基于等離子氣化的城市固廢制備乙酰丙酸系統(tǒng)及性能評(píng)估

劉 戰(zhàn), 魏 來(lái), 陳 衡, 趙煥林, 潘佩媛, 張 鍇

(華北電力大學(xué) 能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院,北京 102206)

隨著城市化進(jìn)程的加速和環(huán)保意識(shí)的提高,城市固體廢棄物(Municipal solid waste,MSW)的處理成為一個(gè)重要的議題[1-2]。同時(shí),隨著高價(jià)值工業(yè)品需求的不斷增加,利用城市固體廢棄物生產(chǎn)高價(jià)值產(chǎn)品的技術(shù)也越來(lái)越受到關(guān)注。我國(guó)在2018年產(chǎn)生的工業(yè)固體廢物、危險(xiǎn)廢物和一般固體廢物的總量約50億t,而堆存量更是逼近700億t,這導(dǎo)致了嚴(yán)重的“垃圾圍城”現(xiàn)象。為了解決這個(gè)問(wèn)題,我國(guó)政府高度重視城市固體廢棄物資源化工作,并在“十九大”報(bào)告中明確提出,要應(yīng)對(duì)環(huán)境面臨的突出挑戰(zhàn),做好污染的防治和修復(fù)工作,其中特別強(qiáng)調(diào)了加強(qiáng)固體廢棄物和垃圾的處理工作,積極參與全球環(huán)境治理,并履行減排承諾。

乙酰丙酸(LA)是美國(guó)能源部確定的12種最有價(jià)值的平臺(tái)化合物之一[3]。乙酰丙酸是一種重要的生物質(zhì)平臺(tái)產(chǎn)品,可用于合成各種化合物,廣泛應(yīng)用于燃料、制藥、化妝品、食品添加劑和溶劑等行業(yè)。Madadi等[4]采用兩步預(yù)處理方法解決了木質(zhì)纖維素生物精煉中的頑固性問(wèn)題,并將生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為葡萄糖、乙酰丙酸和木質(zhì)素吸附劑等生物產(chǎn)品。通過(guò)連續(xù)的液體熱水和綠液預(yù)處理,富含葡聚糖的固體材料展示了較高的纖維素可利用性,葡萄糖的產(chǎn)量達(dá)到94%。該方法可以實(shí)現(xiàn)高達(dá)85%的能量回收率,提供了一種可持續(xù)的木質(zhì)纖維素轉(zhuǎn)化途徑。

韓文韜等[5]采用反應(yīng)精餾工藝,解決了傳統(tǒng)生產(chǎn)方法效率低、產(chǎn)物分離困難且工藝流程冗長(zhǎng)的問(wèn)題。建立了工藝流程,并考察了關(guān)鍵參數(shù),得出了常規(guī)單塔反應(yīng)精餾工藝生產(chǎn)乙酰丙酸乙酯的最優(yōu)配置,還提出了反應(yīng)精餾雙塔精制流程和反應(yīng)精餾隔壁,同時(shí)減少能耗和物耗。通過(guò)對(duì)比產(chǎn)品純度和能耗,驗(yàn)證了反應(yīng)精餾塔工藝在生產(chǎn)高純度乙酰丙酸乙酯以及節(jié)能方面的顯著優(yōu)勢(shì)。

Sarker等[6]介紹了水熱法作為一種環(huán)保且成本效益高的方法,通過(guò)預(yù)處理木質(zhì)纖維素生物質(zhì),提高了生物燃料和增值化學(xué)品的轉(zhuǎn)化效率,有可能替代化石燃料。此外,還明確了木質(zhì)素解聚和纖維素轉(zhuǎn)化的潛在機(jī)制,并詳細(xì)介紹了生物質(zhì)亞臨界水解的脫水、脫羧和炭化等機(jī)理。

厭氧發(fā)酵最初作為一種廢棄物資源化利用手段應(yīng)用于大型農(nóng)場(chǎng)。在低氧氛圍中,有機(jī)垃圾通過(guò)厭氧微生物的作用最終轉(zhuǎn)化為沼氣。目前,借助內(nèi)燃機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)、微燃機(jī)以及燃料電池等技術(shù),沼氣得到了廣泛應(yīng)用,如用于熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)中[7]。然而,由于厭氧發(fā)酵僅適用于可生物降解的有機(jī)垃圾,不能完全滿足垃圾管理的需求,因此需要與其他垃圾處理手段結(jié)合使用[8]。

