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基于Aspen Plus的MSW气化熔融工艺全流程模拟研究

吴松 党文波 史晓军 李文健 袁淑霞 樊玉光

吴松,党文波,史晓军,等.基于Aspen Plus的MSW气化熔融工艺全流程模拟研究[J].环境工程技术学报,2024,14(1):184-193 doi: 10.12153/j.issn.1674-991X.20230349
引用本文: 吴松,党文波,史晓军,等.基于Aspen Plus的MSW气化熔融工艺全流程模拟研究[J].环境工程技术学报,2024,14(1):184-193 doi: 10.12153/j.issn.1674-991X.20230349
WU S,DANG W B,SHI X J,et al.Whole process simulation of MSW gasification and melting system based on Aspen Plus[J].Journal of Environmental Engineering Technology,2024,14(1):184-193 doi: 10.12153/j.issn.1674-991X.20230349
Citation: WU S,DANG W B,SHI X J,et al.Whole process simulation of MSW gasification and melting system based on Aspen Plus[J].Journal of Environmental Engineering Technology,2024,14(1):184-193 doi: 10.12153/j.issn.1674-991X.20230349

基于Aspen Plus的MSW气化熔融工艺全流程模拟研究

doi: 10.12153/j.issn.1674-991X.20230349
基金项目: 陕西省自然科学基础研究计划项目(2023-JC-QN-0609);中国石油天然气股份有限公司重大科技攻关项目(2019E-25);陕西省教育厅科研计划项目(21JK0838)
详细信息
    作者简介:

    吴松(1988—),男,讲师,博士,研究方向为固体燃料清洁高效燃烧及燃烧设备开发,songwu@xsyu.edu.cn

  • 中图分类号: X705

Whole process simulation of MSW gasification and melting system based on Aspen Plus

  • 摘要:

    城市固体废物(MSW)气化熔融工艺能够减少二噁英的生成和熔融固化重金属,是一种清洁高效的固体废物处理方式。已有研究多针对MSW的热解特性以及污染物的生成与排放,而对气化熔融工艺系统模块之间的影响和各反应器间物质流、能量流的联动变化过程研究不足。利用Aspen Plus模拟平台,基于吉布斯自由能最小化原理,对MSW气化熔融工艺进行了全流程模拟研究,分析了垃圾干燥温度、垃圾含水率、气化温度、气化介质以及灰熔点对工艺流程节点参数、物质流和能量流的影响,并提出了优化的工艺流程和运行参数。结果表明:在垃圾热解模拟时,垃圾含水率为9%,通过烟气循环能达到能量自给;在相同条件下,以水蒸气作为气化介质的气化效率最高,且在气化温度为850 ℃,水蒸气当量比为50%时,达到最佳工艺效果;当气化后产生的焦炭在熔融炉内燃烧刚满足灰熔点温度时,灰熔点的升高使气化剂比例、气化气有效气体摩尔流量和碳转化率不断降低。不同工况下的物质流、能量流的变化对实际工程具有指导意义。

     

  • 图  1  MSW气化熔融处理系统示意

    Figure  1.  Schematic diagram of MSW gasification and melting treatment system

    图  2  MSW气化熔融工艺流程模型

    Figure  2.  MSW gasification and melting process model

    图  3  垃圾含水率与干燥温度对流程的影响

    Figure  3.  Influence of waste moisture content and drying temperature on the process

    图  4  气化温度对流程的影响

    Figure  4.  Effect of the gasification temperature on the flow process

    图  5  水蒸气占比对流程的影响

    Figure  5.  Effect of water vapor ratio column on the flow process

    图  6  灰熔点对流程的影响

    Figure  6.  Effect of ash melting point on the process

    表  1  Aspen Plus中部分常用单元

    Table  1.   Some commonly used units in Aspen Plus

    单元模块模块名称用途适用条件
    Flash2分流器把入口物流分成多个规定的出口物流用于水蒸气与固体分离
    SSplit分流器把每个入口子物流分成多个规定的出口物流分流器,流体固体分离器
    Mixer股流混合器把多个股流混合成一个股流股流混合器
    RStoic化学计量反应器具有规定反应程度和转化率的化学计量反应器模型用于模拟单一或多个反应的反应器
    RYield收率反应器具有规定收率的反应器模型只考虑质量平衡而不考虑元素平衡的反应器
    RGibbs吉布斯自由能最小的平衡反应器通过吉布斯自由能最小化实现化学和相平衡化学平衡和相平衡同时发生的反应器
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    表  2  MSW的工业分析和元素分析

    Table  2.   Industrial analysis and elemental analysis of MSW % 

    工业分析 元素分析
    Mar Vd ASHd FCd Cd Hd Od Nd Sd Cld
    50.78 58.10 30.52 11.38 40.56 4.69 21.15 0.98 1.74 0.36
      注:M为水分,V为挥发分,ASH为灰分,FC为固定碳;下标ar为收到基,d为干燥基。
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    表  3  主要的还原反应和氧化反应

