城市可燃固体废弃物气化特性的模拟研究*

蔡东方，陆俞辰，卢东亮，张蕾蕾

(广东环境保护工程职业学院循环经济与低碳经济系，广东佛山 528216)

近年来，以气化反应为核心的垃圾气化技术越来越受到关注，该技术具有降低二噁英污染物的生成[1-3]，重金属不随烟气及飞灰迁移[4]，气化产物可以作为工业生产原料利用，能源利用效率比垃圾焚烧技术高等优点[5]。垃圾气化技术的气化炉炉型主要有固定床、气流床、流化床、回转窑等。固定床气化炉具有结构简单、操作简单方便、对进料要求不高、处理量适中等优点，被广泛采用[6-7]。

目前，城市可燃固体废弃物固定床气化试验研究中存在的问题主要是试验装置投资及运行成本高、试验耗费周期长。针对上述问题，笔者利用Aspen Plus软件建立仿真模型，研究气化温度、过量空气系数、氧体积分数、蒸汽与空气质量比等对气化特性的影响。结合气化过程中抑制二噁英产生机理，综合考虑气化冷效率、有效气产量、CO与H2体积比、产气热值等因素，确定最佳工艺条件，为进一步试验设计、工程化应用提供理论依据。

1 模型建立及验证

模型建立及计算时假设以下条件：①气化炉内化学反应达到平衡状态，整个过程处于稳定状态。②气化炉热量损失为城市可燃固废热量的2%。③温度、体积分数在反应器内径向上均匀分布，无梯度，且压力无损失。④城市可燃固废中的灰分不参与化学反应，升温后全部从气化炉底部排出，碳转化率98%，不考虑过程中焦油的产生。

1.1 模型物性参数的选取

物性参数选择总物流类型MCINCPSD，包含了不参与化学平衡和相平衡的灰分、固体废弃物等非常规组分，在模拟计算过程中只用到其焓值和密度，焓值计算采用HCOALGEN，密度模型采用DCOALIGT。还包含 N2、H2、CO2、O2、H2O、CO、CH4等常规组分，常规组分呈现出非极性或弱极性，并且为高温氛围，因此采用PR-BM方程计算物质的相关物性。

1.2 模型建立

根据固定床气化技术的工艺原理，建立了Aspen Plus模拟流程图，见图1所示。

图1中Dryer模块用于模拟干燥过程， RYield模块用于模拟裂解过程，所需热量由燃烧气化产生的高温合成气提供。RGibbs模块用于模拟燃烧气化过程，该反应器是基于吉布斯自由能最小化的多相化学平衡反应器。换热器Heater1模块用于模拟入炉氧气的加热，换热器Heater2模块用于模拟高温合成气和热解过程的热量传递。分离Sep模块用于模拟高温合成气与灰分的分离。气化过程中主要的化学方程式见表1。

图1 Aspen Plus模拟流程

表1 气化反应过程主要化学反应方程式

1.3 模型验证

利用潘春鹏[12]的试验结果对建立的模型进行了验证，基于相同的试验条件，对比试验结果和模拟结果。试验使用的可燃物材料为竹子，具体的工业分析和元素分析见表2。试验结果与模拟结果对比如图2所示。

图2 试验结果与模拟结果对比

表2 竹子的元素分析和工业分析 w:%

由图2可见：试验结果与模拟结果产物各组分的变化趋势一致，其中CO，CH4的体积分数非常接近。由于试验过程中使用的试样量较少，气化过程的散热损失占物料总热量的比例较大，而模拟计算过程中假定气化过程的散热损失占入炉原料总热量的2%，因此与模拟计算相比，试验研究中气化炉内放热反应进行地较多，导致产生的合成气中CO2体积分数偏大、H2体积分数偏小。因此，建立的模型具有一定的有效性，能够为试验及工业化生产提供参考。

