熱解技術工業化放大方法研究進展

＊王騰起 顧一帆 潘德安 李瀟

（北京工業大學循環經濟研究院 北京 100124）

隨著我國再生資源產業蓬勃發展，近年來涌現了眾多新興固廢循環利用技術。其中，熱解技術因既能保證無機有價資源的高回收率，亦能充分利用固廢中的有機組分，已被應用于有機固廢以及有機-無機復合固廢的循環利用之中。然而，受制于熱解爐的爐體大小等因素的影響，使得該類技術應用規模相對較小，如線路板、漆包線等典型復合固廢的熱解技術仍處于中試階段，距離工業化階段具有一定差距，嚴重制約了該類技術的推廣應用[1]。

工業過程放大是指將技術從實驗室規模或中試規模放大到工業化尺度，并且保證其良好性能[2]。工業過程放大也被稱為反應器的放大，幾乎存在于各種技術應用領域[3]。但是技術從中試至工業化應用階段存在轉化周期長、廠房及用地限制等制約因素，部分先進技術難以滿足上述要求，而使得其工業化應用速度放緩[4-5]。此外，工業過程的放大常常面對各種各樣的失敗，關鍵技術經濟指標下降等現象。當反應器放大中內部出現嚴重的溫度、濃度等變化，反應器的處理量與性能將受到嚴重影響[6-7]。為此亟需系統構建熱解技術工業化放大方法，提前預測該類技術工業化應用階段的技術績效，并與傳統技術進行比較，以確定熱解技術的應用空間。

1.工業放大理論基礎

工業化放大是一個復雜過程，需要綜合考量多因素的化學反應機理、反應器中的傳熱傳質過程及其耦合機制。任何一種新技術從實驗室內研究成功到實際工業規模的應用，至少需要經過如圖1所示四個階段。

圖1 實驗室研究到工業化應用的過程放大

為此需要正確的方法論提供支撐，傳統的工業化放大理論以逐級經驗放大法為主，但是隨著近年來計算機科學的飛速發展，數值模擬法被越來越多的應用于技術的工業放大領域[8-9]。

(1)逐級經驗放大

逐級經驗放大是指將小規模試驗通過多級的放大逐步地擴大至工業規模，是最為傳統的方法[10]。該方法是根據上一級的試驗結果和技術參數為基礎，建立稍大規模的試驗線，通過不斷的試錯獲得最優結果。然而，逐級經驗放大不關注化學反應機理與物理傳遞規律，忽略操作系數與反應器幾何參數之間的關系，且多采用線性外推進行預測計算，不但與實際工業數值偏差較大，而且開發周期漫長，需要消耗大量的人力和物力等。

(2)數值模擬放大

隨著計算流體力學（Computational Fluid Dynamics，CFD）和流程模擬的發展，數值模擬的理論體系逐步完善，被愈來愈多的應用于工業過程的仿真與放大[10]。CFD可以對流體流場進行系統的分析和優化，而不需要干擾流動本身，還能在測量儀器無法監測的位置模擬計算變量，這些在傳統的實驗技術中很難實現[11]。流程模擬本質是根據工業化生產過程，以數學模型描繪多個單元操作組成的產品過程，仿真具體的制造流程，并在軟件中利用改變技術的結果因子來獲取所要求的成果，不但能夠節省時間，還能夠節約大量的投資。目前的數值模擬方法大多依托計算機仿真模擬軟件完成，其中以Fluent求解CFD問題的流體模擬以及基于Aspen Plus進行的化工流程模擬較為常見。

①Fluent流體模擬

使用Fluent求解CFD問題的流程順序為預處理，求解和后處理[12]。在預處理階段，構建計算域的幾何模型，然后劃分網格，將相應的流體體積劃分為離散的單元，定義流體屬性、物理模型和邊界條件來建立數學求解模型。求解階段，需要定義仿真的邊界條件，并將時間離散為時間步長。使用適當的離散化和數值算法迭代求解方程，最后在后處理階段進行結果分析和結果的可視化[13]。

②Aspen Plus流程模擬

使用Aspen Plus進行模擬從建模以及組分設定開始，之后需要選擇合適的物性方法。RK-Soave立方狀態方程特別適用于煙氣處置、煉油和石油化工領域，使用該模型模擬熱解技術需要對原材料進行元素分析和工業分析，因為原材料是非常規組分，所使用的數據通常需要使用中試平臺實際檢測數據。

2.技術工業過程放大方法研究進展

近年來，已有國內外學者在多領域圍繞如何將實驗室規模、中試規模的技術放大到工業化階段開展了大量研究。首先需要對技術放大過程的資源、環境、經濟或安全等屬性進行預評估，但是在圍繞熱解領域的相關研究目前在業內仍相對較少，因此選取部分其它領域的典型案例作為參考。

