中藥渣協(xié)同熱解物質(zhì)流和能量流分析

魏楚韻, 張金泰, 劉國(guó)慶, 黃子瑞, 王柏淳, 楊海微, 周愛(ài)姣

(華中科技大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院, 湖北 武漢 430074)

0 引 言

熱解技術(shù)可用于農(nóng)林廢棄物的能源轉(zhuǎn)化利用[1],替代化石燃料并減少碳排放。其中,熱解炭化是生物質(zhì)熱解重要的利用方式之一。已有研究往往針對(duì)單一生物質(zhì)廢物開(kāi)展不同熱解條件下的產(chǎn)物特性、模塊動(dòng)力學(xué)規(guī)律研究,而面向多源生物質(zhì)廢物協(xié)同熱解工藝物質(zhì)轉(zhuǎn)化規(guī)律和能效特征等模擬研究較為鮮見(jiàn)。近年來(lái)我國(guó)出臺(tái)了一系列加強(qiáng)固體廢物綜合治理的相關(guān)政策措施,并趨向于資源化、規(guī)模化、園區(qū)化協(xié)同處理[2],通過(guò)物質(zhì)流模擬和分析可有效提升多源固廢協(xié)同利用的效率,基于物質(zhì)代謝理論和方法,進(jìn)行物質(zhì)流和能量流分析,解析系統(tǒng)能耗及能效并進(jìn)行優(yōu)化[3]。

中藥渣是中醫(yī)藥生產(chǎn)企業(yè)排放的固體廢物,且隨著中藥行業(yè)的持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展,中藥渣產(chǎn)生量日益增加,年產(chǎn)量達(dá)6 000～7 000萬(wàn)噸[4],如何對(duì)這類廢棄物進(jìn)行妥善處理和綜合利用是中藥行業(yè)可持續(xù)發(fā)展面臨的突出難題。中藥渣一般屬于生物質(zhì)類有機(jī)固廢,有一定資源化利用價(jià)值,可通過(guò)熱解生產(chǎn)固體(焦炭)[5]。本文以湖北省某地中藥產(chǎn)業(yè)為例,選取了廢棄量較大的大血藤類中藥材藥渣,擬將其摻入原有的熱解炭化系統(tǒng)與農(nóng)林源廢棄松木進(jìn)行協(xié)同處理,以期實(shí)現(xiàn)其高附加值資源化利用。

由于熱解過(guò)程十分復(fù)雜,實(shí)驗(yàn)室研究難以準(zhǔn)確對(duì)熱解過(guò)程進(jìn)行物料和能量的衡算[6],不利于指導(dǎo)熱解工藝并進(jìn)行過(guò)程優(yōu)化,但可借助軟件進(jìn)行仿真模擬并優(yōu)化工藝生產(chǎn),其中比較成熟的工業(yè)模擬軟件主要有OpenFOAM(OpenCFD公司)、GMD-Reax(中科院過(guò)程工程研究所)和Aspen Plus(AspenTech公司)[7]。其中Aspen Plus是一個(gè)工藝流程穩(wěn)態(tài)模擬和優(yōu)化的大型通用系統(tǒng),因其具有完善的數(shù)據(jù)庫(kù)、動(dòng)力學(xué)模型、熱力學(xué)模型等優(yōu)勢(shì),在固廢處理和資源化領(lǐng)域的過(guò)程模擬中被廣泛采用,如張?zhí)僭猍8]對(duì)生活垃圾熱解氣化過(guò)程進(jìn)行了模擬及優(yōu)化;HUANG等[9]進(jìn)行了生物質(zhì)(松木)熱解氣化的模擬研究,并確定了最佳工藝參數(shù);此外,國(guó)外DE ANDRé等[10]對(duì)污泥流化床氣化過(guò)程進(jìn)行建模,模擬了不同氣化條件下的氣相組分、碳轉(zhuǎn)化率和冷氣效率。但研究者對(duì)于有機(jī)固廢熱解炭化的研究較少[11-12],本文基于實(shí)際企業(yè)使用廢棄松木熱解制備生物炭的生產(chǎn)過(guò)程,利用Aspen Plus建立熱解炭化仿真模型,將工業(yè)源的大血藤中藥渣適量摻入進(jìn)行二源廢棄物的協(xié)同熱解,探究不同工藝條件和參數(shù)下協(xié)同熱解的物質(zhì)轉(zhuǎn)化及能量流動(dòng)規(guī)律,并評(píng)估其能效特征,為協(xié)同熱解制炭工藝優(yōu)化、提高生物質(zhì)利用率提供科學(xué)依據(jù)。