綜上所述,筆者在已有的動(dòng)力學(xué)模型上,提出一種利用MSW中的木質(zhì)纖維素制取乙酰丙酸的清潔高效的系統(tǒng)。對(duì)比傳統(tǒng)工藝,該系統(tǒng)還對(duì)副產(chǎn)品進(jìn)行了合理利用,并將固廢中的衍生燃料與生物質(zhì)碳通過(guò)等離子氣化得到合成氣以求效益最大化,并通過(guò)萃取精餾進(jìn)而純化乙酰丙酸以及回收萃取劑和催化劑以減少成本,并對(duì)其經(jīng)濟(jì)效益做出評(píng)估。

1 系統(tǒng)描述

表1給出了固廢的組成[12],包括廚余垃圾、園藝廢棄物、紙張和玻璃制品等,展示了不同分類(lèi)的質(zhì)量分?jǐn)?shù),這些物流被分成不同的管線進(jìn)行回收。

表1 城市固廢成分向各種生產(chǎn)路線的轉(zhuǎn)移

固廢中的木質(zhì)纖維素部分作為原料。纖維素是一種線性聚合物材料,由通過(guò)β-(1-4)-糖苷鍵連接的葡萄糖單體組成,這些導(dǎo)致纖維狀和結(jié)晶狀結(jié)構(gòu)難以水解[13]。預(yù)處理操作使用由生物質(zhì)鍋爐提供的高溫高壓蒸汽,β-(1-4)-糖苷鍵被破壞,釋放葡萄糖。然后使用硫酸,在1%～2%質(zhì)量分?jǐn)?shù)的稀硫酸條件下進(jìn)行酸水解[14]。

圖1給出了由MSW的木質(zhì)纖維素部分生產(chǎn)LA的化學(xué)轉(zhuǎn)化工段的流程圖。鑒于熱等離子體在無(wú)害化處理固體廢物方面的獨(dú)特優(yōu)勢(shì),決定采用等離子體氣化爐來(lái)有效處理固廢衍生燃料(Refuse Derived Fuel,RDF)。RDF由致密塑料與塑料薄膜衍生而來(lái),具體質(zhì)量分?jǐn)?shù)見(jiàn)表1。制備乙酰丙酸系統(tǒng)包括6個(gè)子系統(tǒng):第一是水解單元,來(lái)自固體廢物中的木質(zhì)纖維素漿料在加熱到225 ℃的反應(yīng)器R-101中水解。MSW中木質(zhì)纖維素的質(zhì)量組成為:纖維素42%,半纖維素33%,木質(zhì)素和其他組分25%。使用RYIELD模型模擬反應(yīng)器系統(tǒng),纖維素、半纖維素和木質(zhì)素產(chǎn)率分別參考以下轉(zhuǎn)化率(Hayes等[15]):(1)46%LA,18%甲酸(Formic acid,FA),其余為初始纖維素中的生物質(zhì)碳;(2)在半纖維素質(zhì)量中,糠醛占40%,生物質(zhì)碳占35%,其余為水;(3)產(chǎn)品流股中大部分初始木質(zhì)素為生物質(zhì)碳。第二是副產(chǎn)品分離系統(tǒng),通過(guò)自然水的冷卻,將反應(yīng)副產(chǎn)物以閃蒸方式分離。氣相通入?yún)捬跽託獍l(fā)酵池,得到沼氣。然后液相以相同方式冷卻至25 ℃,送入壓濾機(jī),得到的濾餅送入等離子氣化爐中。第三是乙酰丙酸提純模塊,依次通過(guò)萃取塔、汽提塔和精餾塔純化產(chǎn)品,具體各流股參數(shù)見(jiàn)表2,得到的乙酰丙酸的純度(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為99.43%。純化后的工業(yè)級(jí)LA冷卻到室溫保存。第四是萃取劑和催化劑的回收利用子系統(tǒng),回收的硫酸在0.25 MPa下泵送回反應(yīng)器。第五是等離子氣化單元,作為系統(tǒng)供熱的主要單元,通過(guò)8號(hào)換熱器將粗合成器的水分除去,并送入燃?xì)廨啓C(jī)得到廠用電量,高溫?zé)煔庠龠M(jìn)行余熱利用。第六是余熱利用子系統(tǒng)(Waste heat recovery subsystem,WHRS),回收并利用閃蒸、高溫?zé)煔庥酂?既節(jié)能減排、降成本,還對(duì)環(huán)境保護(hù)有積極作用。

