城市可燃固體廢棄物氣化特性的模擬研究*

蔡東方，陸俞辰，盧東亮，張蕾蕾

(廣東環(huán)境保護(hù)工程職業(yè)學(xué)院循環(huán)經(jīng)濟(jì)與低碳經(jīng)濟(jì)系，廣東佛山 528216)

近年來，以氣化反應(yīng)為核心的垃圾氣化技術(shù)越來越受到關(guān)注，該技術(shù)具有降低二噁英污染物的生成[1-3]，重金屬不隨煙氣及飛灰遷移[4]，氣化產(chǎn)物可以作為工業(yè)生產(chǎn)原料利用，能源利用效率比垃圾焚燒技術(shù)高等優(yōu)點[5]。垃圾氣化技術(shù)的氣化爐爐型主要有固定床、氣流床、流化床、回轉(zhuǎn)窯等。固定床氣化爐具有結(jié)構(gòu)簡單、操作簡單方便、對進(jìn)料要求不高、處理量適中等優(yōu)點，被廣泛采用[6-7]。

目前，城市可燃固體廢棄物固定床氣化試驗研究中存在的問題主要是試驗裝置投資及運行成本高、試驗耗費周期長。針對上述問題，筆者利用Aspen Plus軟件建立仿真模型，研究氣化溫度、過量空氣系數(shù)、氧體積分?jǐn)?shù)、蒸汽與空氣質(zhì)量比等對氣化特性的影響。結(jié)合氣化過程中抑制二噁英產(chǎn)生機(jī)理，綜合考慮氣化冷效率、有效氣產(chǎn)量、CO與H2體積比、產(chǎn)氣熱值等因素，確定最佳工藝條件，為進(jìn)一步試驗設(shè)計、工程化應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 模型建立及驗證

模型建立及計算時假設(shè)以下條件：①氣化爐內(nèi)化學(xué)反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)，整個過程處于穩(wěn)定狀態(tài)。②氣化爐熱量損失為城市可燃固廢熱量的2%。③溫度、體積分?jǐn)?shù)在反應(yīng)器內(nèi)徑向上均勻分布，無梯度，且壓力無損失。④城市可燃固廢中的灰分不參與化學(xué)反應(yīng)，升溫后全部從氣化爐底部排出，碳轉(zhuǎn)化率98%，不考慮過程中焦油的產(chǎn)生。

1.1 模型物性參數(shù)的選取

物性參數(shù)選擇總物流類型MCINCPSD，包含了不參與化學(xué)平衡和相平衡的灰分、固體廢棄物等非常規(guī)組分，在模擬計算過程中只用到其焓值和密度，焓值計算采用HCOALGEN，密度模型采用DCOALIGT。還包含 N2、H2、CO2、O2、H2O、CO、CH4等常規(guī)組分，常規(guī)組分呈現(xiàn)出非極性或弱極性，并且為高溫氛圍，因此采用PR-BM方程計算物質(zhì)的相關(guān)物性。

1.2 模型建立

根據(jù)固定床氣化技術(shù)的工藝原理，建立了Aspen Plus模擬流程圖，見圖1所示。

圖1中Dryer模塊用于模擬干燥過程， RYield模塊用于模擬裂解過程，所需熱量由燃燒氣化產(chǎn)生的高溫合成氣提供。RGibbs模塊用于模擬燃燒氣化過程，該反應(yīng)器是基于吉布斯自由能最小化的多相化學(xué)平衡反應(yīng)器。換熱器Heater1模塊用于模擬入爐氧氣的加熱，換熱器Heater2模塊用于模擬高溫合成氣和熱解過程的熱量傳遞。分離Sep模塊用于模擬高溫合成氣與灰分的分離。氣化過程中主要的化學(xué)方程式見表1。

圖1 Aspen Plus模擬流程

表1 氣化反應(yīng)過程主要化學(xué)反應(yīng)方程式

1.3 模型驗證

利用潘春鵬[12]的試驗結(jié)果對建立的模型進(jìn)行了驗證，基于相同的試驗條件，對比試驗結(jié)果和模擬結(jié)果。試驗使用的可燃物材料為竹子，具體的工業(yè)分析和元素分析見表2。試驗結(jié)果與模擬結(jié)果對比如圖2所示。

