基于ASPEN PLUS 的危险废物焚烧过程模拟

龚幸， 张铭， 王争刚

（东华工程科技股份有限公司， 合肥 230024）

危险废物是具有腐蚀性、 毒性、 易燃性、 反应性或者感染性等一种或多种危险特性的固体废物（包括液体废物）， 会对生态环境或者人体健康造成有害影响［1］。 目前， 危险废物的处置已经成为各级政府和公众关注的重要议题， 引起了人们的广泛重视［2-3］。 在危险废物处置技术方面， 目前主要有焚烧、 热解、 安全填埋、 物化及生化处理等方法［4-6］，其目的都是实现危险废物的减量化、 无害化和资源化。 由于焚烧法能够最大程度实现危险废物的减量化和无害化， 同时还能够回收利用部分余热， 因而在我国得到了广泛应用。 目前， 焚烧法是国际上处理危险废物的主流技术之一， 也是美国和WHO 等国家和国际组织优先推荐使用的技术。

在危险废物焚烧类项目的工程设计过程中， 物料衡算与热量衡算（MHB）是工艺设计和设备选型的基础， 常规的MHB 方法往往非常繁琐。 ASPEN PLUS 是生产装置设计、 稳态模拟和优化的大型通用流程模拟软件， 在生物质气化、 煤化工等领域的工程设计中都应用广泛［7-8］。 本研究基于ASPEN PLUS 模拟软件， 对危险废物焚烧工艺流程进行模拟， 同时对模拟结果进行分析和比较， 获得危险废物焚烧的优化工艺条件， 为工程设计和实际操作提供理论指导。

1 焚烧工艺

目前国内的危险废物焚烧工艺大同小异， 其主要区别在于焚烧设备的不同， 常见的焚烧设备包括回转窑、 喷射炉、 固定床和流化床等。 由于能够同时处理固体废物、 污泥、 有机蒸汽和液体废物等固态、 半固态、 液态和气态的废物， 回转窑焚烧工艺在危险废物处置领域中应用非常广泛， 是一种多功能的危险废物处置技术， 其工艺流程如图1所示。

图1 回转窑焚烧工艺流程Fig. 1 Process flow of hazardous waste incineration using rotary kiln

回转窑焚烧系统由贮存系统、 上料系统、 焚烧系统、 余热利用系统和烟气净化系统构成。 外来危险废物进入贮存系统后， 经过预处理和配伍后进入上料系统， 经滑道和推筒给料机进入回转窑内。 危险废物在回转窑内部经过60 ～120 min 的高温焚烧， 物料被焚烧成为烟气和灰渣。 回转窑操作温度在850 ～1 100 ℃之间， 高温烟气从回转窑尾部进入二燃室， 焚烧产生的灰渣从回转窑尾部落入出渣机， 水冷后固化填埋。 高温烟气在二燃室内部进一步燃烧， 温度控制在1 100 ℃以上， 并维持2 s 以上的停留时间， 以尽可能去除烟气中的有害成分。二燃室排出的烟气进入余热锅炉， 回收利用热量，生产部分低压蒸汽， 随后进入烟气净化系统， 分别经过脱硝、 激冷、 干法脱酸、 除尘及湿法脱酸后，实现达标排放。 活性炭贮仓在袋式除尘器入口烟道上将活性炭喷入烟气中， 去除二噁英， 被袋式除尘器分离出来的飞灰经固化后填埋处理。

2 ASPEN PLUS 模型建立

2.1 模型建立

“回转窑-二燃室”是回转窑燃烧系统的核心，危险废物的充分燃烧是其无害化处置的关键。 采用ASPEN PLUS 软件对危险废物焚烧过程进行模拟，在使用该软件建立模型时， 设定假设条件： 回转窑与二燃室无压力降且内部处于稳态， 其参数与时间无关； 危险废物中的C、 H、 O、 N、 S 全部转化成气相； 危险废物反应速度很快， 能够快速达到平衡， 且其中的灰分不参与反应。

根据危险废物燃烧效率高、 反应接近平衡的特点， 本研究采用反应平衡模型并应用Gibbs 自由能最小化的方法进行模拟， 将危险废物焚烧过程分为裂解和燃烧2 个过程。 裂解过程采用DECOMP模块， 燃烧过程采用BURN 模块， 裂解产生的热量导入BURN 模块。 同时将燃烧过程分为2 个BURN模块， 分别用来模拟回转窑和二燃室， 并采用SSPLIT 模块模拟回转窑排渣过程， 建立的模型如图2 所示。