1 仿真模型構(gòu)建

1.1 熱解制炭工藝流程

湖北某市利用農(nóng)林源廢棄物進(jìn)行熱解制炭,用于售賣,以實(shí)現(xiàn)資源回收。其工藝流程先將廢棄松木輸入干燥機(jī),由后續(xù)熱解爐的中溫?zé)煔夤?干燥后再進(jìn)入熱解爐,由高溫?zé)煔夤?高溫?zé)煔鈦?lái)自熱風(fēng)爐燃燒熱解產(chǎn)生的揮發(fā)分,熱解產(chǎn)生的生物質(zhì)炭經(jīng)冷卻后統(tǒng)一收集,生產(chǎn)流程如圖1所示。其中,熱解炭化主要分為三個(gè)階段[13]:(1)干燥階段,原料中水分蒸發(fā)溢出,幾乎未發(fā)生原料組分的化學(xué)變化。(2)熱解階段,生物質(zhì)分解,化學(xué)鍵斷裂、重組,產(chǎn)生各類有機(jī)揮發(fā)分,生成生物質(zhì)炭。(3)燃燒階段,產(chǎn)生的揮發(fā)分作為燃料燃燒生成高溫?zé)煔狻?/p>

圖1 生物質(zhì)熱解工藝流程示意圖Fig. 1 Schematic diagram of biomass pyrolysis process

1.2 仿真模型關(guān)鍵模塊選取

利用Aspen Plus進(jìn)行熱解工藝過(guò)程建模,主要設(shè)置三個(gè)模塊:

(1)干燥模塊:采用可設(shè)置反應(yīng)程度的反應(yīng)器RStoic模擬干燥機(jī)干燥過(guò)程。在干燥反應(yīng)方程及計(jì)算器模塊的作用下,使原料達(dá)到相應(yīng)的含水率。干燥模塊的熱量由換熱器傳遞的中溫?zé)煔鉄崽峁?反應(yīng)器間利用能量流股連接以達(dá)到物質(zhì)、能量的傳輸。干燥后產(chǎn)生的蒸汽、干燥原料利用兩相分離器Sep實(shí)現(xiàn)分離。

(2)熱解模塊:根據(jù)輸入物質(zhì)的元素分析,采用可計(jì)算分解產(chǎn)率的反應(yīng)器RYield將物質(zhì)分解成單質(zhì)和灰分。利用擬合熱力學(xué)平衡狀態(tài)的RGibbs反應(yīng)器模擬分解后單質(zhì)的熱解過(guò)程,得到生物質(zhì)炭和揮發(fā)分,兩個(gè)反應(yīng)器組成模擬熱解爐中熱解反應(yīng)。利用可分離純物質(zhì)的SSplit分流器實(shí)現(xiàn)這兩者分離。

(3)燃燒模塊:分離后的揮發(fā)分通入助燃空氣,利用RGibbs反應(yīng)器模擬熱風(fēng)爐燃燒,產(chǎn)生的高溫?zé)煔馔ㄟ^(guò)兩個(gè)換熱器換熱,分別將熱量傳輸給熱解、干燥模塊。

Aspen Plus構(gòu)建的熱解模擬流程如圖2所示。

1.3 物性方法設(shè)定

物性方法是計(jì)算物流物理性質(zhì)的一套方程,包含了若干的物理化學(xué)計(jì)算公式。物性方法選擇不同,Aspen Plus模擬結(jié)果大相徑庭。合適的物性方法,往往取決于系統(tǒng)物質(zhì)、建模原理、適用范圍等諸多因素。結(jié)合化工中常見(jiàn)的物性方法、化工熱力學(xué)資料,考慮生物質(zhì)炭及揮發(fā)分均屬于常規(guī)非極性物質(zhì),選用適用于非極性系統(tǒng)的RK-SOAVE作為基本物性方法。同時(shí),仿真模型存在非常規(guī)組分及灰分惰性組分,因而選擇具含有氣相、液相、固相、非常規(guī)固體子流股的MCINCPSD作為全局流量類型。能量計(jì)算涉及物料的熱量,原料的焓值及密度計(jì)算選擇適配的HCOALGEN與DCOALIGT方法。

