＊王腾起 顾一帆 潘德安 李潇

（北京工业大学循环经济研究院 北京 100124）

随着我国再生资源产业蓬勃发展，近年来涌现了众多新兴固废循环利用技术。其中，热解技术因既能保证无机有价资源的高回收率，亦能充分利用固废中的有机组分，已被应用于有机固废以及有机-无机复合固废的循环利用之中。然而，受制于热解炉的炉体大小等因素的影响，使得该类技术应用规模相对较小，如线路板、漆包线等典型复合固废的热解技术仍处于中试阶段，距离工业化阶段具有一定差距，严重制约了该类技术的推广应用[1]。

工业过程放大是指将技术从实验室规模或中试规模放大到工业化尺度，并且保证其良好性能[2]。工业过程放大也被称为反应器的放大，几乎存在于各种技术应用领域[3]。但是技术从中试至工业化应用阶段存在转化周期长、厂房及用地限制等制约因素，部分先进技术难以满足上述要求，而使得其工业化应用速度放缓[4-5]。此外，工业过程的放大常常面对各种各样的失败，关键技术经济指标下降等现象。当反应器放大中内部出现严重的温度、浓度等变化，反应器的处理量与性能将受到严重影响[6-7]。为此亟需系统构建热解技术工业化放大方法，提前预测该类技术工业化应用阶段的技术绩效，并与传统技术进行比较，以确定热解技术的应用空间。

1.工业放大理论基础

工业化放大是一个复杂过程，需要综合考量多因素的化学反应机理、反应器中的传热传质过程及其耦合机制。任何一种新技术从实验室内研究成功到实际工业规模的应用，至少需要经过如图1所示四个阶段。

图1 实验室研究到工业化应用的过程放大

为此需要正确的方法论提供支撑，传统的工业化放大理论以逐级经验放大法为主，但是随着近年来计算机科学的飞速发展，数值模拟法被越来越多的应用于技术的工业放大领域[8-9]。

(1)逐级经验放大

逐级经验放大是指将小规模试验通过多级的放大逐步地扩大至工业规模，是最为传统的方法[10]。该方法是根据上一级的试验结果和技术参数为基础，建立稍大规模的试验线，通过不断的试错获得最优结果。然而，逐级经验放大不关注化学反应机理与物理传递规律，忽略操作系数与反应器几何参数之间的关系，且多采用线性外推进行预测计算，不但与实际工业数值偏差较大，而且开发周期漫长，需要消耗大量的人力和物力等。

(2)数值模拟放大

随着计算流体力学（Computational Fluid Dynamics，CFD）和流程模拟的发展，数值模拟的理论体系逐步完善，被愈来愈多的应用于工业过程的仿真与放大[10]。CFD可以对流体流场进行系统的分析和优化，而不需要干扰流动本身，还能在测量仪器无法监测的位置模拟计算变量，这些在传统的实验技术中很难实现[11]。流程模拟本质是根据工业化生产过程，以数学模型描绘多个单元操作组成的产品过程，仿真具体的制造流程，并在软件中利用改变技术的结果因子来获取所要求的成果，不但能够节省时间，还能够节约大量的投资。目前的数值模拟方法大多依托计算机仿真模拟软件完成，其中以Fluent求解CFD问题的流体模拟以及基于Aspen Plus进行的化工流程模拟较为常见。

①Fluent流体模拟

使用Fluent求解CFD问题的流程顺序为预处理，求解和后处理[12]。在预处理阶段，构建计算域的几何模型，然后划分网格，将相应的流体体积划分为离散的单元，定义流体属性、物理模型和边界条件来建立数学求解模型。求解阶段，需要定义仿真的边界条件，并将时间离散为时间步长。使用适当的离散化和数值算法迭代求解方程，最后在后处理阶段进行结果分析和结果的可视化[13]。

②Aspen Plus流程模拟

使用Aspen Plus进行模拟从建模以及组分设定开始，之后需要选择合适的物性方法。RK-Soave立方状态方程特别适用于烟气处置、炼油和石油化工领域，使用该模型模拟热解技术需要对原材料进行元素分析和工业分析，因为原材料是非常规组分，所使用的数据通常需要使用中试平台实际检测数据。

2.技术工业过程放大方法研究进展

近年来，已有国内外学者在多领域围绕如何将实验室规模、中试规模的技术放大到工业化阶段开展了大量研究。首先需要对技术放大过程的资源、环境、经济或安全等属性进行预评估，但是在围绕热解领域的相关研究目前在业内仍相对较少，因此选取部分其它领域的典型案例作为参考。