    Table  3.   Major reduction and oxidation reactions

    序号 化学反应 反应热(ΔH)/(MJ/kmol) 反应类型
    R1 C+CO2→2CO 172 还原反应
    R2 C+H2O→CO+H2 131
    R3 CO+H2O→CO2+H2 −41
    R4 CH4+H2O→CO+3H2 206
    R5 CO+3H2→CH4+H2O −227
    R6 C+2H2→CH4 −75
    R7 C+1/2O2→ CO −111 氧化反应
    R8 CO+1/2O2→CO2 −283
    R9 C+O2→CO2 −394
    R10 H2+1/2O2→H2O −242
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    表  4  热解气化模拟结果与试验数据对比

    Table  4.   Comparison of pyrolysis and gasification simulation results and experimental data

    气化气组分各组分所占气化气体积分数/%相对误差/%
    模拟数据试验数据[24]
    H243.1641.364.35
    CO23.5223.340.77
    CO213.8614.776.16
    CH417.7318.664.98
    C2H41.241.347.46
    C2H60.490.537.54
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    表  5  气化介质工况

    Table  5.   Working conditions of gasification media % 

    工况气化介质占比
    水蒸气CO2烟气
    110000
    201000
    360400
    460040
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    表  6  不同气化剂对气化气特性的影响

    Table  6.   Effect of different gasification agents on gasification gas characteristics

    工况气化剂种类气化气组分占比/%热值/
    (MJ/m3)
    H2OH2COCO2CH4
    1水蒸气1.6255.8540.601.110.8211.46
    2CO21.8346.3248.762.630.6911.41
    3水蒸气和CO21.6652.4743.601.550.7211.43
    4水蒸气和烟气1.8154.6240.492.380.7011.26
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  • [1] 国家统计局. 中国统计年鉴[M]. 北京: 中国统计出版社, 2022.
    [2] 杨小妮, 张凯轩, 杨宏刚, 等. 西安市城市生活垃圾产生量的多元回归及ARIMA模型预测[J]. 环境卫生工程,2020,28(2):37-41. doi: 10.19841/j.cnki.hjwsgc.2020.02.008

    YANG X N, ZHANG K X, YANG H G, et al. Multiple regression and ARIMA model prediction on the yield of MSW in Xi'an[J]. Environmental Sanitation Engineering,2020,28(2):37-41. doi: 10.19841/j.cnki.hjwsgc.2020.02.008
    [3] KARAK T, BHAGAT R M, BHATTACHARYYA P. Municipal solid waste generation, composition, and management: the world scenario[J]. Critical Reviews in Environmental Science and Technology,2012,42(15):1509-1630. doi: 10.1080/10643389.2011.569871
    [4] 朱铭珠, 杨延梅, 徐亚, 等. 填埋场防渗系统高密度聚乙烯膜漏洞修补技术探析[J]. 环境工程技术学报,2022,12(5):1647-1652. doi: 10.12153/j.issn.1674-991X.20210640

    ZHU M Z, YANG Y M, XU Y, et al. Discussion on repair technologies of high-density polyethylene membrane leaks in landfill anti-seepage system[J]. Journal of Environmental Engineering Technology,2022,12(5):1647-1652. doi: 10.12153/j.issn.1674-991X.20210640
    [5] 吴昊, 刘宏博, 田书磊, 等. 城市生活垃圾焚烧飞灰利用处置现状及环境管理[J]. 环境工程技术学报,2021,11(5):1034-1040. doi: 10.12153/j.issn.1674-991X.20210083

    WU H, LIU H B, TIAN S L, et al. Current situation for utilization and disposal and environmental management of fly ash from municipal solid waste incineration[J]. Journal of Environmental Engineering Technology,2021,11(5):1034-1040. doi: 10.12153/j.issn.1674-991X.20210083
    [6] 张明远, 万新. 冶金高炉高温熔融处理垃圾飞灰[J]. 环境工程学报,2012,6(8):2859-2864.

    ZHANG M Y, WAN X. High-temperature melting treatment of fly ash by blast furnace[J]. Techniques and Equipment for Environmental Pollution Control,2012,6(8):2859-2864.
    [7] 武建业. 城市生活垃圾焚烧处理技术综述[J]. 甘肃科技,2020,36(5):22-26. doi: 10.3969/j.issn.1000-0952.2020.05.010

    WU J Y. Summary of incineration treatment technology of municipal solid waste[J]. Gansu Science and Technology,2020,36(5):22-26. doi: 10.3969/j.issn.1000-0952.2020.05.010
    [8] 曲金星. 水分对城市生活垃圾热解气化特性影响的试验研究[D]. 杭州: 浙江大学, 2007.
    [9] LIN C J, ZHANG J, ZHAO P T, et al. Gasification of real MSW-derived hydrochar under various atmosphere and temperature[J]. Thermochimica Acta,2020,683:178470. doi: 10.1016/j.tca.2019.178470
    [10] 刘雨豪. 垃圾低温热解特性的模拟研究以及全生命周期分析[D]. 武汉: 华中科技大学, 2019.
    [11] 别如山, 张庆红, 惠阳. 垃圾焚烧飞灰旋风炉高温熔融试验研究[J]. 工业锅炉,2009(4):1-4. doi: 10.3969/j.issn.1004-8774.2009.04.001

