梁永煌，章卫星，杨 珂，游 伟

（中国五环工程有限公司，武汉 430223）

城市垃圾等离子气化技术模拟研究

梁永煌，章卫星，杨 珂，游 伟

（中国五环工程有限公司，武汉 430223）

简要介绍了等离子气化技术及其特点，以及国内外等离子气化技术的发展和应用情况。在分析探讨了等离子气化原理的基础上，借助Aspen Plus系统流程模拟软件，对我国城市垃圾进行等离子气化建模和模拟分析。

等离子气化;城市垃圾;Aspen Plus;模拟研究;富氧空气气化

目前，城市垃圾处理主要有三种方式，即卫生填埋、堆肥和焚烧发电[1]。但随着我国城市化规模的扩大，城市垃圾逐年增加，许多地方已出现了垃圾无地可埋、无处可堆的尴尬局面，城市垃圾污染引起的环境和生态安全问题已经十分严峻。垃圾焚烧可实现垃圾减量化，在减少占地的同时，可进行发电，创造一定经济效益，但垃圾焚烧也带来了一系列问题：1）由于焚烧温度不高，容易产生二英和呋喃等致癌物质；2）焚烧产生的飞灰和残渣中富含有毒有害重金属物质，容易造成地下水源污染；3）焚烧产生大量烟气，碳排放量大[2-4]。因此，寻找和研究开发出一种针对城市垃圾处理的绿色环保新技术，尽可能减少和消除垃圾处理过程中造成的环境污染问题，已成为我国当前城市垃圾处理领域的一个新课题[5]。

等离子气化技术是近几年发展起来的一种全新技术[6，7]。和一般垃圾焚烧技术不同，采用等离子气化技术处理城市垃圾，是利用等离子炬产生的高强度热源（5500℃以上）作为气化炉热源，由于其高温和高热密度，几乎能将垃圾等固体废物中的有机物完全气化并转化成合成气（主要为CO和H2），而无机物则可变成无害的玻璃体灰渣，可以实现垃圾处理过程污染物的“零排放”。等离子气化技术应用于城市垃圾的处理在国外已有工业化运行装置，被证明是一种可靠的垃圾处理措施[8-10]。本文以Aspen Plus软件作为模拟工具，对我国城市垃圾进行等离子气化建模和模拟计算，并对模拟结果进行分析讨论，以期对我国城市垃圾等离子气化的产业化工作提供基础性参考。

1 等离子气化技术及其应用简介

1.1 等离子气化技术及其特点

随着温度升高，物质先后经历固、液、气三态，温度继续上升，气体将电离导电，但在一定的体积内（德拜半径之内），由于正负离子数目相等，宏观呈现电中性，此时物质成为等离子体态，称为“第四类物质状态”[6，7]。按照等离子应用和参与方式可分为等离子气化和等离子辅助气化，前者将等离子体作为气化剂直接参与气化反应，后者则是将等离子体作为引发剂促使气化反应进行。等离子体是极活泼的反应性物种，使通常条件下难以进行或速度很慢的反应变得快速，尤其有利于难消解污染物的处理[8-14]。将等离子气化技术用于处理各类污染物具有处理流程短、效率高、适用范围广等特点，具体如下：1）可以处理有毒、有害危险及非危险废物，包括有机的、无机的、气体、液体及固体；2）能够完全、安全地将有毒废料转化成无毒且有使用价值的产品；3）符合最严格的排放标准，绿色达标排放（二英、重金属含量远低于欧盟标准）；4）处理得到的合成气经过净化处理，可用于生产化工产品或用于发电[2-14]。

1.2 等离子气化技术应用简介

鉴于等离子气化技术的特点，早在20世纪60年代该技术就已经开始被应用于工业生产中，其主要应用领域有[6-14]：1）处理市政垃圾及其焚烧残留物；2）处理危险的工业有机废物；3）处理医疗废弃物；4）处理劣质煤；5）处理生物质。其中，以等离子气化固体废弃物（主要为垃圾）的工业应用最为广泛。

