基于Aspen Plus 的MSW 氣化熔融工藝全流程模擬研究

吳松，黨文波，史曉軍，李文健，袁淑霞，樊玉光

1.西安交通大學機械工程學院

2.浙江金鍋鍋爐有限公司

3.西安石油大學機械工程學院

隨著我國社會經濟的快速發展，人民生活質量不斷提高，所產生的城市固體廢物（MSW）量也在與日俱增。2021 年我國城市生活垃圾清運量約為2.487億t，無害化處理率達到99.9%，垃圾清運量同比2020 年增長5.776%[1]。2007—2021 年陜西省MSW清運量增長近2 倍，其中西安市MSW 大部分運送至位于郊區的江村溝垃圾填埋場處理，該垃圾填埋場是我國日處理量最大的填埋場，原計劃使用50 年卻提前將近20 年填滿，近期即將關閉封場[2]。MSW的大量增加使得對其處理日趨困難，由此引發的環境污染、疾病傳播等問題引起廣泛關注。

衛生填埋、堆肥、焚燒這3 種方式是目前最常見的生活垃圾處理方式[3]，但都存在一定的限制和問題。如垃圾衛生填埋可能會引起場底滲漏或滲漏液的二次污染，需要采用電動修補技術或自封自修技術來保證填埋場防滲[4]；直接焚燒不僅熱效率較低還會排放大量污染物，如硫氧化物、氮氧化物、二噁英和飛灰[5-6]。為了滿足日益嚴苛的環保標準，進一步提高能源利用效率，近年來興起了一種MSW 氣化熔融處理技術，其處理系統如圖1 所示。MSW 經過干燥、熱解、氣化、飛灰熔融處理工藝，能夠極大地減少二噁英的形成，固化重金屬。為滿足飛灰熔融條件，可在具體工況下通入所需的干燥氣或氣化氣，同時將剩余干燥氣、氣化氣和煙氣用于后續熱量回收，減少能源的消耗。氣化熔融技術是實現MSW 無害化、資源化、減容化的一種有效手段[7]，因此，對其進行研究具有一定的現實意義。

圖1 MSW 氣化熔融處理系統示意Fig.1 Schematic diagram of MSW gasification and melting treatment system

垃圾氣化熔融工藝相比于垃圾焚燒技術而言，建造與運行成本較高，但在垃圾處理效率、能源回收和環境保護方面具有明顯優勢。氣化熔融技術可以將飛灰熔融成玻璃態并固化，產品可作為基建材料，該技術減少了飛灰的二次處理，高溫環境遏制了二噁英的形成，對環境的影響較小。而焚燒技術在燃燒過程中會產生廢氣和灰渣，需要用專門設備對其進行二次處理，會消耗額外的能源。

目前全球范圍內已有許多垃圾氣化熔融工程案例，如挪威奧斯陸建有奧斯陸廢物能源中心，采用氣化熔融技術處理廢物，該中心利用氣化熔融反應將廢物轉化為能源，每年處理大約30 萬t 垃圾。澳大利亞建有斯溫道爾垃圾氣化熔融中心，利用氣化熔融技術處理垃圾，提高了垃圾資源利用率。日本東京建有垃圾回收氣化熔融發電設施，并利用廢物焚燒發電，其效率約為16.8%。我國在江蘇省宜興市建有垃圾氣化熔融項目，使用氣化熔融技術將垃圾轉化為能源和建材，該項目每天處理數百噸垃圾，將廢物轉化為玻璃狀物質用于基建材料與電力，減少了生活垃圾的體積和對環境的污染。這些案例展示了氣化熔融技術在垃圾處理和能源回收方面的應用優勢，證明了氣化熔融技術在實踐中的可行性和經濟效益。