1.4 仿真模型驗(yàn)證

所建的仿真模型在原有熱解干燥模塊中融合了有機(jī)固體廢物干化操作;結(jié)合了RYield、RGibbs 2種模塊組合建立了生物質(zhì)熱解模塊,較好地模擬了生物質(zhì)常壓熱解制炭的工藝流程;燃燒模塊中利用換熱器傳熱模擬煙氣供熱至干燥模塊、熱解模塊的過(guò)程,循環(huán)利用了煙氣并與實(shí)際生產(chǎn)貼近。參數(shù)設(shè)定如下:原料進(jìn)料質(zhì)量為1 000.0 kg/h,空氣溫度、干燥反應(yīng)器溫度、熱解溫度分別設(shè)為25、130、550 ℃,壓力設(shè)置為1.01 bar。原料的工業(yè)、元素分析見(jiàn)表1、表2。

表1 熱解原料工業(yè)分析

表2 熱解原料元素分析

由于企業(yè)實(shí)際只關(guān)注生物質(zhì)炭的產(chǎn)量,缺乏其他產(chǎn)物相關(guān)的生產(chǎn)資料,本文參考LI[14]所做的松木熱解實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),將模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比,通過(guò)產(chǎn)物產(chǎn)率驗(yàn)證仿真模型的可靠性,產(chǎn)率計(jì)算如式(1～3):

(1)

(2)

(3)

式(1～3)中,yCHAR、yOIL、yGAS分別表示熱解產(chǎn)物生物質(zhì)炭、油脂、煙氣的產(chǎn)率,%;qCHAR、qOIL、qGAS分別表示熱解產(chǎn)物生物質(zhì)炭、油脂、煙氣的質(zhì)量流量,kg/h;q0表示進(jìn)料質(zhì)量流量,kg/h;A表示干基狀態(tài)下進(jìn)料中灰分的占比。

結(jié)果如圖3所示,圖中LIT、SIM分別代表熱解實(shí)驗(yàn)結(jié)果及模擬結(jié)果。由圖3可知,500～700 ℃時(shí),三種產(chǎn)物模擬值與熱解實(shí)驗(yàn)值很接近。LI[14]實(shí)驗(yàn)中采用松木與實(shí)際調(diào)研松木理化性質(zhì)相似但有差異,且模擬系統(tǒng)中輸入的物性組成只選取了熱解過(guò)程輸入、輸出中典型物質(zhì),因而會(huì)產(chǎn)生一定模擬誤差。熱解溫度為500 ℃時(shí)生物質(zhì)炭、熱解油及熱解溫度為700 ℃時(shí)熱解油的模擬數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)誤差在10%左右;熱解溫度為500 ℃時(shí)可燃?xì)?熱解溫度為600 ℃時(shí)生物質(zhì)炭、熱解油、可燃?xì)饧盁峤鉁囟葹?00 ℃時(shí)生物質(zhì)炭、可燃?xì)獾哪M數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)誤差在5%左右,因此認(rèn)為仿真模型具有較好的可靠性。

圖3 熱解實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果對(duì)比Fig. 3 Comparison between experimentalresults and simulation results

2 分析方法

物質(zhì)流分析可定量分析存在系統(tǒng)邊界的物質(zhì),刻畫(huà)系統(tǒng)中物質(zhì)流動(dòng)的源、路徑和匯的過(guò)程;能量流分析是基于物質(zhì)流分析,定量分析系統(tǒng)能量輸入與輸出情況,評(píng)價(jià)能量利用效率。

2.1 物質(zhì)流評(píng)價(jià)及場(chǎng)景設(shè)置

2.1.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)

依據(jù)循環(huán)經(jīng)濟(jì)建設(shè)3R(Reduce、Reuse、Recycle)原則及熱解過(guò)程物質(zhì)流動(dòng)特點(diǎn),從物質(zhì)利用情況、循環(huán)情況、污染排放情況三個(gè)維度考慮,在物質(zhì)流評(píng)價(jià)的資源指標(biāo)和環(huán)境指標(biāo)中,選取常用的原材料單耗量、物料循環(huán)利用率、環(huán)境效率這三個(gè)指標(biāo)進(jìn)行物質(zhì)流分析,為企業(yè)的生產(chǎn)優(yōu)化提供指導(dǎo)建議。

原材料單耗量,指生產(chǎn)單位產(chǎn)品所消耗原材料的總量,即為輸入的原材料(松木和大血藤)的總量與產(chǎn)生的生物質(zhì)炭總量的比值,其值越低表示生產(chǎn)單位產(chǎn)品消耗原材料越少。計(jì)算公式如式(4):

(4)

式(4)中,γ為原材料單耗量,kg/kg;P為生產(chǎn)產(chǎn)品量,kg;Ri為生產(chǎn)所需輸入的各類原材料量,kg。

物料循環(huán)利用率,指可供循環(huán)利用的產(chǎn)物量與除產(chǎn)品外其他產(chǎn)物總量的比,即為熱利用煙氣與排出煙氣、灰分、干燥產(chǎn)生的水蒸氣總量之和的比值,其值越高表示循環(huán)利用效果越好。計(jì)算公式如式(5):