圖1 城市固體廢棄物基乙酰丙酸生產(chǎn)系統(tǒng)示意圖

表2 制取乙酰丙酸流程模擬各流股參數(shù)

2 系統(tǒng)模擬

Aspen Plus是一款功能強(qiáng)大的工業(yè)流程模擬軟件,被廣泛應(yīng)用于化學(xué)、石油、生物醫(yī)藥和電力等行業(yè),擁有豐富內(nèi)置物性數(shù)據(jù)庫(kù)和特性方法,可以進(jìn)行流程優(yōu)化、敏感性分析和經(jīng)濟(jì)性分析等工作。同時(shí),由于Aspen Plus善于模擬和分析復(fù)雜化學(xué)工藝流程,更適合化工領(lǐng)域的應(yīng)用,為工業(yè)流程設(shè)計(jì)提供了強(qiáng)有力支持。

2.1 制備乙酰丙酸全流程模擬

利用Aspen Plus進(jìn)行了從MSW的木質(zhì)纖維素餾分生產(chǎn)LA的化學(xué)轉(zhuǎn)化部分的流程模擬,圖2給出了化學(xué)轉(zhuǎn)化的Aspen Plus仿真流程。蒸汽爆炸和臨界水萃取技術(shù)是有效的生物質(zhì)預(yù)處理辦法[6],因?yàn)樗肿匀淮嬖谟谏镔|(zhì)中,減少了對(duì)蒸汽的需求量。預(yù)處理工藝首先釋放半纖維素,因?yàn)槠渌馑俣雀臁Ｔ谟袡C(jī)溶劑預(yù)處理過(guò)程中,多糖(如纖維素和半纖維素)和木質(zhì)素在稀硫酸水溶液中的增溶動(dòng)力學(xué)可參考Dong等[16]的研究。

圖2 Aspen Plus LA生產(chǎn)工藝的化工轉(zhuǎn)化部分模擬流程圖

轉(zhuǎn)化過(guò)程由4個(gè)部分組成:(1)水解階段;(2)副產(chǎn)物分離;(3)乙酰丙酸純化;(4)催化劑和萃取劑回收。過(guò)程中乙酰丙酸純度(質(zhì)量分?jǐn)?shù))達(dá)到99.43%,高于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[15]98.00%。兩股進(jìn)料流,即木質(zhì)纖維素漿料(流股FEED-1)和質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%的硫酸溶液(流股CATALYST)混合,并與換熱器(E-101)交換熱量,溫度提升到225 ℃,用于R-101中的酸水解反應(yīng),得到水解過(guò)程的產(chǎn)品流股,即圖2中流股3。待反應(yīng)結(jié)束后,將反應(yīng)器出口流(流股3)送至熱交換器E-102冷卻至196 ℃,然后送入閃蒸分離器S-201。在196 ℃和0.14 MPa的條件下部分糠醛(Furfuryl Alcohol,FU)和甲酸溶液被閃蒸成氣相,從閃蒸分離器的塔頂流出。液相通過(guò)閃蒸分離器的底部流出(流股6),由換熱器E-201冷卻到45 ℃,采用壓濾機(jī)F-201可獲得包含不參與反應(yīng)的腐殖質(zhì)碳的濾餅,其中干基質(zhì)量分?jǐn)?shù)為80%。濾餅用于等離子氣化燃燒,為工藝提供需要的熱量。鑒于甲基異丁基酮(Methyl isobutyl ketone,MIBK)在萃取乙酰丙酸時(shí)的優(yōu)異性[17],以甲基異丁基酮為溶劑,形成萃取后的非均相液-液相(見(jiàn)圖3)。在萃取塔D-301中從濾液里萃取乙酰丙酸。塔頂流出液(流股D-1)被引入精餾塔D-302,從反應(yīng)混合物中分離硫酸溶液。

圖3 常壓下H2O-LA-MIBK混合物的三元相圖(質(zhì)量基)