一些學者對垃圾熱解氣化進行了試驗研究。如曲金星[8]研究了水分對垃圾熱解氣化特性影響，結果表明，水分的存在對熱解氣化過程影響較小，并且縮短了熱解氣化反應的持續時間，提高了反應效率。Lin 等[9]在不同氣氛下對垃圾的氣化特性進行試驗研究，發現CO2/O2氣化的產氣率高于空氣，垃圾衍生烴類氣化由于水熱炭化過程中氯的去除，可以避免二噁英和氯化氫等有毒物質的產生。劉雨豪[10]研究了MSW 低溫熱解在不同溫度、不同熱解氣氛以及將塑料和橡膠在不同混合比條件下，對半焦產率、碳排放以及產物的影響。結果表明：當熱解溫度為400 ℃時，熱解產物擁有最佳的半焦產率與品質。別如山等[11]將煤粉與飛灰的混合物在旋風爐內以較高的速度旋轉并燃燒，控制爐溫達到1 500℃左右，從而使飛灰在高溫下迅速熔化，飛灰中二噁英去除率達99.9%以上。

MSW 氣化熔融工藝全流程模擬是基于Aspen Plus[12-13]軟件實現的。Aspen Plus 具有基于吉布斯自由能最小化的特點，能夠很好地模擬熱解、氣化、燃燒等一系列反應[14]。Rudra 等[15]利用Aspen Plus軟件具有最小自由能的特點，研究了不同氣化介質對垃圾氣化產氫率的影響。結果表明，用水蒸氣作為氣化介質產氫潛力最大，可達94%。Tungalag 等[16]提出了一種新型的垃圾熱解-等離子體氣化平衡模型，用來預測生活垃圾熱解中焦油和碳氫化合物的碳轉化率。結果表明，當水蒸氣為氣化介質時，可以提高碳轉化率和熱效率，而提高氣化溫度可以提高氣化氣產量和熱值。在等離子氣化過程中，由于碳氫化合物和焦油化合物完全熔解，使得焦油及烴類化合物的碳轉化率和冷氣效率均在98%以上。Avdhesh 等[17]提出了一個整體還原反應平衡模型，基于吉布斯最小自由能，用熱力學原理描述了整體還原反應的完全平衡。模擬分析結果表明，含水率為10%～20%（干基）、當量比為0.30～0.45 時，還原反應區的初始溫度不小于1 200 K。該學者還研究了完全半焦轉化的條件，當原料含水率較高時，完全半焦轉化的條件向較低當量比轉變。

目前，已有研究大多針對MSW 的熱解特性以及污染物的生成與排放，而對氣化熔融工藝系統模塊之間的影響和每個反應器間物質流、能量流的聯動變化過程研究不足，未能得到各節點參數的變化對系統全局的影響。由于氣化熔融工藝系統較復雜，由多個工藝單元組成，且某一個單元變化不僅會影響本單元的參數，而且會影響其他相關的生產工藝單元。筆者采用Aspen Plus 軟件對MSW 氣化熔融[18-19]全流程進行模擬，探究操作參數（干燥溫度、氣化溫度、氣化介質）及燃料參數（含水率、灰熔點）對工藝流程各節點參數物質流（組分、流量、碳轉化率）和能量流（煙氣溫度、熱解氣化階段能量輸入、氣化氣熱值）的影響，以期為MSW 氣化熔融系統工藝反應器之間聯動變化及氣化熔融工藝參數優化提供依據，助力我國MSW 氣化熔融處理技術的開發與應用。

1 模型與方法

1.1 MSW 氣化熔融工藝全流程模型建立

依照實際工藝流程（圖1），利用Aspen Plus 建立MSW 氣化熔融過程模擬流程（圖2）。該模型包括9 個操作單元，16 股物流，3 個Fortan 子程序計算器。進料MSW 首先在RStoic 模塊（干燥）進行干燥，進入模塊Flash2（分離-1），將水蒸氣分離出去；被干燥的MSW 進入RYield 模塊（熱解），根據工業分析和元素分析將其分解為水分、灰分以及各元素對應的單質；分解后的MSW 進入RGibbs 模塊（氣化）進行反應，模擬氣化過程，其中氣化階段需要輸入氣化劑；氣化反應的產物進入SSplit 模塊（分離-2），將半焦與氣化氣分離，分離后將半焦進行燃燒，燃燒爐尾氣用于垃圾干燥。圖2（a）和圖2（b）的不同在于圖2（a）中將干燥后的氣體送入熔融爐中，而圖2（b）則將產生的氣化氣送到熔融爐中燃燒以提高熔融爐的溫度，目的是達到飛灰的熔融條件。工藝流程模型中所用的模塊如表1 所示。