(5)

式(5)中,φ為物料循環(huán)利用率,%;Wi為工藝生產(chǎn)輸出的n種物質(zhì)中的第i種物質(zhì)質(zhì)量(n種物質(zhì)中含有可回收再利用的物質(zhì)),kg;Wj為生產(chǎn)工程中輸出的n種物質(zhì)中可供再利用j種物質(zhì)質(zhì)量,kg。

環(huán)境效率指生產(chǎn)的產(chǎn)品與生產(chǎn)過(guò)程輸出端[15]排放廢棄物總量的比,即為生物質(zhì)炭的產(chǎn)量與排出煙氣、灰分、干燥產(chǎn)生的水蒸氣總量之和的比值,其值越高,表示排放的廢棄物越少。計(jì)算公式如式(6):

(6)

式(6)中,ε為環(huán)境效率,kg/kg;Wi為工藝產(chǎn)出的(n-r)種廢棄物中的第i種廢棄物,kg。

2.1.2 場(chǎng)景設(shè)置

中藥渣的協(xié)同比例、熱解溫度及含水率這三個(gè)主要因素對(duì)生物質(zhì)熱解工藝的資源消耗、物質(zhì)循環(huán)和環(huán)境效率的影響較大。

協(xié)同中藥渣熱解會(huì)降低生物質(zhì)炭產(chǎn)率,且在大血藤中藥渣協(xié)同比例為60%時(shí)[16],污染氣體排放量大幅度增加,故在輸入原料總量為1 000.0 kg/h時(shí),將中藥渣協(xié)同比例設(shè)為無(wú)、中、高(0%、30%、60%)三個(gè)水平。

熱解過(guò)程中一般要求干燥后原料含水率在20%[17]以下,含水率較低的原料可以加速炭化過(guò)程,但過(guò)于干燥會(huì)使炭化階段放熱反應(yīng)過(guò)于激烈,使木炭產(chǎn)量、木炭機(jī)械強(qiáng)度降低。有研究對(duì)不同污泥含水率(3%～80%)[18]下對(duì)熱解產(chǎn)物變化進(jìn)行探究,故選擇4%代表低含水率、10%代表熱解企業(yè)現(xiàn)況含水率、18%代表高含水率,通過(guò)三個(gè)指標(biāo)探究含水率對(duì)熱解資源指標(biāo)、循環(huán)指標(biāo)、環(huán)境指標(biāo)的影響,即干燥后含水率設(shè)為低、中、高(4%、10%、18%)。

熱解制炭工藝分為慢速熱解、快速熱解以及微波熱解。慢速熱解反應(yīng)溫度一般在450～700 ℃;結(jié)合實(shí)際調(diào)查,熱解企業(yè)采用慢速熱解,且溫度一般在500～600 ℃區(qū)間內(nèi),因此熱解溫度設(shè)為低、中、高(450、550、650 ℃)三個(gè)水平,進(jìn)行不同場(chǎng)景下的物質(zhì)流模擬分析。

包括現(xiàn)行生產(chǎn)工藝(無(wú)協(xié)同、干燥后含水率為10%、熱解溫度為550 ℃)在內(nèi),三個(gè)因素及其水平的14種場(chǎng)景設(shè)置見(jiàn)表3。

表3 熱解系統(tǒng)多場(chǎng)景設(shè)置

2.2 能量流分析與能效評(píng)估

2.2.1 分析方法

熱解過(guò)程的物料能量流動(dòng)及轉(zhuǎn)化情況,主要涉及物料能量的產(chǎn)生、傳遞、消耗情況及各反應(yīng)器的熱負(fù)荷。

熱解系統(tǒng)能量輸入端為原料所帶能量,能量輸出端為熱解產(chǎn)物、產(chǎn)物攜帶的能量及反應(yīng)器的熱負(fù)荷。其中,能量包括物理熱和化學(xué)熱,物理熱根據(jù)定壓比熱容計(jì)算,本文以0 ℃為計(jì)算基準(zhǔn),化學(xué)熱根據(jù)熱值、能量守恒、Aspen Plus輸出結(jié)果計(jì)算,物料比熱容、低位熱值見(jiàn)表4。物理熱計(jì)算如下:

表4 物料比熱容與熱值

Q物=cp×q×Δt

(7)