    BIE R S, ZHANG Q H, HUI Y. Test study on fly ash from MSWI molten at high temperature in cyclone furnace[J]. Industrial Boiler,2009(4):1-4. doi: 10.3969/j.issn.1004-8774.2009.04.001
    [12] NATARIANTO I, SAVEED M, AJAY K, et al. Modeling low temperature plasma gasification of municipal solid waste[J]. Environmental Technology & Innovation,2019,15:100412.
    [13] 熊杰明, 李江保. 化工流程模拟Aspen Plus实例教程[M]. 2版. 北京: 化学工业出版社, 2016.
    [14] DUAN W J, YU Q B, WANG K, et al. ASPEN Plus simulation of coal integrated gasification combined blast furnace slag waste heat recovery system[J]. Energy Conversion and Management,2015,100:30-36. doi: 10.1016/j.enconman.2015.04.066
    [15] RUDRA S, TESFAGABER Y K. Future district heating plant integrated with municipal solid waste (MSW) gasification for hydrogen production[J]. Energy,2019,180:881-892. doi: 10.1016/j.energy.2019.05.125
    [16] TUNGALAG A, LEE B, YADAV M, et al. Yield prediction of MSW gasification including minor species through ASPEN plus simulation[J]. Energy,2020,198:117296. doi: 10.1016/j.energy.2020.117296
    [17] AVDHESH K, SHARMA. Equilibrium modeling of global reduction reactions for a downdraft (biomass) gasifier[J]. Enconman,2008,49(4):832-842.
    [18] WANG H M, REN R W, LIU B J, et al. Hydrogen production with an auto-thermal MSW steam gasification and direct melting system: a process modeling[J]. International Journal of Hydrogen Energy,2022,47(10):6508-6518. doi: 10.1016/j.ijhydene.2021.12.009
    [19] 郝彦龙, 侯成林, 付丽霞, 等. 生活垃圾无害化处理工程设计实例[J]. 环境工程,2020,38(2):135-139. doi: 10.13205/j.hjgc.202002019

    HAO Y L, HOU C L, FU L X, et al. Engineering design of a municipal solid waste disposal project[J]. Environmental Engineering,2020,38(2):135-139. doi: 10.13205/j.hjgc.202002019
    [20] KECHE A J, GADDALE A P R, TATED R G. Simulation of biomass gasification in downdraft gasifier for different biomass fuels using ASPEN PLUS[J]. Clean Technologies and Environmental Policy,2015,17(2):465-473. doi: 10.1007/s10098-014-0804-x
    [21] 郑志行, 张家元, 李俊宇, 等. 下吸式固定床的生物质O2/CO2分段气化流程模拟[J]. 太阳能学报,2022,43(6):239-245.

    ZHENG Z H, ZHANG J Y, LI J Y, et al. Process simulation of biomass O2/CO2 staged gasification in downdraft fixed bed[J]. Acta Energiae Solaris Sinica,2022,43(6):239-245.
    [22] 孙兰义. 化工过程模拟实训: Aspen Plus教程[M]. 2版. 北京: 化学工业出版社, 2017.
    [23] RENGANATHAN T, YADAV M V, PUSHPAVANAM S, et al. CO2 utilization for gasification of carbonaceous feedstocks: a thermodynamic analysis[J]. Chemical Engineering Science,2012,83:159-170. doi: 10.1016/j.ces.2012.04.024
    [24] 潘春鹏. 生活垃圾固定床热解气化的实验研究[D]. 杭州: 浙江大学, 2012.
    [25] 李志, 杜学森, 汪宇, 等. 低温等离子体催化水煤气变换反应: 催化剂载体的影响[J]. 工程热物理学报,2022,43(8):2202-2211.

    LI Z, DU X S, WANG Y, et al. Water gas shift reaction by non-thermal plasma-catalysis: effect of catalyst supports[J]. Journal of Engineering Thermophysics,2022,43(8):2202-2211.
    [26] 窦明辉, 孙洋, 韩嘉伟, 等. 焦炭在H2O+CO2气氛中的溶损反应特性[J]. 钢铁,2022,57(7):26-33.

    DOU M H, SUN Y, HAN J W, et al. Solution loss characteristics of cokes in H2O+CO2 atmosphere[J]. Iron & Steel,2022,57(7):26-33.
    [27] 王超, 王华, 刘颖琳, 等. 煤灰主要成分与流动温度关系预测[J]. 山东电力技术,2019,46(12):72-75. doi: 10.3969/j.issn.1007-9904.2019.12.015

    WANG C, WANG H, LIU Y L, et al. Prediction of relationship between main components of coal ash and flow temperature[J]. Shandong Electric Power,2019,46(12):72-75. □ doi: 10.3969/j.issn.1007-9904.2019.12.015
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出版历程
  • 收稿日期:  2023-05-09
  • 录用日期:  2023-09-26
  • 修回日期:  2023-09-19

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