圖2 試驗結(jié)果與模擬結(jié)果對比

表2 竹子的元素分析和工業(yè)分析 w:%

由圖2可見：試驗結(jié)果與模擬結(jié)果產(chǎn)物各組分的變化趨勢一致，其中CO，CH4的體積分?jǐn)?shù)非常接近。由于試驗過程中使用的試樣量較少，氣化過程的散熱損失占物料總熱量的比例較大，而模擬計算過程中假定氣化過程的散熱損失占入爐原料總熱量的2%，因此與模擬計算相比，試驗研究中氣化爐內(nèi)放熱反應(yīng)進(jìn)行地較多，導(dǎo)致產(chǎn)生的合成氣中CO2體積分?jǐn)?shù)偏大、H2體積分?jǐn)?shù)偏小。因此，建立的模型具有一定的有效性，能夠為試驗及工業(yè)化生產(chǎn)提供參考。

2 模擬結(jié)果與分析

2.1 模型輸入?yún)?shù)

2.1.1 城市可燃固廢物性

花樣跳繩的形式較為多樣，教師可以根據(jù)小學(xué)生的運動能力為其開展合適的跳繩活動。單人跳的形式主要包括將跳繩進(jìn)行左右甩、開合跳、交叉跳以及雙腳交替等。不同的跳法在難度以及運動量方面也存在一定的差異，教師可以帶領(lǐng)學(xué)生從簡單的動作開始練習(xí)，逐漸融入難度較大的動作，從而使學(xué)生接受到循序漸進(jìn)的過程。

城市可燃固廢物的元素及工業(yè)分析見表3[13]。

表3 城市可燃固廢的工業(yè)分析和元素分析 w:%

2.1.2 模型中輸入工藝參數(shù)

設(shè)定氣化爐內(nèi)反應(yīng)壓力為常壓，城市可燃固廢的入爐量為3 654 kg/h，入爐壓力0.1 MPa；空氣入爐溫度25 ℃，氧氣體積分?jǐn)?shù)21%，入爐壓力0.1 MPa；水蒸氣入爐溫度250 ℃，入爐壓力0.3 MPa。氣化劑為空氣或者空氣與水蒸氣的混合物。

2.1.3 氣化特性參數(shù)

城市可燃固廢氣化過程的運行特性參數(shù)及評價指標(biāo)特性參數(shù)如下：①過量空氣系數(shù)。過量空氣系數(shù)表示在氣化過程中實際的單位時間內(nèi)空氣進(jìn)氣量與燃料完全燃燒時所需要的空氣量的比值[14]。②產(chǎn)氣熱值。產(chǎn)氣熱值表示在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，每立方米產(chǎn)氣所具有的化學(xué)能，選用產(chǎn)氣的低位熱值作為評價指標(biāo)。③氣化冷效率。氣化冷效率表示氣化產(chǎn)生的氣體所具有的化學(xué)能與城市可燃固廢所含化學(xué)能的比值。

2.2 過量空氣系數(shù)對氣化特性的影響分析

保持其他工藝操作條件不變，研究過量空氣系數(shù)為0.2~0.7時對氣化特性的影響，模擬結(jié)果分別見圖3、圖4所示。

圖3 過量空氣系數(shù)對氣化氣組成和氣化溫度的影響

圖4 過量空氣系數(shù)對氣化冷效率、產(chǎn)氣熱值的影響

由圖3可見：隨著過量空氣系數(shù)的增加，氣化溫度逐漸升高，反應(yīng)產(chǎn)物中CO，H2的體積先升高后降低，CO2的體積先降低后升高，這是由于隨著氣化溫度的升高，Boudouard反應(yīng)、水蒸氣轉(zhuǎn)化反應(yīng)增強(qiáng)，反應(yīng)產(chǎn)物中CO，H2的體積增加，CO2的體積降低。當(dāng)過量空氣系數(shù)增大至0.4時，為保持較高的反應(yīng)溫度，碳燃燒放熱反應(yīng)開始增強(qiáng)，CO2的體積逐漸增加；H2，CO的體積開始逐漸降低。甲烷化反應(yīng)為放熱反應(yīng)，溫度的升高不利于該反應(yīng)的進(jìn)行，因此，CH4的體積逐漸降低，考慮有效氣的總量因素，過量空氣系數(shù)的優(yōu)選為0.35~0.45，此時氣化溫度為750~1 050 ℃。