美国西屋公司在等离子体及等离子气化方面已有40多年的应用经验，该公司于20世纪60年代开始为航天用途建造等离子炬，后续研究用于销毁化学武器、印刷电路板和石棉等有毒废物[2，4]。20世纪90年代初，西屋公司在美国建造了一个处理固体废物并带有发电的试验装置，90年代末，又在日本建造了一个中试规模的等离子气化装置，主要将生活垃圾、污水污泥、废旧汽车粉碎后的残留物等进行处理。随着在美国和日本的等离子气化示范装置的成功运营，西屋公司逐渐将该技术向加拿大和欧洲进行应用推广。除西屋公司外，加拿大的普拉斯科（Plasco）能源公司是当今世界范围内另一家拥有商业化等离子气化技术的公司[4]。Plasco公司主要针对北美生活垃圾，开发出基于燃气轮机发电的等离子气化垃圾工艺。该工艺的核心是垃圾的两级热解：第一级利用废物自身热值热解，第二级利用等离子电弧加热重整合成气，同时用等离子炬玻璃化裂解室的废渣。2008年底，加拿大决定采用Plasco公司的等离子气化技术建造北美地区规模最大的气化垃圾发电厂，项目总投资1.25亿美元，处理规模400t/d，发电量可达21MW，可满足19,000户当地居民日用电量需求。此外，Plasco公司与中国节能集团合资，拟在北京建100t/d的实验装置用于处理北京市的生活垃圾。

我国等离子气化技术研究起步较早，主要侧重于材料加工工艺技术，在处理固体废弃物方面，中科院力学所进行了应用性的基础研究，在实验室建成了一条3t/d的等离子处理医疗垃圾的实验线，并与企业合作建成了2条工业规模（5～10t/d）的等离子处理危险废物的生产线[7]。此外，太原理工大学、清华大学、大连理工大学等主要侧重于煤的等离子气化技术研究[7，15，16]，北京环宇冠川公司侧重于工业危险废物的等离子气化研究，武汉凯迪电力公司侧重于生物质的等离子气化研究，武汉华电天和公司侧重于高危废弃物的等离子气化研究，都取得了一些研究成果，但在处理城市垃圾方面的研究较少。中国五环工程有限公司目前也对等离子气化技术处理垃圾废物（含城市垃圾）开展了相应的研究，获得了相应的研究成果。

2 城市垃圾等离子气化Aspen p lus模拟模型的建立

将Aspen Plus应用于煤的气化过程模拟在国内外已经取得了很多的研究成果[17-19]。本文将借鉴Aspen Plus在煤气化过程模拟方面的研究成果，结合等离子气化技术特点，对城市垃圾的等离子气化进行相应建模和分析讨论。

2.1 模拟方法与等离子气化原理

2.1.1 模拟方法

与煤气化Aspen Plus建模一样，垃圾的等离子气化建模所使用的模型方法主要也是基于Gibbs反应器的反应平衡模型[19，20]。该模型主要通过一系列假设条件，将气化过程设定为平衡反应模型，认为其一直处于稳定状态，所有化学反应均达到平衡，然后通过平衡Gibbs自由能最小原理，结合气化过程质量及能量平衡方程等手段，对气化炉出口产品气组成、产率及平衡温度进行预测计算。该反应平衡模型以反应热力学为基础，不考虑气化炉的流动传热传质特性以及气化反应的过程，对碳转化率高、反应接近平衡的工况预测得比较好，而对没有达到化学平衡的工况则预测得比较差。由于平衡模型假设条件较理想，在实际应用中受各种条件限制，模型计算结果准确性与气化炉型关联度较大。整体来说，气流床模型最接近于实际值，流化床次之，而固定床由于反应温度低，反应产物复杂，结果较差[18]。

