基于Aspen Plus的非均质垃圾与秸秆的共热解气化模拟

付建英 余权 马瀚程 徐化 詹明秀

（1中国联合工程有限公司 浙江杭州 310052 2中国计量大学计量测试工程学院 浙江杭州 310018 3杭州锅炉集团股份有限公司 浙江杭州 310021）

0 引言

随着人们生活水平的提高，能源消耗也日益加剧，因此加强清洁能源的研究和寻找高效的能源利用方式，对解决能源问题尤其重要［1］。近年来热解气化技术的发展，能够将固废垃圾和生物质能转化为热能、化学品以及燃料等［2］，为处理固废垃圾和利用生物质资源开辟了一条新道路。相比于不可再生的化石燃料，生物质资源作为清洁可再生能源，来源广泛，世界年产量约为2200亿t（干物质），但利用率还不到其总量的1%［3-4］。秸秆作为典型的生物质资源，主要成分是纤维素、半纤维素、木质素等，含有丰富的生物质能，在我国储量丰富，达8.84 亿 t，是一种适合热解气化的生物质［5-7］。

考虑到相关实验的难度，组分、加热速率、物料停留时间、热解温度的不同，热解产物也不尽相同［8］。本文以生活垃圾热解气化炉为原型，以生活垃圾、厨余垃圾和秸秆为原料，使用Aspen Plus软件模拟垃圾和秸秆共热解气化工艺过程，从热化学平衡角度出发，根据吉布斯自由能最小化原理［9］建立工艺模型，开展垃圾和秸秆热解气化研究，对不同的掺烧比例进行模拟分析，探索生活垃圾与秸秆共热解的生成产物及氮氧化物排放，为垃圾和生物质共热解气化技术的发展提供必要的理论参考。

1 实验方法

1.1 软件介绍

Aspen Plus软件拥有强大的物性数据库，包含1 773种有机物、2 450 种无机物、3 314 种固体物质［10］、900 种水溶电解质的基本物性参数［11-12］，在实验参数的基础上，通过物性分析［13］，分析温度、压力、进料流量以及进料成分等各种参数对模拟结果的影响，如果在运行模拟时选择合适的工艺条件和模拟模型，可以得到准确的预测结果，节省时间，降低重复热解气化过程的成本，从而为流化床气化炉提出优化的运行条件［14］。目前已有一些学者将其应用于热解气化过程的研究。

Begum等［15］模拟4种不同的物料的热解气化过程，改变气料比和气化炉温度，得到了这两个因素变化对气化结果的影响；陈翀［16］模拟讨论了温度、空气当量比以及水分等气化产物组成的影响；Doherty等［17］基于吉布斯最小自由能建立了Aspen Plus循环流化床气化模型，研究了影响空气－水蒸气气化的因素；Nikoo等［18］建立了生物质热解气化动力学模型，并分析了碳转化率及生物质颗粒粒径对热解气化效果的影响；张巍巍等［19］将生物质和半焦炭气化的结果与Aspen Plus进行了比较，结果表明热解温度为400°C时气化效果最为明显；陈汉平等［20］建立流化床气化模型，通过模拟表明该模型能够准确模拟生物质气化过程。

1.2 模型假设

热解炉从上到下可分为干燥层、热解层、气化层、燃烧层和冷渣层。如图1所示，原料从炉膛上方进入热解炉，空气从底部进入，空气在燃烧层与焦炭等反应提供热解所需热量，携带热解层产生的热解气离开炉膛。在模拟过程中进行了适当的简化，并对模拟做出以下假设：①炉内反应过程皆为稳态，炉内温度和压力皆为定值，所有考虑的反应都处于平衡状态；②组分输入时，生活垃圾、厨余垃圾和秸秆设置为非常规组分，焦油设为虚拟组分；③原料的干燥和挥发都是瞬发的；④原料中灰分不会参加任何反应；⑤焚烧过程中垃圾和空气充分混合且分布均匀；⑥不考虑压力和气体的损失和泄漏；⑦所有的 N 只生成 N2、NO、NO2， 其它气体产物仅考虑 H2、O2、CO2、CO、H2O 和 CH4。

1.3 模拟流程

根据图1，建立Aspen Plus模拟流程如图2所示。该流程中热解过程分干燥（DRIER）、热解（DECOMP）、气化（GASIF）、燃烧（COMBUST）、分离（ASH-SEP）等五个过程。含水的物流先进入RStoic反应器 （DRIER模块）将原料干燥，通过闪蒸Flash2（GAS-SEP模块）实现气体分离。之后进入RYield反应器 （DECOMP模块），将干燥后的原料分解成单元素分子（C、H2、N2、O2等）和其他化合物组成的常规物流。通过RGibbs反应器（GASIF模块）模拟热解产物的气化反应，气化产物通过闪蒸Flash2（GAS-SEP2模块）分离。其中，分离出的气化气体作为干燥气通入干燥模块，剩下的固体物质在RYield反应器（COMBUST模块）中模拟燃烧反应，并为气化反应提供能量。最后在Sep反应器（ASH-SEP模块）中分离出灰渣，同时燃烧烟气为气化模块提供原料。