由圖4可見：隨著過量空氣系數(shù)的增大，氣化氣的單位熱值逐漸降低，氣化過程的冷效率逐漸降低，主要是由于隨著過量空氣系數(shù)的增大，氣化反應(yīng)的氣化溫度逐漸升高，氣化溫度的升高需要更多的空氣助燃，同時為保持較高溫度需要消耗更多的熱量，因此氣化產(chǎn)氣的單位熱值逐漸降低，氣化過程的冷效率逐漸降低。

由上述模擬結(jié)果得知：氣化反應(yīng)溫度對氣化爐內(nèi)的化學(xué)平衡影響較大，氣化溫度低時氣體熱值較高，但并不表示氣化的綜合效果就越好，相反，由于氣化溫度較低，氣化過程主要是熱解過程，氣體產(chǎn)量較少。據(jù)研究表明[15-16]，當(dāng)氣化溫度高于850℃時，氣化過程中產(chǎn)生的二噁英能夠被高溫分解；同時，產(chǎn)氣中H2組分的存在能夠抑制二噁英的產(chǎn)生，因此產(chǎn)氣中CO與H2的體積比越低對反應(yīng)越有利。

綜合考慮有效氣總量、氣化冷效率、產(chǎn)氣熱值以及降低二噁英生成的因素，城市可燃固廢的氣化溫度為850~950 ℃時較適宜。

2.3 氧氣體積分?jǐn)?shù)對氣化特性的影響分析

保持其他工藝操作條件不變，通過調(diào)整空氣流量，控制氣化溫度900 ℃，考察空氣中氧氣體積分?jǐn)?shù)為21%~100%時對氣化特性的影響，模擬結(jié)果分別見圖5、圖6所示。

圖5 氧氣體積分?jǐn)?shù)對氣化氣組成的影響

圖6 氧氣體積分?jǐn)?shù)對氣化冷效率、產(chǎn)氣熱值的影響

由圖5可見：隨著氧氣體積分?jǐn)?shù)的逐漸增大，產(chǎn)物中CO2的體積逐漸減少，H2的體積逐漸減少，CO的量逐漸增加，這主要的由于氧氣體積分?jǐn)?shù)增大，引起入爐空氣量減少，空氣帶入的N2減少，在保持900 ℃的氣化溫度下，氣體升溫消耗熱量減少，碳燃燒放熱反應(yīng)減弱，產(chǎn)物組分中CO2的體積減少。氧氣體積分?jǐn)?shù)的增大不利于水蒸氣轉(zhuǎn)化反應(yīng)和水煤氣變換反應(yīng)的發(fā)生，故產(chǎn)物中H2的體積減少。

由圖6可見：隨著氧氣體積分?jǐn)?shù)的增大，產(chǎn)氣的熱值和氣化冷效率均提高，這是由于氧氣體積分?jǐn)?shù)增大，引起入爐空氣量減少，空氣帶入的N2減少，產(chǎn)氣的熱值也相應(yīng)增加。當(dāng)氧氣體積分?jǐn)?shù)增大到一定值時，由于空氣中帶入的N2只占產(chǎn)氣中較少的比例，因此產(chǎn)氣各組分的量基本保持不變；同時，氣化過程的冷效率也先升高后趨于穩(wěn)定。

由模擬結(jié)果可知：提高空氣中的氧氣體積分?jǐn)?shù)可以提高單位產(chǎn)氣熱值，減少產(chǎn)氣體積，便于后續(xù)燃?xì)馓峒儭．?dāng)氧氣體積分?jǐn)?shù)大于50%時，產(chǎn)氣的組分量基本保持不變，產(chǎn)氣過程的冷效率也基本保持不變。因此，氧氣體積分?jǐn)?shù)的優(yōu)選40%~50%，但應(yīng)綜合考慮氣化過程的冷效率和氧氣體積分?jǐn)?shù)升高所需的經(jīng)濟(jì)成本。