產(chǎn)品乙酰丙酸和部分萃取劑(帶甲基異丁基酮溶劑)從精餾塔D-302的塔頂流出,形成流股D-2。乙酰丙酸進(jìn)入精餾塔D-303(流股D-2),進(jìn)行乙酰丙酸的純化和萃取劑甲基異丁基酮的分離。純化后的乙酰丙酸(純度為99.43%)形成流股W-3,并通過(guò)保持底部質(zhì)量流量來(lái)回收工業(yè)級(jí)純度的LA。放置一個(gè)額外的分離器是為了確保純化的LA流股不包含任何其他有機(jī)殘留物,純化后的乙酰丙酸冷卻至室溫保存。精餾塔D-302產(chǎn)生的酸性流股(W-2)流入精餾塔D-401,用于回收塔底的稀硫酸。酸回收塔有15個(gè)塔板,通過(guò)對(duì)其餾出率的調(diào)整,可使得催化劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)回收率達(dá)到98%。

回收的稀硫酸溶液(流股ACIDRECY)冷卻至25 ℃后,再由泵P-402泵送回混合器,完成催化劑的回收利用。進(jìn)入反應(yīng)器的硫酸的質(zhì)量流量為2 143 kg/h,但可以回收2 039 kg/h,因此系統(tǒng)只需要4 kg/h的硫酸補(bǔ)給。萃取工藝所需溶劑量為250 402 kg/h,酸回收塔的塔頂流出物(流股D-4)與萃取劑回收塔D-303的塔頂流出物(流股D-3)混合后被冷卻至25 ℃回收。表2還給出了LA生產(chǎn)流程中各流股的質(zhì)量流量、單元操作之間的聯(lián)系以及溫度和壓力條件。

2.2 等離子氣化流程模擬

等離子體氣化過(guò)程在高溫、常壓的環(huán)境中進(jìn)行,輸入的固廢被分解成簡(jiǎn)單的分子。等離子體氣化過(guò)程已利用Aspen Plus建模,圖4展示了等離子氣化反應(yīng)器模型的流程圖。有機(jī)化合物被熱分解成其組成元素,并轉(zhuǎn)化為主要由氫和一氧化碳組成的合成氣,而無(wú)機(jī)材料則被熔化并轉(zhuǎn)化為致密、惰性的玻璃化爐渣。

圖4 等離子氣化流程模擬

表3 固廢衍生燃料的物性參數(shù)

固廢衍生燃料處理過(guò)程中的有機(jī)部分在2個(gè)反應(yīng)器中進(jìn)行,分別是高溫反應(yīng)器(HTR)和低溫反應(yīng)器(LTR)。這種處理方法利用非化學(xué)計(jì)量公式解決化學(xué)平衡問(wèn)題。通過(guò)最小化給定物質(zhì)組合的吉布斯自由能,可以確定平衡組成,無(wú)需考慮可能發(fā)生的反應(yīng)。HTR模擬等離子體反應(yīng)堆的主區(qū)域,其平均運(yùn)行溫度約為2 500 ℃。等離子體射流直接撞擊垃圾,LTR的運(yùn)行溫度約為1 000～1 400 ℃,用于將有機(jī)廢料氣化為合成氣體。在HTR之前,有一個(gè)RYIELD反應(yīng)器(DECOMP)的階段,用于模擬廢料的分解。在這個(gè)階段,根據(jù)近似和最終分析的廢物產(chǎn)量分布,固體廢物的有機(jī)部分被分解成其組成元素。在能量平衡方面,與廢物分解相關(guān)的反應(yīng)熱被視為連接DECOMP反應(yīng)器和HTR的“熱流”(E-502)。衍生燃料中的水分會(huì)蒸發(fā),并隨合成氣一起離開(kāi)反應(yīng)器。在等離子氣化反應(yīng)器模型中使用2個(gè)分離裝置(S-501)、(S-502)和1個(gè)混合器(MIX-2)。

2.3 模型驗(yàn)證

為了驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性,使用現(xiàn)有文獻(xiàn)中的參數(shù)值,并將模擬結(jié)果與文獻(xiàn)中結(jié)果進(jìn)行比較,如表4所示。由表4可知,所提出模型的仿真結(jié)果與文獻(xiàn)中的結(jié)果高度一致,從而驗(yàn)證了模型的可靠性與精確性。