本研究采用等离子火炬产生的高温高能辅助城市垃圾气化，由于大功率等离子火炬的中心温度可高达20,000℃～30,000℃，火炬边缘温度也可达到3000℃左右，足以将垃圾完全熔融气化。因此，在等离子气化炉的高温反应体系内，垃圾的化学反应理论上可以达到反应平衡，故本文研究采用Gibbs反应器模拟等离子气化垃圾反应。

2.1.2 等离子气化原理（见图1）

图1 等离子气化炉示意图

如图1所示，等离子气化炉内从下往上可分为四个主要反应区域：熔渣区、燃烧氧化区、气化还原区和干馏干燥区。

（1）熔渣区：利用等离子炬产生的高温将垃圾等固体废物熔融形成液态熔渣，经气化炉底部激冷室激冷后形成玻璃态渣体沉积到气化炉底部的渣池中。该区域平均温度可高达1600℃以上。

（2）燃烧氧化区：气化剂（空气/氧气和蒸气）进入气化炉底部的燃烧区，与从气化炉顶部加入的垃圾迅速发生氧化反应，生成一氧化碳和二氧化碳，同时放出大量的热，反应温度在1500℃左右。

（3）气化还原区：来自燃烧区的二氧化碳和水蒸气，在气化炉中上部区域与从上部向下移动的垃圾等固体物质发生一系列吸热性气化还原反应，生成粗合成气（CO和H2为主）。该区域温度在1300℃左右。

（4）干馏干燥区：来自气化炉氧化区和还原区生成的高温合成气体与从气化炉上部加入的垃圾固体物接触，控制出气化炉合成气温度约1200℃，使湿垃圾迅速得到干馏和干燥。由于气体温度高，干馏生成的焦油等有机物将被迅速有效分解，合成气中几乎不含焦油等有机物，并且能有效避免二英的产生。

2.2 模型建立及物性方法选择

借鉴煤的气化过程分析，可将垃圾等离子气化过程理想地划分为裂解和燃烧气化两个过程[18-21]。裂解过程利用Decomp模块模拟，其是一个仅计算收率的简单反应器Ryield。Ryield的主要功能是将垃圾分解成单元素分子（纯元素C、纯元素S、H2、N2、O2、Cl2）和灰渣（Ash），并将裂解热（QDecomp）导入Gasify模块。Gasify模块采用Gibbs反应器单元进行模拟，它是一个基于Gibbs自由能最小化原理的反应器，在同时考虑热损失（QLoss）的前提下求得气化炉的出口组成（粗合成气、Ash）和温度[18]。垃圾等离子气化建模见图2。

图2 垃圾等离子气化建模示意图

用Aspen Plus 模拟计算时，物流将分为常规组分和非常规组分。对于常规组分，采用RK-Soave方程计算物质的相关热力学性质；非常规固体组分选用焓模型（HCOALGEN）和密度模型（DCOALIGT）[18，21]。

2.3 反应模拟流程图

Aspen Plus模拟流程图见图3，模型模块及用ME途LT见表1。

图3 等离子气化Aspen Plus模拟流程图

表1 Asepn Plus单元操作模型及用途

3 模拟结果分析与讨论

3.1 我国城市垃圾组成及Aspen Plus模拟条件设定

3.1.1 我国城市垃圾组成

据调查，目前我国城市垃圾平均含水率普遍在45%～55%，垃圾平均比重为0.24～0.4t/m3，垃圾收到基平均低位发热值3140～6280kJ/kg（750～1500kcal/kg）[22]。因此，本研究假定了我国三种不同热值的城市垃圾组成进行相应的模拟分析，三种不同垃圾具体的组成分析见表2所示。

表2 我国三种不同城市垃圾工业分析和元素分析

3.1.2 模拟条件设定

根据国内外等离子气化垃圾实验研究及相关文献报道，为防止焦油和二英的产生，控制气化炉出口合成气温度在1200℃左右[4，16，23]。

3.2 模拟结果分析

3.2.1 垃圾空气中燃烧

首先对垃圾在空气中的燃烧情况进行研究，结果见图4。

图4 垃圾燃烧出口烟气温度—垃圾热值关系图

从图4中可以看出，低热值垃圾无论是完全燃烧，还是过氧燃烧，随着垃圾热值的降低，其在空气中燃烧的出口烟气温度逐渐降低。若要防止燃烧过程中二英生成，满足出口烟气温度＞1200℃，则需要在空气中完全燃烧，且垃圾热值≥1250kcal/kg。