式(7)中:Q物為物理熱,MJ/h,cp為定壓比熱容,kJ/(kg·K);q為質(zhì)量流量,kg/h;Δt為溫差,K。

為分析系統(tǒng)的能量效益,引入系統(tǒng)能效η,其計(jì)算公式如下:

(8)

式(8)中:QCHAR為生物質(zhì)炭攜帶的可利用的化學(xué)熱;QDRY為煙氣有效供給干燥單元的熱;QPRY為煙氣有效供給熱解單元的熱;QRAW MATERIAL為原料帶來(lái)的能量;QAIR為空氣帶來(lái)的能量;單位均為MJ/h。

2.2.2 能效評(píng)估

基于中藥渣的協(xié)同比例、熱解溫度及含水率三個(gè)因素,綜合分析熱解系統(tǒng)能量利用效率。研究協(xié)同比例因素時(shí),為更大范圍探究不同配比對(duì)能效影響,大血藤中藥渣的配比為0%～80%,步長(zhǎng)為20%,熱解溫度設(shè)為550 ℃、干燥后含水率設(shè)為10%;研究熱解溫度影響時(shí),熱解溫度設(shè)為400～600 ℃,步長(zhǎng)為20 ℃,協(xié)同比例分別為0、20%、30%、40%、50%、60%,干燥后含水設(shè)為10%;研究含水率影響時(shí),含水率設(shè)為2%～20%,步長(zhǎng)為2%,協(xié)同比例設(shè)置與研究熱解溫度影響時(shí)一致,熱解溫度設(shè)為550 ℃。

3 結(jié)果與討論

3.1 熱解物質(zhì)流分析

3.1.1 熱解系統(tǒng)現(xiàn)狀物質(zhì)流分析

通過(guò)梳理現(xiàn)行工況物料的種類、輸入輸出情況,評(píng)估和量化熱解過(guò)程物質(zhì)投入、產(chǎn)出及資源利用率情況。該企業(yè)輸入端為松木及空氣,經(jīng)計(jì)算,輸入松木的質(zhì)量為1 000.0 kg、空氣質(zhì)量為1 765.9 kg,輸出端為生物質(zhì)炭、灰分、煙氣,其中生物質(zhì)炭為224.5 kg、灰分為44.3 kg,兩者混合在一起,物料的平衡賬戶見(jiàn)表5。

表5 熱解工藝物料平衡賬戶

現(xiàn)行工況下的熱解過(guò)程各物質(zhì)流指標(biāo)如圖4所示,原材料單耗為4.45 kg/kg,即每生產(chǎn)1 kg的生物質(zhì)炭需要消耗4.45 kg的原材料,侯建偉[19]對(duì)秸稈熱解制炭小試研究中原材料單耗量為2.38 kg/kg,相比之下現(xiàn)行工況該指標(biāo)較高;物料循環(huán)利用率為21.6%,總體利用率不高,僅有可燃性揮發(fā)分可利用;環(huán)境效率為0.11 kg/kg,可進(jìn)一步提高以減少環(huán)境污染壓力。需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行多場(chǎng)景分析,找出更優(yōu)的低消耗、高效率的場(chǎng)景。

圖4 不同場(chǎng)景物質(zhì)流Fig. 4 Material flow in different scenarios

3.1.2 協(xié)同熱解系統(tǒng)多場(chǎng)景物質(zhì)流模擬分析

(1)不同場(chǎng)景物質(zhì)流模擬如圖4所示。

①原材料單耗量圖4(a)中,在單場(chǎng)景情況下,隨著大血藤的協(xié)同比例增加,原材料單耗量下降,高比例協(xié)同時(shí)(HC)較現(xiàn)行場(chǎng)景(CP)下降了8.3%,主要由于大血藤的增加,生物質(zhì)炭產(chǎn)量增加,但原材料輸入量保持不變;在較高的熱解溫度(HT)及較高的含水率(HW)的場(chǎng)景下,原材料單耗量均遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于現(xiàn)行場(chǎng)景。

②在雙場(chǎng)景情況下,加入大血藤協(xié)同時(shí),除了高含水率(HWC)的情景,原材料單耗量均有所下降,最低為4.00 kg/kg;不摻入大血藤協(xié)同時(shí),在熱解溫度最高、含水率最高情景(HTW)下,原材料單耗量比其他場(chǎng)景都高,達(dá)5.37 kg/kg。

③在三場(chǎng)景情況下,在不加大血藤協(xié)同、熱解溫度最低、含水率最低的場(chǎng)景(LTWC)下,原材料單耗量最低,為3.91 kg/kg。可見(jiàn),原材料干燥后的含水率對(duì)原材料單耗量影響最為顯著,降低含水率,可降低原材料單耗,因此在熱解前需對(duì)原材料進(jìn)行充分干燥,加入一定量的大血藤可以提高生物質(zhì)炭的產(chǎn)量,降低原材料的單耗量。