2 模拟结果与分析

2.1 模型输入参数

2.1.1 城市可燃固废物性

花样跳绳的形式较为多样，教师可以根据小学生的运动能力为其开展合适的跳绳活动。单人跳的形式主要包括将跳绳进行左右甩、开合跳、交叉跳以及双脚交替等。不同的跳法在难度以及运动量方面也存在一定的差异，教师可以带领学生从简单的动作开始练习，逐渐融入难度较大的动作，从而使学生接受到循序渐进的过程。

城市可燃固废物的元素及工业分析见表3[13]。

表3 城市可燃固废的工业分析和元素分析 w:%

2.1.2 模型中输入工艺参数

设定气化炉内反应压力为常压，城市可燃固废的入炉量为3 654 kg/h，入炉压力0.1 MPa；空气入炉温度25 ℃，氧气体积分数21%，入炉压力0.1 MPa；水蒸气入炉温度250 ℃，入炉压力0.3 MPa。气化剂为空气或者空气与水蒸气的混合物。

2.1.3 气化特性参数

城市可燃固废气化过程的运行特性参数及评价指标特性参数如下：①过量空气系数。过量空气系数表示在气化过程中实际的单位时间内空气进气量与燃料完全燃烧时所需要的空气量的比值[14]。②产气热值。产气热值表示在标准状态下，每立方米产气所具有的化学能，选用产气的低位热值作为评价指标。③气化冷效率。气化冷效率表示气化产生的气体所具有的化学能与城市可燃固废所含化学能的比值。

2.2 过量空气系数对气化特性的影响分析

保持其他工艺操作条件不变，研究过量空气系数为0.2~0.7时对气化特性的影响，模拟结果分别见图3、图4所示。

图3 过量空气系数对气化气组成和气化温度的影响

图4 过量空气系数对气化冷效率、产气热值的影响

由图3可见：随着过量空气系数的增加，气化温度逐渐升高，反应产物中CO，H2的体积先升高后降低，CO2的体积先降低后升高，这是由于随着气化温度的升高，Boudouard反应、水蒸气转化反应增强，反应产物中CO，H2的体积增加，CO2的体积降低。当过量空气系数增大至0.4时，为保持较高的反应温度，碳燃烧放热反应开始增强，CO2的体积逐渐增加；H2，CO的体积开始逐渐降低。甲烷化反应为放热反应，温度的升高不利于该反应的进行，因此，CH4的体积逐渐降低，考虑有效气的总量因素，过量空气系数的优选为0.35~0.45，此时气化温度为750~1 050 ℃。

由图4可见：随着过量空气系数的增大，气化气的单位热值逐渐降低，气化过程的冷效率逐渐降低，主要是由于随着过量空气系数的增大，气化反应的气化温度逐渐升高，气化温度的升高需要更多的空气助燃，同时为保持较高温度需要消耗更多的热量，因此气化产气的单位热值逐渐降低，气化过程的冷效率逐渐降低。

由上述模拟结果得知：气化反应温度对气化炉内的化学平衡影响较大，气化温度低时气体热值较高，但并不表示气化的综合效果就越好，相反，由于气化温度较低，气化过程主要是热解过程，气体产量较少。据研究表明[15-16]，当气化温度高于850℃时，气化过程中产生的二噁英能够被高温分解；同时，产气中H2组分的存在能够抑制二噁英的产生，因此产气中CO与H2的体积比越低对反应越有利。

综合考虑有效气总量、气化冷效率、产气热值以及降低二噁英生成的因素，城市可燃固废的气化温度为850~950 ℃时较适宜。

2.3 氧气体积分数对气化特性的影响分析

保持其他工艺操作条件不变，通过调整空气流量，控制气化温度900 ℃，考察空气中氧气体积分数为21%~100%时对气化特性的影响，模拟结果分别见图5、图6所示。

图5 氧气体积分数对气化气组成的影响

图6 氧气体积分数对气化冷效率、产气热值的影响

由图5可见：随着氧气体积分数的逐渐增大，产物中CO2的体积逐渐减少，H2的体积逐渐减少，CO的量逐渐增加，这主要的由于氧气体积分数增大，引起入炉空气量减少，空气带入的N2减少，在保持900 ℃的气化温度下，气体升温消耗热量减少，碳燃烧放热反应减弱，产物组分中CO2的体积减少。氧气体积分数的增大不利于水蒸气转化反应和水煤气变换反应的发生，故产物中H2的体积减少。