表1 Aspen Plus 中部分常用單元Table 1 Some commonly used units in Aspen Plus

圖2 MSW 氣化熔融工藝流程模型Fig.2 MSW gasification and melting process model

1.2 模型的設定及相關說明

1.2.1 物性方法

用Aspen Plus 建立模型[20-21]，在此流程中將垃圾和灰分設定為非常規組分，將C、H2、O2、N2、Cl2、S、H2O、CH4、CO、CO2這些常規物質設置成常規組分。其中RK-Soave 方程適用于高溫條件計算非極性或弱極性真實存在的混合物，符合本次模擬條件，所以使用RK-Soave 作為本次模擬的物性方法。焓值計算和密度計算分別選用HCOALGEN 和DCOALIGT[22]。

1.2.2 參數輸入

模型輸入有非常規組分，需要對原料進行元素分析和工業分析的輸入，所需用到的元素分析和工業分析如表2 所示。本模型一些主要設定如下：設置MSW 進料為5 000 kg/h，系統各部分壓力為101 kPa，熱解溫度為500 ℃，研究垃圾干燥溫度（100～200 ℃）、垃圾含水率（10%～40%）、氣化溫度（500～1 000 ℃）、氣化介質〔H2O（g）、CO2、H2O（g）與CO2混合氣和H2O（g）與煙氣混合氣〕、灰熔點（1 200～1 500 ℃）對系統物質流和能量流的影響。

表2 MSW 的工業分析和元素分析Table 2 Industrial analysis and elemental analysis of MSW %

據調查，我國垃圾熱值為4 000～7 500 kJ/kg。為了使研究結果具有代表性，本文所選熱值（5 600 kJ/kg 左右）處于我國垃圾熱值中間值，后續研究熱解氣化熔融時過量空氣系數、化學當量比的選擇均采用垃圾干燥基為基準研究，排除了水分的影響，以反映研究垃圾氣化熔融的普遍性。

1.2.3 模型假設

由于生活垃圾熱解氣化過程極為復雜，所生成的產物具有不確定性和復雜性，實際產物與本模型產物有一定的差異，為使所研究的產物和結果誤差控制在合理范圍，因此做適當的假設簡化[23]。假設條件如下：1）所有模塊中的反應瞬間完成且達到穩態；2）系統內無壓力損失和熱量損失；3）生成的氣化氣中只考慮H2O、H2、CO、CO2、CH4；4）不考慮氣化所產生的NOx、焦油等物質，焦炭中只包含碳和灰分，灰分為惰性物質不參加反應。

1.2.4 數據處理

氣化氣低位熱值計算公式如下：

式中：LHV 為氣化氣的低位熱值，MJ/m3；n為各氣化氣組分的摩爾分數。

碳轉化率（μ）計算公式如下：

式中：MC1為焦炭中的含碳量，kg；MC為原料中的含碳量，kg。

式中：V(H2+CO+CH4)為氣化氣中H2、CO、CH4體積之和，L；V氣化氣為氣化氣體積，L。

1.3 模擬流程

MSW 氣化熔融過程主要分為4 個階段：干燥階段、熱解反應階段、還原反應階段和氧化反應階段。

干燥階段主要是MSW 中水分蒸發，得到干燥的MSW，可以表示為：

熱解階段主要是MSW 中揮發分的揮發以及部分高分子有機物的熱裂解反應，反應產物較為復雜，可以表示為：

還原反應階段和氧化反應階段主要化學反應如表3 所示。

表3 主要的還原反應和氧化反應Table 3 Major reduction and oxidation reactions

1.4 模型驗證

為了驗證模型的可靠性，根據試驗數據與模擬數據對比誤差的大小來確定所搭建的模型是否可以用來模擬MSW 氣化熔融工藝，以及驗證編寫的Fortran 語句并內嵌至R Gibbs 反應器模塊是否合理。根據文獻[24]的生活垃圾固定床熱解氣化試驗數據，與模擬結果對比分析驗證。將本模型的運行參數設置為與文獻[24]的試驗參數相同（氣化溫度為800 ℃，氣化劑為水蒸氣，氣化劑當量比為100%，得到模擬數據及相對誤差，結果如表4 所示。氣化氣組分H2、CO、CO2、CH4、C2H4、C2H6的試驗值與模擬值誤差均在8%以內，驗證了本模型具有一定的可靠性，可用作下一步模擬研究。