模拟基于吉布斯自由能最小化原理，物性方法选择用于合成气模拟的PR-BM方法。表1为Aspen Plus模拟过程中各模块的作用描述。

表1 Aspen Plus模拟模块

1.4 模拟参数

模拟参数条件设定：给料量为12.5 t/h，环境温度为25℃，系统压力设为大气压。系统中干燥温度设定为200℃，热解温度为600℃，而燃烧温度保持为850℃；燃烧风量设定为33.974 Nm3/h；热损失为零且热交换为理想状态；热解产物包括热解气和残渣，其中热解残渣由碳和灰组成。垃圾炉中的主要反应如表2所示。

表2 气化反应方程

本模拟中，入口给料设定为生活垃圾分别与厨余垃圾、秸秆以一定比例混合而成的混合物，物料的理化特性及模拟工况分别见表3及表4。

2 模拟结果

本文采用Aspen Plus软件对不同配比的入口物料进行模拟，获得的热解产物分布如图3所示。由图3可知，生活垃圾混合厨余垃圾热解后，产物主要以半焦为主，随着厨余垃圾配比的增加，固体产物逐渐减少，热解气和焦油的产率逐渐增加；在厨余垃圾配比为50%时，焦油的产率最高，相比生活垃圾单独热解提高了约30%，热解气产率提高了20%。结合表3生活垃圾和秸秆的元素分析数据可知，秸秆的含碳量高于生活垃圾，所以随着秸秆配比的增加，半焦的产率逐渐下降，可能是因为秸秆在热解过程中产生的富氢自由基，与生活垃圾组分互相反应，促进了共热解反应的进行，降低了半焦生成率［21-22］；而液相产物的产率的提高，可能是因为秸秆中含有较高的挥发分，混合热解后促进了焦油的生成［23］，也有可能是与垃圾互相反应，破坏了秸秆的细胞结构使产油率提高［24］。由以上分析和热解产物产率可知，在生活垃圾与厨余垃圾、秸秆的共热解过程中，厨余垃圾和秸秆的添加有利于提高焦油的产率，但配比过高时反而会阻碍生活垃圾热解，降低焦油的产率，这说明各组分之间存在着相互作用。

表3 物料理化特性分析

表4 模拟工况表 （%）

出口烟气中热解气主要产物为 CO、CO2、H2、CH4， 其体积分布如图4所示。结果表明，当生活垃圾与厨余垃圾共热解时，随着厨余垃圾掺烧比例的增加，CO的体积分数逐渐上升，CO2的体积分数呈下降趋势，H2的体积分数则略有上升，而CH4的体积分数变化不大；当生活垃圾与秸秆共热解时，随着掺烧比例的增加，入口物料的热值和C元素含量明显增加，水分含量较低，燃烧所需的空气量变大，在燃烧风量一定的情况下，过量空气系数降低，不利于C的燃烧产生CO2，而利于CO的产生，因此CO体积分数上升，且大于生活垃圾与厨余垃圾共热解的CO体积分数，H2和CH4体积分数变化不大。

出口烟气中的NOx由NO和NO2组成，不同掺烧比例下的NOx排放浓度如图5所示。结果表明，生活垃圾混合厨余垃圾热解时，随着掺烧比例的增加，NOx排放浓度升高。垃圾热解气化过程的NOx生成方式主要包括燃料型和热力型。本模型中的模块温度是固定值，因而热力型NOx的产量不变。同时，根据元素分析结果，厨余垃圾和秸秆中的含氮量均大于生活垃圾的含氮量，使得掺烧后物料的含氮量增加，燃料型NOx的生成量增加，从而NOx总排放量增加。

3 总结

本文使用Aspen Plus软件模拟生活垃圾分别与厨余垃圾和秸秆共热解气化工艺过程，探索垃圾与秸秆共热解的热解气产物及氮氧化物排放，结论如下：

（1）生活垃圾与厨余垃圾、秸秆共热解过程中，厨余垃圾和秸秆的添加有利于提高焦油的产率，但配比过高时反而会阻碍生活垃圾热解，降低焦油的产率，这说明各组分之间存在着相互作用。

（2）生活垃圾与厨余垃圾、秸秆共热解的热解气主要产物为 CO、CO2、H2、CH4，随着厨余垃圾和秸秆掺烧比例的增加，CO的体积分数逐渐上升，CO2的体积分数呈下降趋势，H2和CH4的体积分数变化不大。厨余垃圾和秸秆共热解后，产生了大量富氢自由基，使生活垃圾中轻质组分裂解出来，从而提高了热解气的产率。

（3）生活垃圾与厨余垃圾、秸秆共热解出口烟气中的NOx由NO和NO2组成，随着掺烧比例的增加，燃料型NOx的生成量增加，NOX排放浓度升高。