(2)不同場(chǎng)景物質(zhì)循環(huán)利用率如圖4(b)所示。含水率對(duì)物質(zhì)循環(huán)利用率影響較大,含水率越高(HW、HWC、HTWC),物料循環(huán)利用率越高,主要是由于干燥后含水率越高,熱解產(chǎn)生的熱解揮發(fā)分越多,進(jìn)入熱風(fēng)爐的循環(huán)煙氣越多,故物料循環(huán)利用率會(huì)提高,但水分占比較大,不一定能提高熱利用效率。大血藤的協(xié)同比例對(duì)物質(zhì)循環(huán)利用率影響也較大,在單場(chǎng)景情況下,加入高協(xié)同比的大血藤(HC)時(shí),物料循環(huán)利用率由21.6%提高到25.6%,主要是因?yàn)榇笱俚募尤胩岣吡藷峤鈸]發(fā)分的產(chǎn)量。熱解溫度的提高對(duì)熱解揮發(fā)分產(chǎn)量的提高不明顯,物質(zhì)循環(huán)利用率僅小幅度提高。

(3)不同場(chǎng)景時(shí)的環(huán)境效率(圖4(c))模擬表明,加入大血藤可顯著提高環(huán)境利用效率,高協(xié)同(HC)的情況時(shí)環(huán)境利用效率最高為0.13 kg/kg,減少了廢棄物的排放。含水率對(duì)環(huán)境效率影響較大,高含水率會(huì)使環(huán)境效率大幅度下降。在高溫、高含水率(HTW)時(shí),環(huán)境利用效率最低為0.09 kg/kg,主要由于含水率越高,排放的煙氣量越大,同時(shí)生物質(zhì)炭產(chǎn)量減少,環(huán)境利用效率下降。

(4)根據(jù)現(xiàn)行工況及不同場(chǎng)景的分析,大血藤的協(xié)同比例控制在30%～60%,熱解溫度控制在500～550 ℃,并通過(guò)干燥降低原材料的含水率,可降低原材料單耗,改善物料循環(huán)效率,提高環(huán)境效率,減少?gòu)U棄物的排放。

3.2 熱解過(guò)程能量流分析與能效評(píng)估

3.2.1 廢棄松木熱解過(guò)程能量流分析

根據(jù)Aspen Plus模擬結(jié)果,可進(jìn)行熱解過(guò)程熱力學(xué)能量衡算(見(jiàn)表6),能量流動(dòng)情況如圖5所示,經(jīng)計(jì)算,系統(tǒng)的總能耗為2 580.7 MJ/h,干燥模塊、熱解模塊和燃燒模塊等三個(gè)模塊能耗分別占系統(tǒng)總能耗的25.6%、72.7%、1.7%。系統(tǒng)熱損為6 139.5 MJ/h,包括干燥模塊中水分蒸發(fā)熱損失及其他熱損耗,共2 893.1 MJ/h,熱解模塊中灰分顯熱損失及其他熱損耗,共133.5 MJ/h,燃燒模塊為3 112.9 MJ/h,分別占系統(tǒng)熱損的47.1%、2.2%、50.7%。

表6 熱解系統(tǒng)現(xiàn)狀能量衡算

圖5 熱解系統(tǒng)能量流動(dòng)分布圖Fig. 5 Energy flow distribution of pyrolysis system

能量利用效率是評(píng)價(jià)能效的關(guān)鍵指標(biāo),對(duì)系統(tǒng)能效進(jìn)行計(jì)算分析可以掌握熱解過(guò)程系統(tǒng)的能量利用情況。本系統(tǒng)能效計(jì)算沒(méi)有考慮模塊物料傳遞間的能量損失,因此實(shí)際值低于理論計(jì)算值。生物質(zhì)炭帶走的能量為6 389.5 MJ/h,其他分析數(shù)據(jù)見(jiàn)表6,根據(jù)式(8)計(jì)算得理論能效為53.0%。剩余能量以系統(tǒng)熱損、排放煙氣熱量散失在環(huán)境中。若按我國(guó)余熱回收利用效率平均水平30%[20]進(jìn)行能量回收,系統(tǒng)能效可提高至71.0%,較未回收前提高18.0%。為降低熱解系統(tǒng)能耗并提高能效,還需要對(duì)熱解的影響因素進(jìn)行多場(chǎng)景模擬分析。