Thonemann等將前瞻性的生命周期評價法應用于新興的生產技術，輔助其從實驗室規模放大到工業規模。在考慮了不同反應器設計的情況下，將所開發的實現預期生命周期評價法的四步方法應用于超臨界CO2生產電化學甲酸技術。結果顯示，在15個指標中有14個指標表明擴大生產規模對環境的影響較低，間歇反應器的放大比連續反應器的放大影響更大[14]。La等評估了用一種新型聚合物作為水泥的替代品，從實驗室階段放大到工業化階段后對建筑業的環境影響、能源消耗、以及經濟效益的變化。結果發現該技術在放大后更加環保、能源消耗更低、并能節省更多的資金[15]。Favi等以洗衣機工廠為案例，提出了一種以用于工業化階段的生命周期評價方法，以表征不同過程的資源消耗與環境影響，可以用于比較替代技術或進行環境的經濟性分析，通過量化指標提出有效的改進策略，推動制造業可持續發展[16]。Kaniapipian等提出一種新的數據驅動放大模型，用于支撐工業規模擴大。基于DES軟件和多目標遺傳算法識別潛在的系統配置，提供最佳擴大關鍵績效指標。在優化研究中，考慮了放大成本和生產量并將該方法用于某電池裝配試驗線，結果表明該方法有助于選擇合適的系統配置和設計，節省了大量的時間、成本和精力[17]。

其次需要對技術放大過程的工藝變化條件進行模擬研究。Proch等按比例放大構建了用于廢輪胎熱解的回轉窯二維流體仿真模型，研究工業化放大過程中的溫度與質量變化，結果表明隨著床面顆粒質量的增加，回轉窯的設計需要增大傾斜度，但旋轉速度可以保持不變。仿真結果與實驗測量結果進行了成功的驗證[18]。Lan等基于CFD-DEM仿真模型，研究連續運行的多室流化床的放大效應，研究表明增加流化床的尺寸長度時，物料在爐體內的停留時間隨之增長，而當進料率隨著設備長度的增加而線性增加時，物料的平均停留時間呈下降趨勢[19]。Cui等基于Eulerian-Lagrangian方法，對實驗室規模、中試規模和工業規模的S-CO2CFB鍋爐（0.1MW至600MW）進行了3D CFD模擬。從爐體結構、氣固流動力學、燃燒特性、傳熱特性、氣體排放特性和鍋爐效率等角度全面討論了放大規律的擬合公式。

范宏剛等指出基于Aspen Plus軟件搭建的熱解氣化流程仿真模型能夠較為貼合實際地還原實際的熱解氣化過程，對熱解技術的放大過程具有較高的參考價值。但還需加強機理研究，進一步優化流程仿真模型，獲得更接近實際值的模擬案例[20]。Ismail等人建立了廢輪胎熱解流程動力學模型，對各種參與的反應的動力學速率參數進行估計，實現了C1-C25的熱解碳氫化合物產物，包括芳烴和H2S、CO和CO2等氣體排放，并對全過程的能量平衡進行分析，確定了最佳反應條件[21]。Puig-Gamero等人建立了基于流化床反應器的熱解流程模擬模型，并基于大量實驗數據進行校準和驗證，結果發現預測精度高于95.6%，熱解油的濃度會隨著溫度以及原料顆粒的直徑增加而降低[22]。

總的來說，熱解過程極其復雜，很難用反應方程來描述，用Fluent模擬熱解過程較為困難，因為對不同工段進行模擬時需要分別建模、劃分網格并進行計算，不但耗費大量精力與計算資源，而且不同工段之間的數據進行耦合也是需要解決的難題。在利用Aspen Plus對熱解流程進行仿真時，通常將整個技術流程分為干燥、熱解、分離、煙氣處置、物料冷卻等單元，主要考慮的是整個反應過程中結構與參數合理性，相對于Fluent仿真更為簡單有效，但是Aspen Plus流程仿真對關鍵工藝參數的獲取需要建立在諸多假設的基礎上等，用于工業規模放大時可能會存在失真的可能，精度難以保證。近年來國內外已有學者嘗試將兩款仿真工具結合進一步挖掘技術改進的潛力，在對某熱工裝備的設計優化中，驗證了基于Aspen與Fluent結合使用，可以提出更加節能環保且經濟性更好的優化方案[23]。Aspen Plus和Fluent均可以實現對熱解過程的模擬，因此本文提出了將Aspen Plus和Fluent兩種仿真模型的耦合機制，既能提高模擬精度，降低計算資源消耗，還能減少耗時耗力。

采用Aspen Plus計算熱解氣的熱物性參數，作為初始條件輸入Fluent，模擬與工業條件基本一致的情況下物料以及爐體內的溫度與壓力分布情況，使用流體仿真可以精確預測流程仿真中所需要的溫度、流量等關鍵工藝參數。在假定不同規模的熱解設備熱解率始終可以保持不變的前提下，使用Aspen Plus模擬熱解技術全流程中還涉及到的冷卻單元、煙氣處置單元等，以實現更加精準，范圍更廣的工業化放大。

3.結論

綜上，為緩解工業放大領域經驗盛行的現狀，近年來數值模擬放大法因其省時省力、節約投資、預測精度高等優勢得到愈發廣泛的應用。因單一模擬仿真工具的應用尚存在諸多弊端，所以亟需進一步推進多種數值仿真方法的集成應用，構建更加系統全面適用領域廣的熱解技術工業化放大方法，開發涵蓋資源、環境、經濟或安全等多維屬性的預評價模型，引導再生資源循環利用業綠色高質量發展。