生活垃圾与生物质共热解气化过程的模拟及优化

基于Aspen Plus平台，从热平衡角度出发，结合Gibbs自由能最小化原理，模拟了生活垃圾与生物质共热解气化工艺。利用实验数据与模拟结果比较，证明了该模型可用于共气化特性预测。进一步进行了灵敏度分析，研究了不同操作条件对共气化特性的影响，结果表明：生活垃圾占比减小，气体热值和干气产率降低，气化效率提高；气化温度在750℃以前对模拟结果影响很大；水蒸气流量在0.1 kg·h−1时气化效率最高；氧气流量增加对模拟结果产生负面影响。通过总结各指标变化规律，得到了适宜的操作条件：原料混合比例取50:50，气化温度取750℃，水蒸气流量取0.1 kg·h−1，氧气流量取0.005 kg·h−1。在该条件下运行模拟，优化了模拟结果：合成气中H2为54.43%，CO为33.23%，CO2为11.77%，CH4为0.57%，低位热值为10.27 MJ·Nm−3，干气产率为1.26 Nm3·kg−1，气化效率为70.10%。

随城市现代化发展，固体废弃物产量与日俱增，据国家统计局公布，2019 年我国城市生活垃圾年排放总量高达2.4 亿吨。因此生活垃圾的处理问题迫在眉睫，而在垃圾处理的各种方法之中，燃烧法应用最为广泛，占比约为60%，但不论何种处理方法，垃圾在处理的过程中都会或多或少地造成环境污染， 所以如何将垃圾资源化、无害化处理是世界各国处理垃圾的目标之一。与此同时，能源危机和环境污染问题受到全球广泛关注。生物质能以其可储运、可再生、对环境友好等优势从中脱颖而出，成为仅次于三大化石能源的第四大能源[1]。然而生物质能量密度较低，难以充分发挥潜能，与生活垃圾联合利用可提高能量转化率，且其有机成分增加，可燃性增强。近年来快速发展的热解气化技术可以高效回收利用以上两种资源，为解决能源环境问题开辟了一条新路径。对不同操作条件进行研究，可以优化热解气化过程，考虑到实验研究的难度及成本，模拟研究成为一个很好的选择。

目前，已有诸多学者构建了准确可靠的热解气化模型，研究了不同影响因素对模拟结果引起的变化。

Naveed 等[2]开发了混合式生物质气化炉的稳态平衡模型，模型分为干燥、分解、气化三阶段，研究表明该模型可作为气化炉性能的优化工具。Begum 等[3]建立了生物质气化的综合固定床气化炉模型，采用四种不同的原料研究了空燃比和气化炉温对合成气产量的影响。Gagliano 等[4]基于质量和能量平衡模拟了下吸式气化炉中的生物质气化过程， 比较了16 组实验工况，证明了该模型能够合理预测合成气组分和热值。对生物质单组份热解气化特性的分析中，李洪亮等[5]对稻壳进行了热解气化实验，探究了不同反应温度、蒸气流量和进料速率对产气率和主要组分的影响。同样地，战庭军[6]建立高温管式炉气化设备， 研究不同生物质原料在不同气化温度下产物、温度、热值的变化规律。类似地，江龙[7]等利用固定床对谷壳进行热解气化实验，通过考察温度、水蒸气和催化剂等因素对气化焦油析出的影响。在对于生活垃圾的单组份热解气化特性的研究中，陈翀[8]模拟了生活垃圾固定床气化炉，探究进气方式、气化温度和