我国城市固体废弃物气化熔融的特性

第19卷第5期2013年10月燃烧科学与技术JournalofCombustionScienceandTechnologyVol.19No.5Oct.2013收稿日期：2012-12-13.基金项目：国家重点基础研究发展计划(973计划)资助项目(2011CB201500)；国家科技支撑计划资助项目(2012BAB09B03)；浙江省科技创新团队资助项目(A2009R50049)．作者简介：张立静（1988—），女，硕士，[e-mail].通讯作者：黄群星，[e-mail].网格出版时间：2013-07-01.网络出版地址：．我国城市固体废弃物气化熔融的特性张立静，余渡江，黄群星，池涌(浙江大学能源清洁利用国家重点实验室，杭州310027)摘要：为研究气化熔融技术对国内城市生活垃圾的适应性，以气化熔融试验台为原型，从热化学平衡角度建立了气化熔融工艺模拟模型．通过研究我国11种混合城市生活垃圾的气化熔融性质，得到了满足气化熔融温度要求的垃圾最大含水率和最佳过量空气系数，并分析了垃圾热值对最大含水率的作用规律以及过量空气系数、含水率和氧浓度对气化产物的影响．结果表明，过量空气系数在0.3～0.4之间时，气化产物热值最高．随着垃圾含水率的升高，冷气效升高，气化和熔融温度降低．关键词：城市固体废弃物；气化熔融；AspenPlus；模拟中图分类号：TK6文献标志码：A文章编号：1006-8740(2013)05-0418-07GasificationandMeltingCharacteristicsofMSWinChinaZhangLijing，YuDujiang，HuangQunxing，ChiYong(StateKeyLaboratoryofCleanEnergyUtilization，ZhejiangUniversity，Hangzhou310027，China)Abstract：Inordertosearchtheadaptabilityofgasificationandmeltingtechnologytomunicipalsolidwaste(MSW)inChina，athermochemicalmodelwasproposedasaprototypeofthegasificationandmeltingtest-bed.Throughthestudyonthegasificationandmeltingcharacteristicsof11differentMSWs，themaximummoisturecon-tentandexcessaircoefficientforwastechangingwithheatvaluewereobtainedunderfixedboundarytemperature.Theeffectsofexcessaircoefficient(α)，moisturecontent(RMC)andoxygenconcentrationonsyngascompositionwerediscussed.Theresultsindicatethatamaximumheatvalueofsyngascanbeobtainedwhenαisbetween0.3and0.4.Asthemoisturecontentincreased，thecoldgasefficiency(RCGE)increasedwhiletheoperationtemperaturedecreasedatthesametime.Keywords：municipalsolidwaste；gasificationandmelting；AspenPlus；simulation随着我国经济的快速发展，土地资源日益匮乏，人们对环境的要求也越来越高，城市生活垃圾的无害化处理问题给城市的可持续发展带来了严峻的挑战．目前主要的生活垃圾处理技术包括卫生填埋和焚烧．卫生填埋技术操作管理简单、处理量大、总体投资小，但是需要占用大量土地，并且会污染土壤和地下水．由国家统计局2003～2010年的统计数据可知，垃圾卫生填埋量略有下降，而焚烧处理量占无害化处理量的比例从2003年的5%上升到2010年的19%，由此可以看出，垃圾焚烧处理技术正在逐步受到重视．传统的焚烧法减容效果好，处置速度快，但是燃烧过程和尾气净化控制不严格，容易产生二次污染，噁特别是会产生二英等物质[1]．Ni等[2]调查了国内的19台垃圾焚烧炉，检测结果表明，噁二英排放浓度平均毒性当量为0.423,ngTEQ/m3，国标1.0达标率为DOI10.11715/rskxjs.R2012120172013年10月张立静等：我国城市固体废弃物气化熔融的特性·419·84.2%，欧标0.1达标率仅为31.6%．气化熔融技术是新一代固体废弃物高效清洁焚烧的一个重要发展方向，该技术结合了垃圾气化技术和灰渣熔融技术的优点．其工作原理是垃圾经过预处理后进入气化炉，在缺氧还原性气氛下进行热解和气化，接着气化产物进入熔融炉进行高温燃烧，生成玻璃态熔渣．与传统的焚烧相比，气化熔融技术具有彻底的无害化、显著的减容性等优势．目前主要的气化熔融技术有瑞士的Thermoselect技术、德国的Siemens技术、日本的Ebara技术等[3]，都已经基本完成中试阶段实验，并开始了工业化运作与推广．Jiang等[4]研究了飞灰熔融噁时二英和重金属的特性，噁发现飞灰熔融是控制二英和重金属排放的有效方法．李水清等[5]分析了水分、灰分和有机成分的变化对最佳热值的影响，并从气-固反应器的角度比较了回转窑、流化床等基础炉型的气化熔融工艺的技术特点和适用条件，为国内未来垃圾气化熔融工艺的选择提供了参考．熔融过程由于温度较高，因此对废弃物的热值、含水率等参数有一定的要求．国外已有的研究普遍以分选垃圾或衍生燃料(refusederivedfuel，RDF)为处理对象．