3.2.2 低热值垃圾空气气化

由于我国城市垃圾含水量普遍较高，热值偏低，为了使本模拟研究更具有普适性，选取热值为850kcal/kg的垃圾进行进一步的等离子气化模拟研究。

从上文初步的纯垃圾空气燃烧结果可知，低热值垃圾气化将满足不了垃圾处理无害化的温度要求，因此垃圾气化需要掺烧高热值的燃料，一般选用煤炭进行掺烧。根据国家环保部﹝2008﹞82号文件《关于进一步加强生物质发电项目环境影响评价管理工作的规定》，用于垃圾焚烧发电掺烧的燃煤比例≤20%，因此本文选用5000kcal/kg烟煤进行垃圾掺烧空气气化，掺烧量为入炉垃圾量的20%，气化模拟结果见图5所示。

图5 850kcal/kg城市垃圾+5000kca l/kg烟煤混合空气气化模拟结果

从图5分析可知，随着空气流量的增加，垃圾空气气化炉出口合成气温度逐渐升高，但合成气热值逐渐降低，在满足气化炉出口温度≥1200℃时，合成气的热值只有约100kcal/Nm3。由于垃圾气化产生的合成气热值较低，一般用于燃烧发电，但要满足燃气锅炉或燃气轮机的稳定燃烧，垃圾气化所得合成气的热值必须≥800kcal/Nm3。分析图5可知，在控制掺烧煤量符合国家规定的条件下，垃圾纯空气气化不能满足用于发电的合成气热值要求，需要考虑采用富氧或纯氧气化。

3.2.3 低热值垃圾富氧气化

为了同时满足垃圾处理的无害化温度要求和气化合成气用于燃烧发电的热值要求，进一步模拟研究了低热值垃圾的等离子富氧气化，模拟结果见图6。

图6 不同富氧浓度的垃圾气化模拟结果

结合图5和图6分析可知，在保证气化炉出口合成气温度在1200℃以上的前提下，随着富氧浓度的增加，合成气热值增加，在50%富氧浓度下进行垃圾气化，可以同时满足气化炉出口合成气温度≥1200℃，且出口合成气热值≥800kcal/Nm3。

4 结论与展望

借鉴煤气化的Aspen Plus模拟研究，采用Aspen Plus模拟工具对我国高含水量低热值的城市垃圾进行了等离子气化建模和模拟研究。模拟中，为防止焦油和二英的产生，实现垃圾的无害化处理，控制等离子气化炉出口合成气温度在1200℃以上，在此要求下，需要掺烧一定量的高热值燃料煤，在掺烧煤量控制在国家规定范围内时，需采用富氧空气气化，且富氧浓度在50%以上才能同时满足气化炉出口合成气温度和热值要求。

环保性是等离子气化技术的最大优势，该优势决定了其非常适用于城市垃圾的处理。等离子气化城市垃圾已在国外建立了多个示范装置和工业化装置，并获得成功运行，但由于我国城市垃圾分类难、热值低，等离子炬能耗高、等离子处理垃圾工厂的投资高等问题，影响了该技术在我国的发展。但随着我国人民生活水平的逐渐提高和环保意识的逐步增强，我国城市垃圾的分类将逐渐从源头得到解决，垃圾的热值将逐渐增加，且等离子气化技术也在不断发展完善。综合分析，等离子气化技术应用于我国城市垃圾的处理将具有较好的发展前景。

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Simulating Research on Plasma Gasification Technology of Urban Refuse

LIANG Yong-huang, ZHANG Wei-xing, YANG Ke, YOU Wei

X799.3

A

1006-5377（2014）05-0043-05