3.2.2 協(xié)同熱解系統(tǒng)能量流模擬分析

與物質(zhì)流分析類似,多源固廢協(xié)同熱解比例、溫度、含水率對(duì)于熱解系統(tǒng)也存在一定的影響,需要探究這些因素的變化對(duì)系統(tǒng)能耗、能效的影響程度。

3.2.2.1 協(xié)同比例對(duì)熱解能效影響

系統(tǒng)能耗及能效隨大血藤協(xié)同比例變化如圖6(a)所示。隨著大血藤配比的增加,系統(tǒng)能耗、干燥與熱解模塊的能耗以及系統(tǒng)能效均降低,且隨著大血藤在熱解進(jìn)料中的占比變大,協(xié)同比例增至40%以上時(shí),能耗下降速度減緩,該結(jié)果與賈晉煒[21]對(duì)生活垃圾與玉米秸稈共熱解能量分析研究結(jié)果相近。大血藤本身的熱值高于松木,且含水率低,因而干燥過(guò)程中需要來(lái)自中溫?zé)煔獾臒崃繙p少,熱解過(guò)程中需要來(lái)自高溫?zé)煔獾臒崃恳矞p少,所以干燥和熱解模塊的能耗下降。大血藤協(xié)同比例從0%增至80%,系統(tǒng)能耗降低約60%,系統(tǒng)能效降低了12.0%。這是由于系統(tǒng)能耗減少,煙氣中的熱量無(wú)法有效利用,從而使得系統(tǒng)能效降低。

圖6 協(xié)同比例對(duì)于系統(tǒng)能耗及能效影響圖Fig. 6 Influence of coordination ratio on system energy consumption and energy efficiency

為提高系統(tǒng)能效,將20%的熱解揮發(fā)分分流出來(lái),優(yōu)化后系統(tǒng)能效如圖6(b)所示,在大血藤占比20%情況下,能效達(dá)到最高,為59.5%,比現(xiàn)行工況提高6.5%。

從系統(tǒng)能耗角度上看,將大血藤協(xié)同松木進(jìn)行熱解是可行的。添加大血藤進(jìn)行熱解可有效降低系統(tǒng)能耗,但會(huì)降低系統(tǒng)能效,即能量利用效率。為提高系統(tǒng)能效,可通過(guò)熱解揮發(fā)分分流的方式優(yōu)化熱解過(guò)程。

3.2.2.2 熱解溫度對(duì)熱解能效影響

不同協(xié)同比例下,系統(tǒng)能耗和能效隨熱解溫度的變化如圖7所示。在相同的協(xié)同比例下,隨著溫度的提高,熱解系統(tǒng)的能耗和能效均增加。溫度從400 ℃提升至600 ℃時(shí)系統(tǒng)總能耗增加了800.0～900.0 MJ/h。LIU等[22]對(duì)稻草和甘蔗渣熱解制炭實(shí)驗(yàn)結(jié)果也表明,溫度升高會(huì)提高熱解能耗。能耗增加的原因是系統(tǒng)物料需要吸收更多的熱量來(lái)升溫,同時(shí)在升溫過(guò)程中揮發(fā)分越來(lái)越多,所需吸收的熱量也增加。

系統(tǒng)能效在溫度升高時(shí)有小幅度的提升,這是因?yàn)橄到y(tǒng)有效吸收的熱量增加。溫度從400 ℃提升至600 ℃時(shí)系統(tǒng)能效增加約3.0%。綜合分析協(xié)同比例和溫度對(duì)系統(tǒng)能耗和能效的影響,大血藤協(xié)同熱解比例越高,系統(tǒng)能耗和能效的變化幅度隨溫度增加而增大。在高溫下,如果沒(méi)有協(xié)同作用,系統(tǒng)能耗最高,能效也最高,為54.0%,比現(xiàn)行工況高1.0%;而在低溫高協(xié)同比例下,系統(tǒng)能耗最低,能效也最低,為45.8%,比先行情況低7.2%。

由此可見(jiàn),選擇500～550 ℃熱解溫度和30%～60%的協(xié)同比例,相比現(xiàn)行工況可以有效降低30%左右能耗并達(dá)到較高的系統(tǒng)能效。