国内城市生活垃圾由于缺乏完善的分类收集体系，成分复杂，不同时间和地区的垃圾组分差异很大，并且热值较低，因此国内已有的研究一般都采用单一或混合高热值物料作为实验对象，对混合垃圾气化熔融特性的研究较少．为了掌握我国典型原始生活垃圾气化熔融处置的可行性和影响因素，笔者基于流化床气化与旋风燃烧熔融反应器，采用热化学平衡计算模型，研究了11种不同组分混合城市生活垃圾的气化熔融产物特性，得到了满足气化熔融温度条件的最佳过量空气系数和最大含水率，并讨论了氧浓度和垃圾含水率对气化产物组分的影响．论文研究结果有利于深入认识气化熔融技术在国内的适应性，也为新一代废物能源化利用处置技术的发展提供参考依据．1气化熔融工艺模拟模型1.1模型的建立图1(a)为本文采用的流化床气化与旋风燃烧熔融系统试验台原型．流化床气化炉电加热部分的内径为98,mm，外径为450,mm，中间为加热电阻丝(18,kW)和绝热保温层．布风板位于流化床底部，布风板以上750,mm采用电加热，电加热以上部分的气化炉内径为100,mm．该系统结合了流化床气化与旋风燃烧熔融的优点，既可以高效气化低热值垃圾，又可以迅速完成可燃气的焚烧，保证熔融温度．本文以该试验台为原型，从热化学平衡角度建立气化熔融工艺模拟模型，采用吉布斯自由能最小化方法[6]，以AspenPlus为模拟平台对不同生活垃圾气化熔融过程进行分析．产物的动力学和热力学参数从AspenPlus自带的数据库中选取．AspenPlus是以热力学平衡态为基础的大型化工过程模拟软件包，近年来被研究者广泛用于热转化过程的分析．如中科院的Liu等[7]对循环流化床中煤的燃烧进行模拟，通过5个反应器串联的方式得到了温度、空隙率沿炉膛高度方向的变化情况．Xie等[8]研究了煤和生物质用CFB混烧时，SO2、NO和N2O的排放．国外的学者Nikoo和Doherty等[9-10]通过模拟生物质在流化床中的气化过程，得出了温度、颗粒大小以及过量空气系数等对气化特性的影响规律．这些研究结果在实验结果的预测和工艺流程的优化等方面发挥了很好的作用．反应物料和生成产物的热物理性质是热化学反应平衡态计算的一个重要依据．由于固体废弃物属于非传统物料，因此，对于混合垃圾物理属性的计算，本文中采用非传统物料物性计算方法HCOALGEN和DCOALIGT模型，获得物料的热值和标准生成热等物理性质．在气化和燃烧产物组分特性方面，选用RKS-BM物性方法.RKS-BM采用带有Boston-Mathias函数Redlich-Kwong-Soave(RKS)立方状态方程，1—电加热部分及分解和气化过程；2—熔融过程；3—分离过程（a）试验台原型（b）AspenPlus模拟流程示意图1试验台与AspenPlus构建的模拟流程示意·420·燃烧科学与技术第19卷第5期用来拟合典型热化学反应产物的热物理性质[11]．对应图1(a)所示的试验台，图1(b)给出了气化熔融模拟流程．该流程中气化熔融工艺由分解(DECOMP)、气化(GASIFY)、熔融(MELTING)和分离(SPLIT)等4个过程组成，分别与试验台中的各部分相对应．(1)分解过程用Ryield反应模块表征，其功能是实现“非常规组分”到“常规组分”的转化，即在进料的分子结构、热力学参数及动力学模型不清楚时，将其分解为元素单质，从而进行化学反应相关参数的计算，分解产物的产率分布由计算模块的Fortran来控制．(2)气化过程用Rgibbs模块来表征，其功能是在设定输出物质种类的前提下，以物质和元素守恒为前提，模拟吉布斯自由能最小化时的化学平衡．(3)熔融过程用Rstoic反应器表征．Rstoic可在已知反应物的情况下自建燃烧过程，并计算每一个燃烧反应的反应热．(4)熔融产物中气体和灰分的分离过程用Sep模块表征．分离后的气体温度很高，可以通过换热器进行余热利用．1.2模型有效性验证为了验证该模型的有效性，按照肖刚等[12]的实验参数进行了模拟计算，并将模拟结果与实验结果进行了对比．实验物料为木料，过量空气系数取0.4，与实验保持一致．实验时气化温度为600,℃，木料低位热值为16,121,kJ/kg，木料特性数据见表1．模拟与实验结果对比见图2．模拟结果显示，气化产物CO2、CO和H2的比例随气化温度的变化趋势与实验结果基本吻合，尤其在气化温度为600,℃时，模拟预测的气体组分比例与实验结果非常相近．但CH4的预测趋势与实验有较大差距，这是因为CH4与水蒸气的反应为吸热反应，温度的升高会促进CH4的消耗，所以CH4的预测值随温度的升高而降低．而实际实验表1文献[12]木料特性数据木料特性含量/%wC,ad43.73wH,ad04.62wN,ad00.27wS,ad0wO,ad40.96Mad08.42Aad02.00Vad76.42FC,ad13.16（a）模拟结果（b）实验结果图2模拟结果与实验结果对比的影响因素较多，比如焦油会随着温度的升高而分解，从而促进CH4的生成．但鉴于焦油的成分复杂，模拟预测没有予以考虑．2实验样品和设定参数根据我国不同城市生活垃圾中可燃与不可燃组分比例特点及单一组分的工业和元素分析，首先通过查找资料和分析计算获取了热值由低到高排列的11种不同混合生活垃圾组分数据，如表2所示，其中MSW1、MSW7、MSW8、MSW9和MSW11为我国典型城市的实测组分，其余为基于实测数据插值得到的模拟组分．设定给料量为1,kg/h，采用200,℃预热空气作为气化介质．在后续的计算中，气化模块过量空气系数(α)定义为实际供给气化模块的空气量与理论空气量之比，而熔融段的空气量设定为理论空气量的80%，以满足气化产物的完全燃烧和达到熔融段所需的高温．已有的研究表明，对于城市生活垃圾，由于可燃组分的挥发分含量较高，其最佳的流化床气化温度在600,℃左右．而对于气化产物中飞灰等固体颗粒，在气化气燃烧