垃圾焚燒發(fā)電系統(tǒng)建模分析

周新榮，李 鐵，程樂明，趙 曉

（1.張家港密爾克衛(wèi)環(huán)保科技有限公司，江蘇 張家港 215600；2.新地環(huán)保技術(shù)有限公司，河北 廊坊 065001）

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展及城市化進(jìn)程的加快，超大城市及大型城市群逐漸發(fā)展成型，城市的聚集效應(yīng)導(dǎo)致區(qū)域內(nèi)人口密度的增大，而人類活動(dòng)所產(chǎn)生的垃圾也隨之快速增加。據(jù)測(cè)算，預(yù)計(jì)在2030年，世界垃圾產(chǎn)生量將達(dá)到26 億t，2050年，世界垃圾產(chǎn)生量可能達(dá)到34 億t[1]。近年來，隨著政府環(huán)保政策日趨嚴(yán)格，垃圾處理越來越受到各方面的重視，如何對(duì)城市垃圾進(jìn)行無害化、減量化和資源化處理是當(dāng)前急需解決的問題。

目前，主流的垃圾處理方法有填埋法、堆肥法和焚燒法。其中，填埋法是將垃圾填入預(yù)先挖好的防滲漏坑中，并將其掩埋壓實(shí)，借助微生物的分解作用，達(dá)到垃圾無害化和減量化的目的[2]。填埋法工藝簡(jiǎn)單，成本低廉，但是會(huì)造成土地資源的浪費(fèi)，存在垃圾滲濾液污染地下水的隱患。堆肥法是將垃圾堆存并發(fā)酵，利用垃圾中的微生物把有機(jī)物分解為無機(jī)養(yǎng)分，如腐殖質(zhì)等。堆肥法技術(shù)簡(jiǎn)單，可以實(shí)現(xiàn)垃圾的減量化和部分資源化，但是垃圾分類要求較高，垃圾分解過程產(chǎn)生的臭氣會(huì)污染空氣[3]。焚燒法是利用垃圾中有機(jī)物的熱解和燃燒反應(yīng)，在高溫條件下實(shí)現(xiàn)垃圾無害化和減量化。生活垃圾焚燒后質(zhì)量可至少減少80%，體積至少縮小90%。在焚燒爐中，高溫可以殺死垃圾中的各種病原體和細(xì)菌，有毒有害物質(zhì)大部分被轉(zhuǎn)化為無害物[4]。垃圾焚燒產(chǎn)生的熱量可以用于副產(chǎn)蒸汽或發(fā)電，有效提高資源回收率。相比之下，垃圾焚燒發(fā)電技術(shù)在垃圾的減量化、無害化和資源化方面都更具優(yōu)勢(shì)。

1 垃圾焚燒發(fā)電工藝簡(jiǎn)介

垃圾焚燒發(fā)電工藝主要包括垃圾存儲(chǔ)、垃圾焚燒、熱能回收、蒸汽發(fā)電、煙氣處理等環(huán)節(jié)。垃圾運(yùn)送至垃圾焚燒發(fā)電廠，經(jīng)稱重后卸入料池內(nèi)，利用抓斗和推料器將垃圾送入焚燒爐進(jìn)行熱解。焚燒爐燃燒過程在自動(dòng)控制系統(tǒng)和自動(dòng)燃燒系統(tǒng)監(jiān)視和調(diào)控下進(jìn)行，爐膛溫度一般控制在850～1 050 ℃，同時(shí)，為了減少有害物質(zhì)的生成，煙氣停留時(shí)間不能低于2 s。另外，要及時(shí)有效地調(diào)節(jié)爐排運(yùn)行速度和燃燒空氣量，對(duì)垃圾進(jìn)行徹底的無害化和減量化處理[5]。垃圾焚燒產(chǎn)生高溫?zé)煔猓?jīng)過焚燒系統(tǒng)內(nèi)置的換熱器回收熱能后產(chǎn)生高溫蒸汽，蒸汽進(jìn)入汽輪發(fā)電機(jī)組后發(fā)電。煙氣在降溫過程中容易生成強(qiáng)致癌物質(zhì)二噁英，為了抑制其產(chǎn)生，應(yīng)盡可能縮短煙氣降溫的時(shí)間，目前一般采用急冷法，迅速將煙氣溫度降低至250 ℃以下。煙氣經(jīng)換熱降溫、除塵等綜合處理達(dá)標(biāo)后排放。垃圾焚燒發(fā)電工藝流程如圖1所示。