3.2.2.3 含水率對(duì)熱解能效影響

不同協(xié)同比例下,系統(tǒng)能耗和能效隨著含水率的變化如圖8所示。在相同的協(xié)同比例下,隨著生物質(zhì)含水率的增加,干燥模塊的能耗逐漸減少,而熱解模塊的能耗不斷增加。干燥模塊的能耗降低速率小于熱解模塊的能耗增長(zhǎng)速率,因此系統(tǒng)總能耗呈上升趨勢(shì)。這個(gè)結(jié)果與王兵[23]對(duì)玉米秸稈含水率對(duì)熱解系統(tǒng)能耗的影響研究結(jié)果吻合。含水率從2%提升至20%時(shí),系統(tǒng)總能增加了約150.0～250.0 MJ/h。這是因?yàn)樗终舭l(fā)量減少,干燥模塊的能耗減少。然而,高含水量的原料進(jìn)入熱解模塊后,原料升溫需要吸收更多的熱量,導(dǎo)致熱解模塊的能耗增加。但相較現(xiàn)行工況,其他條件不變情況下,提高含水率至20%,系統(tǒng)能耗提高5.0%以內(nèi),能耗提升程度在企業(yè)可接受范圍內(nèi)。

圖8 不同協(xié)同比例下含水率對(duì)于系統(tǒng)能耗及能效影響圖Fig. 8 Influence of water content on system energy consumption and efficiency at different cooperative ratios

含水率從2%提升至20%時(shí),系統(tǒng)的能效下降了6.0%。這主要是原料含水率增加導(dǎo)致生物質(zhì)炭產(chǎn)量減少,因此系統(tǒng)的能效下降。綜合分析含水率和協(xié)同比例對(duì)系統(tǒng)能耗和能效的影響,大血藤協(xié)同熱解比例越高,系統(tǒng)能耗和能效的變化幅度隨著含水率的增加而減小。在低含水率和高協(xié)同比例下,系統(tǒng)能耗最低,能效也最低,為45.5%,比現(xiàn)行工況低7.5%;而在低含水率和無(wú)協(xié)同比例下,系統(tǒng)能耗最高,能效也最高,為55.6%,比現(xiàn)行工況高2.6%。

綜上,通過(guò)在原料中摻入30%～60%的大血藤,并降低原料含水率,可以有效降低能耗,提高能效。

4 結(jié) 論

基于提升熱解系統(tǒng)能效的理念,依據(jù)熱解制炭企業(yè)的實(shí)際生產(chǎn)工藝,本文利用Aspen Plus軟件構(gòu)建熱解炭化仿真模型,分析了不同場(chǎng)景下協(xié)同熱解的物質(zhì)流和能量流,以探究固廢協(xié)同熱解的最佳條件,為生產(chǎn)提供參考。主要結(jié)論如下:

(1)現(xiàn)有廢棄松木熱解制生物質(zhì)炭生產(chǎn)過(guò)程的物質(zhì)流分析表明系統(tǒng)的原材料單耗量、物質(zhì)循環(huán)利用率及環(huán)境效率分別為4.45 kg/kg、21.6%、0.11 kg/kg,原材料單耗量有降低的空間,物質(zhì)循環(huán)利用率不高,環(huán)境效率處于較低水平。

(2)多場(chǎng)景物質(zhì)流模擬分析表明,含水率對(duì)原材料單耗量影響較大,溫度其次。溫度越高、含水率越高,原材料單耗量越高;含水率、協(xié)同比例對(duì)循環(huán)利用率影響較大;含水率越高,協(xié)同比例越高,循環(huán)利用率越高;但含水率的提高會(huì)使系統(tǒng)水分占比較大,對(duì)提高熱利用效果并不起作用。含水率對(duì)環(huán)境效率影響較大,高含水率會(huì)使環(huán)境效率大幅度下降。

(3)熱解系統(tǒng)現(xiàn)行工況能量衡算表明,能效為53.0%,損耗較大,如按30%的余熱回收效率進(jìn)行能量回收,系統(tǒng)能效可提高到71.0%,相較現(xiàn)行工況增加18.0%。

(4)系統(tǒng)摻入30%～60%大血藤協(xié)同熱解并分流熱解揮發(fā)分,可降低能耗,提升能效。熱解溫度升高會(huì)增加系統(tǒng)能耗,但提高系統(tǒng)能效,建議熱解溫度為500～550 ℃。原料含水率提高,會(huì)增加系統(tǒng)能耗,降低系統(tǒng)能效,熱解系統(tǒng)前對(duì)原料需進(jìn)行充分干燥。

(5)綜合物質(zhì)流、能量流分析,在原料中摻入30%～60%的大血藤協(xié)同熱解并降低原料含水率,在500～550 ℃的溫度下熱解可使各類物質(zhì)流評(píng)價(jià)指標(biāo)達(dá)到最優(yōu);對(duì)熱解揮發(fā)分進(jìn)行分流,系統(tǒng)能效可提高3.0%～6.0%。