表4 熱解氣化模擬結果與試驗數據對比Table 4 Comparison of pyrolysis and gasification simulation results and experimental data

2 結果與分析

2.1 垃圾干燥溫度與含水率對系統熱平衡的影響

針對我國高水分、低熱值垃圾的氣化熔融處理，垃圾干燥脫水這一階段必不可少，采用燃燒高溫尾氣進行干燥。研究了氣化劑為水蒸氣且氣化劑比（MH2O/MMSW干重）為0.4，氣化溫度為800 ℃，飛灰熔融溫度為1 500 ℃下不同垃圾干燥溫度（100～200 ℃）、垃圾含水率（10%～40%）對流程的影響，結果見圖3。

人類的認識與實踐活動總是以理想狀態作為追求目標的，立法審議也不例外。作為一種法律程序，立法審議自然應當符合公正、效率與科學的要求。除此之外，立法審議還應符合民主的基本要求，這些價值取向決定了立法審議的應然形態。

圖3 垃圾含水率與干燥溫度對流程的影響Fig.3 Influence of waste moisture content and drying temperature on the process

從圖3 可以看出，隨著垃圾含水率的降低，垃圾干燥所需煙氣比（干燥所需煙氣/燃燒產生的煙氣）逐漸上升，熱解氣化階段所需外界能量輸入逐漸減少。當垃圾含水率減少10%時，垃圾干燥所需煙氣比增加14 百分點，熱解氣化階段所需外界能量輸入減少25 百分點。因此為減少垃圾熱解氣化階段所需外界能量輸入應降低垃圾含水率，經模擬計算在純熱解時，當垃圾含水率為9%，通過煙氣循環可使整個系統能量平衡，即達到能量自給。隨著垃圾干燥溫度的上升，垃圾干燥所需的煙氣比逐漸上升，熱解氣化階段所需外界能量輸入逐漸減少。當垃圾干燥溫度每增加20 ℃時，垃圾干燥所需煙氣比增加3.4 百分點，熱解氣化階段所需外界能量輸入減少4.0 百分點。所以在干燥階段應盡可能提高垃圾干燥溫度（垃圾干燥階段溫度應小于200 ℃，否則會發生低溫水煤氣反應[25]），可以減少能量的輸入，同時利用燃燒階段的煙氣。通過圖3 可以得到整個工藝運行時在不同垃圾含水率與干燥溫度下所需煙氣比與垃圾熱解氣化階段所需能量輸入，為實際運行中垃圾含水率、干燥溫度與煙氣比之間的關系以及平衡熱解氣化階段所需能量輸入提供參考，以便最大程度地減少外界能量的消耗，更好地控制系統的物質流與能量流，提高能源的利用。

在垃圾分類背景下，部分水分含量高的垃圾（如廚余垃圾）被分離出去，垃圾水分含量減少，提高了熱值，使得更多種類的垃圾適用于垃圾氣化熔融工藝，同時對于垃圾氣化熔融工藝來說處理的垃圾品質提高，減少了垃圾干燥環節所使用的能源，工藝的實用性提高。垃圾分類后，送至垃圾焚燒廠的垃圾熱值高達8 790～13 810 kJ/kg，減少了干燥階段所需能量。當垃圾熱值高于11 900 kJ/kg 時，垃圾則不需要干燥，其自身能量可維持垃圾熱解氣化階段所需能量。