2.4 水蒸氣與空氣質(zhì)量比對氣化特性的影響分析

保持其他工藝操作條件不變，通過調(diào)整空氣量和水蒸氣量，控制氣化溫度900 ℃，考察水蒸氣與空氣質(zhì)量比為0.05~0.3時對氣化特性的影響，模擬結(jié)果分別見圖7、圖8所示。

圖7 水蒸氣與空氣質(zhì)量比對氣化氣組成的影響

圖8 水蒸氣與空氣質(zhì)量比對氣化冷效率、產(chǎn)氣熱值的影響

由圖7可見：隨著水蒸氣與空氣質(zhì)量比的增大，產(chǎn)物組分中CO2的體積增大，CO的體積減少，H2的體積增大，這是由于水蒸氣與空氣質(zhì)量比的增大，導(dǎo)致入爐水蒸氣量增大，為保持900 ℃的氣化溫度，碳燃燒放熱反應(yīng)加強(qiáng)，同時水蒸氣量的增大會促進(jìn)水蒸氣轉(zhuǎn)化反應(yīng)的進(jìn)行，該反應(yīng)的進(jìn)行需要碳燃燒放熱反應(yīng)提供能量，故產(chǎn)物組分CO2的體積增加。水蒸氣質(zhì)量的增加會促進(jìn)水煤氣變換反應(yīng)的進(jìn)行，產(chǎn)物組分CO的體積減少，H2的體積增加。從元素平衡分析，CO2的體積增加時，CO的體積必然減少；CO的體積減少時，H2的體積增加，故組分CO與H2體積比降低。

由圖8可見：入爐水蒸氣量逐漸增加，為保持氣化溫度及為吸熱反應(yīng)提供熱量，氣化過程冷效率逐漸降低，產(chǎn)氣的單位熱值逐漸降低。隨著水蒸氣與空氣質(zhì)量比的增加，對氣化過程的有效氣產(chǎn)量、氣化冷效率、產(chǎn)氣熱值并沒有較好的改善效果，反而降低了有效氣產(chǎn)量及冷效率，但水蒸氣的加入可以提高清潔氣體H2的體積，H2是化工生產(chǎn)中重要的物質(zhì)，增大產(chǎn)氣的應(yīng)用范圍。同時，產(chǎn)氣中H2的體積的增加，不利于二噁英反應(yīng)的生成，對降低產(chǎn)氣的二次污染較有利。

3 結(jié)論

1)對影響氣化冷效率、CO與H2體積比、有效氣體積(CO+H2+CH4)、產(chǎn)氣熱值及降低二噁英生成量等的因素進(jìn)行了考察，氣化溫度優(yōu)選850~950℃，對應(yīng)過量空氣系數(shù)優(yōu)選0.35~0.45。

2)隨著氧氣體積分?jǐn)?shù)由21%升高至100%，氣化產(chǎn)物 CO2的體積降低，CO、H2的體積增加，氣化冷效率升高。氧氣體積分?jǐn)?shù)增加至50%后，氣化產(chǎn)物基本保持不變，氣化冷效率基本保持不變。入爐空氣中氧氣體積分?jǐn)?shù)的提高，有利于產(chǎn)生高熱值的氣體。入爐空氣中氧氣體積分?jǐn)?shù)優(yōu)選40%~50%，但需考慮氧氣體積分?jǐn)?shù)提高的成本。

3)隨著水蒸氣與空氣質(zhì)量比從0.05升高至0.3，氣化產(chǎn)物H2、CO2的體積增加，產(chǎn)物CO的體積減少，氣化冷效率和產(chǎn)氣熱值均下降。但產(chǎn)氣中的H2體積對抑制二噁英生成比較有利，并且水蒸氣的添加非常適用于以H2為原料的工業(yè)生產(chǎn)，增大了產(chǎn)氣的應(yīng)用范圍。