由图6可见：随着氧气体积分数的增大，产气的热值和气化冷效率均提高，这是由于氧气体积分数增大，引起入炉空气量减少，空气带入的N2减少，产气的热值也相应增加。当氧气体积分数增大到一定值时，由于空气中带入的N2只占产气中较少的比例，因此产气各组分的量基本保持不变；同时，气化过程的冷效率也先升高后趋于稳定。

由模拟结果可知：提高空气中的氧气体积分数可以提高单位产气热值，减少产气体积，便于后续燃气提纯。当氧气体积分数大于50%时，产气的组分量基本保持不变，产气过程的冷效率也基本保持不变。因此，氧气体积分数的优选40%~50%，但应综合考虑气化过程的冷效率和氧气体积分数升高所需的经济成本。

2.4 水蒸气与空气质量比对气化特性的影响分析

保持其他工艺操作条件不变，通过调整空气量和水蒸气量，控制气化温度900 ℃，考察水蒸气与空气质量比为0.05~0.3时对气化特性的影响，模拟结果分别见图7、图8所示。

图7 水蒸气与空气质量比对气化气组成的影响

图8 水蒸气与空气质量比对气化冷效率、产气热值的影响

由图7可见：随着水蒸气与空气质量比的增大，产物组分中CO2的体积增大，CO的体积减少，H2的体积增大，这是由于水蒸气与空气质量比的增大，导致入炉水蒸气量增大，为保持900 ℃的气化温度，碳燃烧放热反应加强，同时水蒸气量的增大会促进水蒸气转化反应的进行，该反应的进行需要碳燃烧放热反应提供能量，故产物组分CO2的体积增加。水蒸气质量的增加会促进水煤气变换反应的进行，产物组分CO的体积减少，H2的体积增加。从元素平衡分析，CO2的体积增加时，CO的体积必然减少；CO的体积减少时，H2的体积增加，故组分CO与H2体积比降低。

由图8可见：入炉水蒸气量逐渐增加，为保持气化温度及为吸热反应提供热量，气化过程冷效率逐渐降低，产气的单位热值逐渐降低。随着水蒸气与空气质量比的增加，对气化过程的有效气产量、气化冷效率、产气热值并没有较好的改善效果，反而降低了有效气产量及冷效率，但水蒸气的加入可以提高清洁气体H2的体积，H2是化工生产中重要的物质，增大产气的应用范围。同时，产气中H2的体积的增加，不利于二噁英反应的生成，对降低产气的二次污染较有利。

3 结论

1)对影响气化冷效率、CO与H2体积比、有效气体积(CO+H2+CH4)、产气热值及降低二噁英生成量等的因素进行了考察，气化温度优选850~950℃，对应过量空气系数优选0.35~0.45。

2)随着氧气体积分数由21%升高至100%，气化产物 CO2的体积降低，CO、H2的体积增加，气化冷效率升高。氧气体积分数增加至50%后，气化产物基本保持不变，气化冷效率基本保持不变。入炉空气中氧气体积分数的提高，有利于产生高热值的气体。入炉空气中氧气体积分数优选40%~50%，但需考虑氧气体积分数提高的成本。

3)随着水蒸气与空气质量比从0.05升高至0.3，气化产物H2、CO2的体积增加，产物CO的体积减少，气化冷效率和产气热值均下降。但产气中的H2体积对抑制二噁英生成比较有利，并且水蒸气的添加非常适用于以H2为原料的工业生产，增大了产气的应用范围。