2.2 氣化溫度對熱平衡以及氣化氣組分的影響

不同的氣化溫度對系統有較大影響，當干燥溫度為150 ℃，垃圾含水率為30%，氣化劑為水蒸氣且氣化劑比例為0.4，熔融溫度為1 500 ℃時，研究氣化溫度（500～1 000 ℃）對流程的影響，結果見圖4。

圖4 氣化溫度對流程的影響Fig.4 Effect of the gasification temperature on the flow process

由圖4 可知，隨著氣化溫度的不斷升高，總體趨勢表現為H2和CO 占比不斷升高，水蒸氣、CO2、CH4占比不斷下降，當氣化溫度達到850 ℃左右，各組分占比趨于穩定，系統趨于平衡狀態。H2和CO占比的增加主要是由于發生水煤氣反應〔C(s)+H2O→CO+H2〕[26]，同時發生C(s)+CO2→CO，二者均為吸熱反應，消耗了水蒸氣與CO2，使其占比不斷下降，還發生CH4+H2O ?CO+3H2，并且隨著溫度升高平衡向右移動，CH4占比不斷下降。碳的氧化反應和水煤氣反應不斷加深，使CO 和H2占比不斷上升，熱值不斷提高，碳轉化率也不斷升高。該模擬結果可以指導調控氣化氣成分占比與碳轉化率。當氣化溫度達到約850 ℃時，系統各參數性能達到最佳。

氣化后焦炭在熔融爐中燃燒，隨著氣化溫度的不斷提高，焦炭中碳含量不斷減少，所以燃燒后煙氣流量減少，因此干燥階段所需的煙氣比不斷增大。在700～900 ℃時，氣化溫度每提高50 ℃，干燥階段所需的煙氣比增加3.5 百分點。為使熔融爐溫度達到1 500 ℃，在氣化溫度低于700 ℃時需要用干燥后的廢氣來降低熔融爐溫度，在氣化溫度高于700℃后需要燃燒一部分氣化氣來提高熔融爐溫度。在實際工業中為使熔融爐達到飛灰熔融溫度，需要添加一些輔助燃燒劑，可根據實際工況進行調節，使熔融爐達到飛灰熔融溫度且控制爐內溫度在一定的范圍，減少資源的浪費及保護熔融爐爐膛。

2.3 氣化介質對熱平衡以及氣化氣組分的影響

在垃圾的氣化過程中，氣化介質的不同對整個系統有直接的影響。在干燥溫度為150 ℃，含水率為30%，熔融爐溫度為1 500 ℃，氣化溫度為850 ℃，氣化劑比例為0.4 的條件下，研究不同氣化介質對氣化結果的影響，其中煙氣中CO2占比為30%左右，N2占比為70%左右。氣化介質參數工況如表5 所示。

表5 氣化介質工況Table 5 Working conditions of gasification media %

從圖5 可以看出，隨著氣化劑水蒸氣占比的增大，所產生的氣化氣摩爾流量不斷增加，碳轉化率不斷上升，當水蒸氣占比為50%左右，碳轉化率趨于100%，氣化氣中有效氣體摩爾流量趨于平穩，且此時氣化氣的低位熱值僅下降0.4%，為11.43 MJ/h3。因此在水蒸氣為氣化劑且水蒸氣占比為50%時，系統各性能達到最好。通入水蒸氣后水蒸氣與碳發生水煤氣反應，使H2的摩爾流量與碳轉化率不斷上升。當水蒸氣占比大于50%時，由于水蒸氣與CO 和CH4反應使得其含量減少，氣化氣低位熱值下降。

圖5 水蒸氣占比對流程的影響Fig.5 Effect of water vapor ratio column on the flow process

氣化后焦炭在熔融爐中燃燒，隨著水蒸氣占比的不斷提高，焦炭中碳含量不斷減少，所以燃燒后煙氣流量減少，干燥階段所需的煙氣比不斷增大，當水蒸氣占比為50%左右時，所需燃燒煙氣趨于平穩，因為此時碳轉化率趨于100%，熔融爐中燃燒的成分主要來自氣化氣。為使熔融爐溫度達到1 500 ℃，在水蒸氣占比低于30%時，需要用干燥后的干燥氣來降低熔融爐溫度，在水蒸氣占比高于30%時，需要燃燒一部分氣化氣來提高熔融爐溫度。