表4 制備乙酰丙酸系統(tǒng)模型驗(yàn)證

3 結(jié)果與分析

3.1 系統(tǒng)能量分析

針對(duì)建立的仿真模型,為了對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行可靠性分析,評(píng)估工藝過(guò)程的能量效率,找出能量消耗的關(guān)鍵環(huán)節(jié),提出以下假設(shè):(1)分析過(guò)程中,系統(tǒng)始終保持熱力學(xué)平衡和穩(wěn)態(tài)運(yùn)行;(2)各仿真模塊均為零維度模型,內(nèi)部熱力學(xué)參數(shù)分布均勻;(3)基準(zhǔn)環(huán)境為溫度25.0 ℃,壓力為一個(gè)大氣壓;(4)假設(shè)系統(tǒng)為孤立的,熱量和質(zhì)量沒(méi)有損失。

為了直觀闡述創(chuàng)新系統(tǒng)內(nèi)能量轉(zhuǎn)化與利用的機(jī)理,對(duì)新系統(tǒng)繪制了能量流動(dòng)示意圖,圖5清晰地展示流程從一個(gè)單元到另一個(gè)單元的流動(dòng)情況以及各單元之間的相互關(guān)系。設(shè)木質(zhì)纖維素料漿能量輸入為84.89 MW,作為基準(zhǔn)值的100%。經(jīng)過(guò)換熱器的預(yù)熱,進(jìn)入反應(yīng)器,如前所述,精餾提純系統(tǒng)在工藝供熱能源需求中占了很大一部分。精餾提純段的熱損失達(dá)45.46 MW,是整個(gè)工藝中熱損失最大的。為確保精餾塔的正常運(yùn)行和提餾段的分離效果,精餾塔的冷凝器出口溫度應(yīng)控制在適當(dāng)范圍內(nèi)。由于精餾塔的冷凝水溫度較低,若要再次利用,需要將其加熱至較高溫度才能再次進(jìn)入精餾塔,這樣會(huì)消耗大量的能源,不符合節(jié)能減排的原則。

通過(guò)對(duì)RDF及生物質(zhì)碳的利用,可得到40.63 MW的合成氣。圖6給出了從原料到乙酰丙酸產(chǎn)品的各單元工藝?yán)涠?熱端的能量需求,其中負(fù)號(hào)代表冷端需求。通過(guò)燃燒乙酰丙酸副產(chǎn)品生產(chǎn)的沼氣和通過(guò)等離子氣化技術(shù)處理腐殖質(zhì)碳與固廢中的垃圾衍生燃料生產(chǎn)的高熱值合成氣,來(lái)提供過(guò)程需要的熱量。工藝熱端能源需求為142.69 MW。余熱利用系統(tǒng)可預(yù)熱木質(zhì)纖維素漿料,減少凈熱端需求并實(shí)現(xiàn)余熱利用。余熱利用系統(tǒng)可以回收閃蒸塔塔頂出來(lái)的氣相副產(chǎn)品的潛熱,還可以對(duì)精餾塔出來(lái)的產(chǎn)品冷卻熱量進(jìn)行利用,減少熱量損失。設(shè)定最小傳熱溫差為20 K。較大的傳熱溫差可以減少換熱器的換熱面積,降低成本。供熱凈能源需求為58.98 MW。制取乙酰丙酸系統(tǒng)流程的主要模擬結(jié)果見(jiàn)表5。

圖6 不同單元模塊所需的工藝熱量

表5 固廢基乙酰丙酸系統(tǒng)流程模擬結(jié)果

沼氣和合成氣的熱值分別為23.00 MJ/kg和9.45 MJ/kg。生物質(zhì)鍋爐從燃料到蒸汽的能源效率至少為80%[18]。部分蒸汽用于滿足系統(tǒng)熱端需求。剩余的蒸汽在背壓和冷凝汽輪機(jī)中發(fā)電,作為廠用電量及等離子炬能耗。等離子氣化系統(tǒng)和厭氧發(fā)酵的熱量分別為39.77 MW和27.45 MW,這些熱量足以滿足制取乙酰丙酸工藝的熱端需求,可在沒(méi)有外部能源供應(yīng)的情況下生產(chǎn)LA。值得注意的是,在所有過(guò)程中,分離稀硫酸水溶液(D-302)的精餾塔所需熱量最多,約占總過(guò)程熱量的75.23%。由于萃取塔中使用了大量萃取劑,導(dǎo)致D-302的能量占比顯著增加。