圖1 垃圾焚燒發(fā)電工藝流程

2 垃圾焚燒發(fā)電系統(tǒng)建模

Aspen Plus 軟件是一款功能強(qiáng)大的通用流程模擬軟件，它包含豐富的物性數(shù)據(jù)庫(kù)和單元模型庫(kù)，廣泛應(yīng)用于化工、能源、環(huán)保、醫(yī)藥等領(lǐng)域[6]。垃圾焚燒發(fā)電系統(tǒng)的溫度很高，煙氣停留時(shí)間較長(zhǎng)，可以近似將焚燒過程的各種化學(xué)反應(yīng)按照達(dá)到反應(yīng)平衡的條件進(jìn)行處理，該軟件中RGibbs 反應(yīng)器模型可以較為準(zhǔn)確地模擬該反應(yīng)過程。垃圾焚燒發(fā)電系統(tǒng)的建模難點(diǎn)在于對(duì)垃圾組分的定義，由于垃圾的組成極為復(fù)雜，無法直接利用常規(guī)組分的配比來進(jìn)行模擬，因此可以利用垃圾的工業(yè)分析、元素分析等數(shù)據(jù)，采用等效分解的方法進(jìn)行建模[7]。垃圾焚燒發(fā)電系統(tǒng)的原料基礎(chǔ)數(shù)據(jù)如表1所示。其中，工業(yè)分析指標(biāo)包括水分、灰分、揮發(fā)分和固定碳，元素分析指標(biāo)包括C、H、N、Cl、S 和O，其他分析指標(biāo)為熱值。

表1 垃圾的各項(xiàng)分析數(shù)據(jù)

利用Aspen Plus 軟件對(duì)垃圾焚燒發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行建模，首先需要將垃圾定義為非常規(guī)組分。由于非常規(guī)組分無法直接參與化學(xué)反應(yīng)，要利用模型庫(kù)的RYield反應(yīng)器模型對(duì)垃圾進(jìn)行等效分解，利用自定義化學(xué)反應(yīng)將垃圾分解為C、H2、N2、O2、S、Cl2等單質(zhì)以及惰性組分灰渣，整個(gè)分解過程是基于Fortran 語(yǔ)句控制，而垃圾的工業(yè)分析和元素分析數(shù)據(jù)可以保證分解過程的質(zhì)量平衡和元素平衡。垃圾分解后的單質(zhì)進(jìn)入RGibbs 反應(yīng)器模型參與焚燒反應(yīng)，而從RYield 反應(yīng)器模型到RGbiss 反應(yīng)器模型之間引入的能量流可以保證分解和焚燒過程的能量平衡[8]。焚燒產(chǎn)物經(jīng)過Flash2 模型后，高溫?zé)煔馀c灰渣分離，利用HeatX 模型、Flash2 模型、Mixer 模型以及Pump 模型組成循環(huán)系統(tǒng)，模擬廢熱鍋爐吸收高溫?zé)煔鉄崮墚a(chǎn)生蒸汽的過程，該循環(huán)系統(tǒng)的計(jì)算需要注意循環(huán)物流初值的合理設(shè)定。廢熱鍋爐產(chǎn)生的蒸汽進(jìn)入Compr 模型，并選擇Turbine 模式模擬蒸汽透平發(fā)電的過程。降溫后的煙氣進(jìn)入RadFrac 模型模擬激冷與洗滌過程。垃圾焚燒發(fā)電系統(tǒng)的工藝模擬流程如圖2所示。

圖2 垃圾焚燒發(fā)電系統(tǒng)的工藝模擬流程

焚燒爐是垃圾焚燒發(fā)電系統(tǒng)的核心設(shè)備，對(duì)應(yīng)的RYield 模型與RGibbs 模型組合的模擬結(jié)果直接關(guān)系到模型的準(zhǔn)確性。在生產(chǎn)過程中，進(jìn)料條件一定時(shí)，焚燒爐爐溫、煙氣組成、煙氣溫度、蒸汽產(chǎn)量、發(fā)電量等關(guān)鍵參數(shù)是驗(yàn)證模型準(zhǔn)確性的依據(jù)。將模型計(jì)算結(jié)果與實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，如表2所示。結(jié)果表明，利用Aspen Plus 軟件建立的垃圾焚燒發(fā)電模型可以實(shí)現(xiàn)整個(gè)工藝系統(tǒng)的物料與能量平衡，由于該模型是絕熱體系，不考慮系統(tǒng)與環(huán)境的熱量交換，系統(tǒng)的焚燒爐爐溫、蒸汽量、發(fā)電量以及能量利用效率要略高于實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)，除此之外，各工段及設(shè)備的主要工藝參數(shù)均與實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)可以較好地匹配。

表2 實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)對(duì)比

3 結(jié)論

本文以某垃圾焚燒發(fā)電廠為例，利用Aspen Plus軟件建立垃圾焚燒發(fā)電系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)模型，并利用實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證Aspen Plus 軟件自帶的熱力學(xué)物性數(shù)據(jù)及模型的可靠性。對(duì)比結(jié)果表明，該模型模擬數(shù)據(jù)與實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)較為吻合，它可以作為實(shí)際生產(chǎn)和運(yùn)營(yíng)的分析及優(yōu)化工具，該建模方法可以為垃圾焚燒發(fā)電系統(tǒng)的工藝優(yōu)化及挖潛提供數(shù)據(jù)支持。