城市垃圾等離子氣化技術模擬研究

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）

城市垃圾等離子氣化技術模擬研究

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及其特點，以及國內(nèi)外等離子氣化技術的發(fā)展和應用情況。在分析探討了等離子氣化原理的基礎上，借助Aspen Plus系統(tǒng)流程模擬軟件，對我國城市垃圾進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)十分嚴峻。垃圾焚燒可實現(xiàn)垃圾減量化，在減少占地的同時，可進行發(fā)電，創(chuàng)造一定經(jīng)濟效益，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，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，已成為我國當前城市垃圾處理領域的一個新課題[5]。

等離子氣化技術是近幾年發(fā)展起來的一種全新技術[6，7]。和一般垃圾焚燒技術不同，采用等離子氣化技術處理城市垃圾，是利用等離子炬產(chǎn)生的高強度熱源（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物完全氣化并轉(zhuǎn)化成合成氣（主要為CO和H2），而無機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”。等離子氣化技術應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，對我國城市垃圾進行等離子氣化建模和模擬計算，并對模擬結(jié)果進行分析討論，以期對我國城市垃圾等離子氣化的產(chǎn)業(yè)化工作提供基礎性參考。

1 等離子氣化技術及其應用簡介

1.1 等離子氣化技術及其特點

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，氣體將電離導電，但在一定的體積內(nèi)（德拜半徑之內(nèi)），由于正負離子數(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，后者則是將等離子體作為引發(fā)劑促使氣化反應進行。等離子體是極活潑的反應性物種，使通常條件下難以進行或速度很慢的反應變得快速，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，包括有機的、無機的、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）符合最嚴格的排放標準，綠色達標排放（二英、重金屬含量遠低于歐盟標準）；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 等離子氣化技術應用簡介

鑒于等離子氣化技術的特點，早在20世紀60年代該技術就已經(jīng)開始被應用于工業(yè)生產(chǎn)中，其主要應用領域有[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多年的應用經(jīng)驗，該公司于20世紀60年代開始為航天用途建造等離子炬，后續(xù)研究用于銷毀化學武器、印刷電路板和石棉等有毒廢物[2，4]。20世紀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向加拿大和歐洲進行應用推廣。除西屋公司外，加拿大的普拉斯科（Plasco）能源公司是當今世界范圍內(nèi)另一家擁有商業(yè)化等離子氣化技術的公司[4]。Plasco公司主要針對北美生活垃圾，開發(fā)出基于燃氣輪機發(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21MW，可滿足19,000戶當?shù)鼐用袢沼秒娏啃枨?。此外，Plasco公司與中國節(jié)能集團合資，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研究起步較早，主要側(cè)重于材料加工工藝技術，在處理固體廢棄物方面，中科院力學所進行了應用性的基礎研究，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、清華大學、大連理工大學等主要側(cè)重于煤的等離子氣化技術研究[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處理垃圾廢物（含城市垃圾）開展了相應的研究，獲得了相應的研究成果。

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)合等離子氣化技術特點，對城市垃圾的等離子氣化進行相應建模和分析討論。

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反應器的反應平衡模型[19，20]。該模型主要通過一系列假設條件，將氣化過程設定為平衡反應模型，認為其一直處于穩(wěn)定狀態(tài)，所有化學反應均達到平衡，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)率及平衡溫度進行預測計算。該反應平衡模型以反應熱力學為基礎，不考慮氣化爐的流動傳熱傳質(zhì)特性以及氣化反應的過程，對碳轉(zhuǎn)化率高、反應接近平衡的工況預測得比較好，而對沒有達到化學平衡的工況則預測得比較差。由于平衡模型假設條件較理想，在實際應用中受各種條件限制，模型計算結(jié)果準確性與氣化爐型關聯(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，而固定床由于反應溫度低，反應產(chǎn)物復雜，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20,000℃～30,000℃，火炬邊緣溫度也可達到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體系內(nèi)，垃圾的化學反應理論上可以達到反應平衡，故本文研究采用Gibbs反應器模擬等離子氣化垃圾反應。

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1600℃以上。

（2）燃燒氧化區(qū)：氣化劑（空氣/氧氣和蒸氣）進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，生成一氧化碳和二氧化碳，同時放出大量的熱，反應溫度在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，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物將被迅速有效分解，合成氣中幾乎不含焦油等有機物，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）導入Gasify模塊。Gasify模塊采用Gibbs反應器單元進行模擬，它是一個基于Gibbs自由能最小化原理的反應器，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)的相關熱力學性質(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行相應的模擬分析，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 模擬條件設定

根據(jù)國內(nèi)外等離子氣化垃圾實驗研究及相關文獻報道，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的垃圾進行進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，一般選用煤炭進行摻燒。根據(jù)國家環(huán)保部﹝2008﹞82號文件《關于進一步加強生物質(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，但要滿足燃氣鍋爐或燃氣輪機的穩(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，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，且等離子氣化技術也在不斷發(fā)展完善。綜合分析，等離子氣化技術應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