目前,已有一些嘗試用于減少?gòu)乃芤褐蟹蛛xLA及副產(chǎn)物的能量輸入,其中包括使用不同的提取溶劑。盡管Nhien等[17]篩選了乙醇、MIBK和糠醛等提取溶劑來(lái)分離水溶液中的LA和FA,但在降低熱負(fù)荷方面仍然面臨挑戰(zhàn)。

3.2 等離子氣化分析

為了更好地探明氣化過(guò)程的整體性能,引入等離子氣化效率,它反映了等離子氣化處理廢物的效率,是評(píng)價(jià)等離子氣化技術(shù)的重要指標(biāo)之一,可以表示為

(1)

式中:qm,r為垃圾輸入質(zhì)量流量,kg/h;QLHV,s為垃圾的低位發(fā)熱量,MJ/kg;qm,s為合成氣質(zhì)量流量,kg/h;QLHV,s為合成氣的低位發(fā)熱量,kJ/kg;Ptor為等離子體火炬的功耗,MW;ηtor為等離子體火炬效率,取值90.00%[19];ηe為發(fā)電效率,取值39.00%[2]。

第二，資金匱乏。我國(guó)的養(yǎng)老服務(wù)項(xiàng)目在目前主要依靠政府購(gòu)買(mǎi)的方式來(lái)維持，由于政府購(gòu)買(mǎi)服務(wù)的資金比重較為偏低，導(dǎo)致服務(wù)受眾群體范圍變窄，很多需要幫助的老人不能享受到相應(yīng)的服務(wù)，從而使養(yǎng)老的福利性嚴(yán)重不足[9]。另外，由于智慧養(yǎng)老直接服務(wù)群體和間接服務(wù)群體的支付能力有限等因素的制約，再加上智能設(shè)備的購(gòu)買(mǎi)和維護(hù)成本高等原因，限制了養(yǎng)老服務(wù)對(duì)象的積極參與；專(zhuān)業(yè)服務(wù)人才隊(duì)伍建設(shè)成本高；政府資金投入力度不夠，資金獲取渠道單一；系統(tǒng)編程制作與系統(tǒng)維護(hù)成本高，支撐系統(tǒng)軟件的硬件設(shè)施成本高等，都是當(dāng)前智慧養(yǎng)老服務(wù)模式建設(shè)所面臨的挑戰(zhàn)。

等離子體氣體在3 000 ℃下產(chǎn)生,考慮等離子體火炬熱效率,得到等離子體火炬的功耗。固廢衍生燃料和生物質(zhì)碳的進(jìn)料量分別為3 821 kg/h和6 459 kg/h時(shí),氧氣質(zhì)量流量為5 199 kg/h,需要為等離子氣化爐提供4.73 MW的高溫等離子電弧耗功。等離子氣化爐在常壓下運(yùn)行,產(chǎn)出15 480.8 kg/h、9.45 MJ/kg的高品質(zhì)合成氣。合成氣主要組成為CO和N2。氣化爐的整體氣化效率可達(dá)69.94%。等離子氣化爐的相關(guān)參數(shù)和氣化爐出口合成氣參數(shù)如表6和表7所示。

表6 等離子氣化爐參數(shù)

表7 等離子氣化爐出口合成氣參數(shù)

3.3 經(jīng)濟(jì)性分析

為對(duì)新系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行評(píng)估,假設(shè)系統(tǒng)的運(yùn)營(yíng)成本以及收入不變。表8為評(píng)價(jià)該系統(tǒng)的一些基本假設(shè)。假設(shè)整個(gè)系統(tǒng)的年運(yùn)行時(shí)間為8 000 h[14],生命周期為20 a,其中建設(shè)周期為2 a,運(yùn)行周期為18 a。第一年支出40%,第二年支出60%。系統(tǒng)投資主要有設(shè)備購(gòu)置成本和運(yùn)行維護(hù)成本。假設(shè)年維護(hù)成本為總設(shè)備投資的10%,其中包括6%的維修費(fèi)用和4%的維護(hù)成本。

表8 經(jīng)濟(jì)性分析基本假設(shè)與參數(shù)