氣化劑種類的不同對氣化氣組分特性的影響如表6 所示。從表6 可以看出，以水蒸氣為氣化劑時，產生的氣化氣中H2占比較高，這是由于通入的水蒸氣與碳發生水煤氣反應。以CO2為氣化劑時，氣化氣中CO 占比與H2占比相差不大，主要是因為通入CO2后，產生的氣化氣成分向著氣體體積減小的方向移動。工況4 所得氣化氣熱值較低，這是由于煙氣中含有大量的N2，導致CO 占比下降。以下4 種工況以水蒸氣作為氣化劑時氣化效果最好；以水蒸氣和煙氣作為氣化劑其熱值雖然有所降低但利用了尾氣降低了碳排放，因此以煙氣混合氣作為氣化劑是一種既經濟又高效的方法。

表6 不同氣化劑對氣化氣特性的影響Table 6 Effect of different gasification agents on gasification gas characteristics

2.4 灰熔點對流程的影響

為使垃圾產生的灰分熔融以及減少二噁英的生成，因此熔融爐溫度要達到流動溫度（FT）[27]。設置干燥溫度為150 ℃，垃圾含水率為30%，氣化溫度為850 ℃，當氣化后產生的焦炭量在熔融爐內燃燒所產生的能量剛能滿足灰熔點時，研究灰熔點為1 200～1 500 ℃對流程的影響，結果見圖6。

圖6 灰熔點對流程的影響Fig.6 Effect of ash melting point on the process

從圖6 可以看出，隨著灰熔點的升高，水蒸氣占比、氣化氣有效氣體摩爾流量和碳轉化率不斷降低，主要因為隨著灰熔點的升高，焦炭在熔融爐內燃燒達到熔融條件需要更多的碳?；胰埸c每升高100℃，水蒸氣占比下降3.1 百分點，碳轉化率下降2.9百分點。隨著灰熔點的升高，焦炭中碳含量不斷增加，焦炭在熔融爐中燃燒需要更多的空氣，因此熔融爐燃燒后煙氣量不斷增加。隨著灰熔點升高以及熔融爐燃燒后煙氣量的不斷增多，垃圾干燥階段所需煙氣比減少，灰熔點每升高100 ℃，垃圾干燥階段所需煙氣比下降10.3 百分點。通過圖6 可以得到不同灰熔點下所對應的氣化劑水蒸氣占比、碳轉化率及垃圾干燥階段所需煙氣比，為后續更好地控制不同熔融溫度通入氣化劑比例及煙氣循環量提供參考。

3 結論

（1）當垃圾含水率越低，干燥溫度越高（小于200℃）時，對熱解氣化階段越有利，其所需外界能量輸入越少，含水率為9%時通過煙氣循環能達到能量自給。

（2）當垃圾氣化溫度達到850 ℃時，氣化效果達到最佳。為滿足灰分熔融，氣化溫度在低于700 ℃時，需要通入垃圾干燥后的干燥氣，高于700 ℃時，需要通入部分氣化氣來維持熔融爐溫度。

（3）以水蒸氣作為氣化劑，氣化溫度為850 ℃，水蒸氣占比為50%時，氣化效果最好。在相同條件下不同氣化劑介質，以水蒸氣作為氣化介質的氣化效率最高，但以水蒸氣和煙氣混合氣作為氣化劑是一種既經濟又高效的方法，因此在實際工業中以水蒸氣或水蒸氣與煙氣的混合氣為較佳氣化劑。

（4）當氣化后產生的焦炭在熔融爐內燃燒，其產生的能量剛滿足灰熔點時，隨著灰熔點的升高水蒸氣占比、氣化氣有效氣體摩爾流量和碳轉化率不斷降低，灰熔點每升高100 ℃，以水蒸氣作為氣化劑水蒸氣占比下降3.1 百分點，碳轉化率下降2.9 百分點，垃圾干燥階段所需燃燒煙氣比下降10.3 百分點。