垃圾焚燒發電系統建模分析

周新榮，李 鐵，程樂明，趙 曉

（1.張家港密爾克衛環?？萍加邢薰?，江蘇 張家港 215600；2.新地環保技術有限公司，河北 廊坊 065001）

隨著社會經濟的發展及城市化進程的加快，超大城市及大型城市群逐漸發展成型，城市的聚集效應導致區域內人口密度的增大，而人類活動所產生的垃圾也隨之快速增加。據測算，預計在2030年，世界垃圾產生量將達到26 億t，2050年，世界垃圾產生量可能達到34 億t[1]。近年來，隨著政府環保政策日趨嚴格，垃圾處理越來越受到各方面的重視，如何對城市垃圾進行無害化、減量化和資源化處理是當前急需解決的問題。

目前，主流的垃圾處理方法有填埋法、堆肥法和焚燒法。其中，填埋法是將垃圾填入預先挖好的防滲漏坑中，并將其掩埋壓實，借助微生物的分解作用，達到垃圾無害化和減量化的目的[2]。填埋法工藝簡單，成本低廉，但是會造成土地資源的浪費，存在垃圾滲濾液污染地下水的隱患。堆肥法是將垃圾堆存并發酵，利用垃圾中的微生物把有機物分解為無機養分，如腐殖質等。堆肥法技術簡單，可以實現垃圾的減量化和部分資源化，但是垃圾分類要求較高，垃圾分解過程產生的臭氣會污染空氣[3]。焚燒法是利用垃圾中有機物的熱解和燃燒反應，在高溫條件下實現垃圾無害化和減量化。生活垃圾焚燒后質量可至少減少80%，體積至少縮小90%。在焚燒爐中，高溫可以殺死垃圾中的各種病原體和細菌，有毒有害物質大部分被轉化為無害物[4]。垃圾焚燒產生的熱量可以用于副產蒸汽或發電，有效提高資源回收率。相比之下，垃圾焚燒發電技術在垃圾的減量化、無害化和資源化方面都更具優勢。

1 垃圾焚燒發電工藝簡介

垃圾焚燒發電工藝主要包括垃圾存儲、垃圾焚燒、熱能回收、蒸汽發電、煙氣處理等環節。垃圾運送至垃圾焚燒發電廠，經稱重后卸入料池內，利用抓斗和推料器將垃圾送入焚燒爐進行熱解。焚燒爐燃燒過程在自動控制系統和自動燃燒系統監視和調控下進行，爐膛溫度一般控制在850～1 050 ℃，同時，為了減少有害物質的生成，煙氣停留時間不能低于2 s。另外，要及時有效地調節爐排運行速度和燃燒空氣量，對垃圾進行徹底的無害化和減量化處理[5]。垃圾焚燒產生高溫煙氣，經過焚燒系統內置的換熱器回收熱能后產生高溫蒸汽，蒸汽進入汽輪發電機組后發電。煙氣在降溫過程中容易生成強致癌物質二噁英，為了抑制其產生，應盡可能縮短煙氣降溫的時間，目前一般采用急冷法，迅速將煙氣溫度降低至250 ℃以下。煙氣經換熱降溫、除塵等綜合處理達標后排放。垃圾焚燒發電工藝流程如圖1所示。

圖1 垃圾焚燒發電工藝流程

2 垃圾焚燒發電系統建模

Aspen Plus 軟件是一款功能強大的通用流程模擬軟件，它包含豐富的物性數據庫和單元模型庫，廣泛應用于化工、能源、環保、醫藥等領域[6]。垃圾焚燒發電系統的溫度很高，煙氣停留時間較長，可以近似將焚燒過程的各種化學反應按照達到反應平衡的條件進行處理，該軟件中RGibbs 反應器模型可以較為準確地模擬該反應過程。垃圾焚燒發電系統的建模難點在于對垃圾組分的定義，由于垃圾的組成極為復雜，無法直接利用常規組分的配比來進行模擬，因此可以利用垃圾的工業分析、元素分析等數據，采用等效分解的方法進行建模[7]。垃圾焚燒發電系統的原料基礎數據如表1所示。其中，工業分析指標包括水分、灰分、揮發分和固定碳，元素分析指標包括C、H、N、Cl、S 和O，其他分析指標為熱值。

表1 垃圾的各項分析數據

利用Aspen Plus 軟件對垃圾焚燒發電系統進行建模，首先需要將垃圾定義為非常規組分。由于非常規組分無法直接參與化學反應，要利用模型庫的RYield反應器模型對垃圾進行等效分解，利用自定義化學反應將垃圾分解為C、H2、N2、O2、S、Cl2等單質以及惰性組分灰渣，整個分解過程是基于Fortran 語句控制，而垃圾的工業分析和元素分析數據可以保證分解過程的質量平衡和元素平衡。垃圾分解后的單質進入RGibbs 反應器模型參與焚燒反應，而從RYield 反應器模型到RGbiss 反應器模型之間引入的能量流可以保證分解和焚燒過程的能量平衡[8]。焚燒產物經過Flash2 模型后，高溫煙氣與灰渣分離，利用HeatX 模型、Flash2 模型、Mixer 模型以及Pump 模型組成循環系統，模擬廢熱鍋爐吸收高溫煙氣熱能產生蒸汽的過程，該循環系統的計算需要注意循環物流初值的合理設定。廢熱鍋爐產生的蒸汽進入Compr 模型，并選擇Turbine 模式模擬蒸汽透平發電的過程。降溫后的煙氣進入RadFrac 模型模擬激冷與洗滌過程。垃圾焚燒發電系統的工藝模擬流程如圖2所示。

圖2 垃圾焚燒發電系統的工藝模擬流程

焚燒爐是垃圾焚燒發電系統的核心設備，對應的RYield 模型與RGibbs 模型組合的模擬結果直接關系到模型的準確性。在生產過程中，進料條件一定時，焚燒爐爐溫、煙氣組成、煙氣溫度、蒸汽產量、發電量等關鍵參數是驗證模型準確性的依據。將模型計算結果與實際生產數據進行對比，如表2所示。結果表明，利用Aspen Plus 軟件建立的垃圾焚燒發電模型可以實現整個工藝系統的物料與能量平衡，由于該模型是絕熱體系，不考慮系統與環境的熱量交換，系統的焚燒爐爐溫、蒸汽量、發電量以及能量利用效率要略高于實際生產數據，除此之外，各工段及設備的主要工藝參數均與實際生產數據可以較好地匹配。

表2 實際生產數據與模擬數據對比

3 結論

本文以某垃圾焚燒發電廠為例，利用Aspen Plus軟件建立垃圾焚燒發電系統的穩態模型，并利用實際生產數據驗證Aspen Plus 軟件自帶的熱力學物性數據及模型的可靠性。對比結果表明，該模型模擬數據與實際生產數據較為吻合，它可以作為實際生產和運營的分析及優化工具，該建模方法可以為垃圾焚燒發電系統的工藝優化及挖潛提供數據支持。