模擬熱解技術(shù)全流程中還涉及到的冷卻單元、煙氣處置單元等，以實(shí)現(xiàn)更加精準(zhǔn)，范圍更廣的工業(yè)化放大。

3.結(jié)論

綜上，為緩解工業(yè)放大領(lǐng)域經(jīng)驗(yàn)盛行的現(xiàn)狀，近年來數(shù)值模擬放大法因其省時省力、節(jié)約投資、預(yù)測精度高等優(yōu)勢得到愈發(fā)廣泛的應(yīng)用。因單一模擬仿真工具的應(yīng)用尚存在諸多弊端，所以亟需進(jìn)一步推進(jìn)多種數(shù)值仿真方法的集成應(yīng)用，構(gòu)建更加系統(tǒng)全面適用領(lǐng)域廣的熱解技術(shù)工業(yè)化放大方法，開發(fā)涵蓋資源、環(huán)境、經(jīng)濟(jì)或安全等多維屬性的預(yù)評價模型，引導(dǎo)再生資源循環(huán)利用業(yè)綠色高質(zhì)量發(fā)展。