Thonemann等将前瞻性的生命周期评价法应用于新兴的生产技术，辅助其从实验室规模放大到工业规模。在考虑了不同反应器设计的情况下，将所开发的实现预期生命周期评价法的四步方法应用于超临界CO2生产电化学甲酸技术。结果显示，在15个指标中有14个指标表明扩大生产规模对环境的影响较低，间歇反应器的放大比连续反应器的放大影响更大[14]。La等评估了用一种新型聚合物作为水泥的替代品，从实验室阶段放大到工业化阶段后对建筑业的环境影响、能源消耗、以及经济效益的变化。结果发现该技术在放大后更加环保、能源消耗更低、并能节省更多的资金[15]。Favi等以洗衣机工厂为案例，提出了一种以用于工业化阶段的生命周期评价方法，以表征不同过程的资源消耗与环境影响，可以用于比较替代技术或进行环境的经济性分析，通过量化指标提出有效的改进策略，推动制造业可持续发展[16]。Kaniapipian等提出一种新的数据驱动放大模型，用于支撑工业规模扩大。基于DES软件和多目标遗传算法识别潜在的系统配置，提供最佳扩大关键绩效指标。在优化研究中，考虑了放大成本和生产量并将该方法用于某电池装配试验线，结果表明该方法有助于选择合适的系统配置和设计，节省了大量的时间、成本和精力[17]。

其次需要对技术放大过程的工艺变化条件进行模拟研究。Proch等按比例放大构建了用于废轮胎热解的回转窑二维流体仿真模型，研究工业化放大过程中的温度与质量变化，结果表明随着床面颗粒质量的增加，回转窑的设计需要增大倾斜度，但旋转速度可以保持不变。仿真结果与实验测量结果进行了成功的验证[18]。Lan等基于CFD-DEM仿真模型，研究连续运行的多室流化床的放大效应，研究表明增加流化床的尺寸长度时，物料在炉体内的停留时间随之增长，而当进料率随着设备长度的增加而线性增加时，物料的平均停留时间呈下降趋势[19]。Cui等基于Eulerian-Lagrangian方法，对实验室规模、中试规模和工业规模的S-CO2CFB锅炉（0.1MW至600MW）进行了3D CFD模拟。从炉体结构、气固流动力学、燃烧特性、传热特性、气体排放特性和锅炉效率等角度全面讨论了放大规律的拟合公式。

范宏刚等指出基于Aspen Plus软件搭建的热解气化流程仿真模型能够较为贴合实际地还原实际的热解气化过程，对热解技术的放大过程具有较高的参考价值。但还需加强机理研究，进一步优化流程仿真模型，获得更接近实际值的模拟案例[20]。Ismail等人建立了废轮胎热解流程动力学模型，对各种参与的反应的动力学速率参数进行估计，实现了C1-C25的热解碳氢化合物产物，包括芳烃和H2S、CO和CO2等气体排放，并对全过程的能量平衡进行分析，确定了最佳反应条件[21]。Puig-Gamero等人建立了基于流化床反应器的热解流程模拟模型，并基于大量实验数据进行校准和验证，结果发现预测精度高于95.6%，热解油的浓度会随着温度以及原料颗粒的直径增加而降低[22]。

总的来说，热解过程极其复杂，很难用反应方程来描述，用Fluent模拟热解过程较为困难，因为对不同工段进行模拟时需要分别建模、划分网格并进行计算，不但耗费大量精力与计算资源，而且不同工段之间的数据进行耦合也是需要解决的难题。在利用Aspen Plus对热解流程进行仿真时，通常将整个技术流程分为干燥、热解、分离、烟气处置、物料冷却等单元，主要考虑的是整个反应过程中结构与参数合理性，相对于Fluent仿真更为简单有效，但是Aspen Plus流程仿真对关键工艺参数的获取需要建立在诸多假设的基础上等，用于工业规模放大时可能会存在失真的可能，精度难以保证。近年来国内外已有学者尝试将两款仿真工具结合进一步挖掘技术改进的潜力，在对某热工装备的设计优化中，验证了基于Aspen与Fluent结合使用，可以提出更加节能环保且经济性更好的优化方案[23]。Aspen Plus和Fluent均可以实现对热解过程的模拟，因此本文提出了将Aspen Plus和Fluent两种仿真模型的耦合机制，既能提高模拟精度，降低计算资源消耗，还能减少耗时耗力。

采用Aspen Plus计算热解气的热物性参数，作为初始条件输入Fluent，模拟与工业条件基本一致的情况下物料以及炉体内的温度与压力分布情况，使用流体仿真可以精确预测流程仿真中所需要的温度、流量等关键工艺参数。在假定不同规模的热解设备热解率始终可以保持不变的前提下，使用Aspen Plus模拟热解技术全流程中还涉及到的冷却单元、烟气处置单元等，以实现更加精准，范围更广的工业化放大。

3.结论

综上，为缓解工业放大领域经验盛行的现状，近年来数值模拟放大法因其省时省力、节约投资、预测精度高等优势得到愈发广泛的应用。因单一模拟仿真工具的应用尚存在诸多弊端，所以亟需进一步推进多种数值仿真方法的集成应用，构建更加系统全面适用领域广的热解技术工业化放大方法，开发涵盖资源、环境、经济或安全等多维属性的预评价模型，引导再生资源循环利用业绿色高质量发展。