規(guī)模因子法是一種用于經(jīng)濟(jì)性評(píng)估的方法,考慮了不同規(guī)模企業(yè)的運(yùn)營(yíng)成本和收益,從而評(píng)估不同規(guī)模企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效率。通過(guò)規(guī)模因子法,可以評(píng)估不同規(guī)模的經(jīng)濟(jì)效率,進(jìn)而制定更加合理的經(jīng)營(yíng)策略。此外,規(guī)模因子法還可以用于評(píng)估不同地區(qū)、不同行業(yè)的經(jīng)濟(jì)效率,為政策制定者和投資者提供決策參考。各設(shè)備成本計(jì)算的方法及公式見(jiàn)表9所示。

(2)

表9 設(shè)備成本計(jì)算方法

式中:Cnew為基準(zhǔn)年新成本,萬(wàn)元;Cbase為基礎(chǔ)成本,萬(wàn)元;Snew為新規(guī)模,萬(wàn)元;Sbase為基礎(chǔ)規(guī)模,萬(wàn)元;f為規(guī)模因子,萬(wàn)元。

系統(tǒng)中等離子氣化爐設(shè)備成本為41 861.4萬(wàn)元,在總投資中占比達(dá)33.2%。等離子氣化爐的高成本是由于處理了固廢中的衍生燃料與化工轉(zhuǎn)化過(guò)程中的生物質(zhì)濾餅。其余各部件投資成本見(jiàn)圖7。

圖7 固廢制乙酰丙酸系統(tǒng)中各組成部分的投資成本

使用凈現(xiàn)值(Net present value,NPV)、動(dòng)態(tài)投資回收期(Dynamic payback period,DPP)和內(nèi)部收益率(Internalrate of return,IRR)評(píng)估乙酰丙酸系統(tǒng)的性能[25]。

(3)

(4)

(5)

IRR是通過(guò)求解n年特定壽命的上述方程而獲得的。

表10為系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)分析結(jié)果。其中,年運(yùn)營(yíng)成本為12 551萬(wàn)元。通過(guò)售賣(mài)乙酰丙酸產(chǎn)品得到高額補(bǔ)貼,年凈收入可達(dá)54 212萬(wàn)元,20年內(nèi),凈現(xiàn)值達(dá)到189 483萬(wàn)元,這意味著項(xiàng)目具有經(jīng)濟(jì)可行性,未來(lái)現(xiàn)金流量的不確定性也越低。同時(shí)較大凈現(xiàn)值可以優(yōu)化資源配置,增加競(jìng)爭(zhēng)力。項(xiàng)目?jī)?nèi)部收益率(IRR)可達(dá)37%,投資的潛在回報(bào)大。動(dòng)態(tài)回收周期為5.04 a,擁有投資成本低、風(fēng)險(xiǎn)小、投資回報(bào)快的特點(diǎn)。

表10 固廢基乙酰丙酸系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性分析結(jié)果

4 結(jié)論

(1) 構(gòu)建了一種高效制取高價(jià)值工業(yè)乙酰丙酸的流程。該流程利用清潔高效的等離子氣化技術(shù)將生物質(zhì)碳和固廢中的衍生燃料轉(zhuǎn)化為高熱值合成氣,為制取乙酰丙酸提供熱能。同時(shí)利用余熱回收和沼氣發(fā)酵子單元進(jìn)一步提高能源利用效率。合成氣和沼氣的燃燒滿足系統(tǒng)能量需求。該系統(tǒng)在技術(shù)上可行且具備較高的能源轉(zhuǎn)化效率和較低的環(huán)境污染潛力。

(2) 能量分析表明系統(tǒng)總供熱需求為58.98 MW,精餾單元為主要需求者也是主要損失源。能流圖揭示了MSW轉(zhuǎn)化為高附加值產(chǎn)品的過(guò)程。沼氣和合成氣提供足夠熱能,可提供大于凈供熱需求的熱能,不需要額外的熱能供給。

(3) 該系統(tǒng)具有經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì),實(shí)現(xiàn)廢棄物資源化利用和生產(chǎn)高價(jià)值產(chǎn)品,等離子氣化效率為69.94%。凈現(xiàn)值可達(dá)189 483萬(wàn)元,在5.04 a即可收回投資資金,擁有37%的內(nèi)部收益率。在評(píng)估中,技術(shù)經(jīng)濟(jì)性分析僅涵蓋了設(shè)備投資和維修成本。