图2 回转窑焚烧工艺ASPEN PLUS 模拟流程Fig. 2 Simulated process of hazardous waste incineration using rotary kiln based on ASPEN PLUS

2.2 模型输入值

ASPEN PLUS 模型建立之后， 还需要输入模型相关参数才能进行计算并得到结果。 本研究模拟计算的危险废物的处理量为1 250 kg／h， 折算成处理量为30 t／d， 回转窑与焚烧炉的操作压力为0.1 MPa。

危险废物由于来源和类别不同， 一般组成比较复杂， 以某设计项目配伍之后的元素分析和工业分析结果为基础进行模拟计算， 结果如表1、 表2所示。

表1 元素分析结果Tab. 1 Results of elemental analysis

表2 工业分析结果Tab. 2 Results of industrial analysis

3 结果与讨论

3.1 热值与烟气温度的关系

危险废物热值高， 焚烧过程中产生的热量也就大， 二燃室出口烟气的温度也会增加， 因此， 危险废物的热值大小直接影响到烟气的出口温度。 通过模拟不同热值危险废物的焚烧过程， 得到不同的烟气温度， 结果见图3。

图3 烟气出口温度随危险废物热值变化情况Fig. 3 Variation of outlet smoke temperature along with heat value of hazardous waste

分析模拟计算结果可以得到， 当危险废物的干基热值从16 MJ／kg 变化至26 MJ／kg， 烟气的出口温度也从797 ℃升高至1 268 ℃， 二者几乎呈线性关系。 在实际生产中， 烟气温度一般控制在850 ～1 250 ℃， 如果温度过低， 会导致废物燃烧不充分，不满足危险废物无害化处置的要求， 而烟气温度过高， 则会超过焚烧设备的耐受范围， 不利于设备的长期使用。 根据模拟计算结果， 结合实际生产过程的温度控制要求， 危险废物配伍之后的干基热值宜在16 ～26 MJ／kg。 当危险废物热值过低时， 则需要喷入部分柴油或天然气作为补充燃料， 以确保危险废物的焚烧效果。

3.2 预热空气对烟气温度的影响

入炉空气温度对二燃室烟气出口温度存在直接影响， 也会对余热锅炉的蒸汽产量产生影响。 本研究采用不同的入炉空气温度对焚烧过程进行模拟，为更直观地了解入炉空气温度对烟气出口温度的影响， 回转窑与二燃室两处入炉空气温度保持一致，模拟计算结果如图4 所示。

图4 烟气出口温度随入口空气温度变化情况Fig. 4 Variation of outlet smoke temperature alonge with temperature of transported air

根据模拟结果， 随着入炉空气温度从25 ℃升高至85 ℃， 出口烟气的温度从1 123 ℃升高至1 165℃， 二者几乎成线性关系。 烟气温度升高， 锅炉的产汽量也会随之增加， 因此， 焚烧装置有余热蒸汽或废热的情况下， 对入炉空气进行加热处理， 可以提高锅炉的产汽量， 也能提升焚烧装置的能量利用效率。

3.3 气固比与烟气含氧量的关系

在焚烧过程中， 入炉空气量的多少直接影响到焚烧过程效果， 当入炉空气量过小， 危险废物可能会燃烧不完全， 而入炉空气量过大， 不仅会降低二燃室烟气的出口温度， 同时还会导致后续余热回收系统和烟气净化系统的处置负荷增加， 不利于生产。 在实际生产中， 为了给焚烧炉提供合适的入炉空气量， 一般将二燃室烟气出口的含氧量控制在6%～10%。 由于二燃室出口烟气的含氧量往往取决于入炉空气的总量， 因此， 在模拟计算时， 维持入炉危险废物总量不变， 通过调整入炉空气总量来考察烟气出口温度变化， 其中， 回转窑空气量与二燃室空气量之比按2 ∶3 进行输入， 模拟结果如图5 所示。

本研究采用气固比（入炉空气总量与危险废物质量之比）来评估空气量对焚烧过程的影响， 从模拟计算结果可知， 当气固比从6 变化到16 时， 烟气含氧量从1.2% 逐渐升高至12.9%， 且在气固比较低的条件下， 空气量增加， 对于提高含氧量的趋势越明显。 结合实际生产需要和模拟结果， 焚烧过程的气固比维持在8 ～12 之间， 可以使得焚烧过程处于相对较优的状态。

图5 气固比与出口烟气含氧量的关系Fig. 5 Relationship between gas-solid ratio and oxygen content of outlet smoke

4 结语

回转窑焚烧是目前我国广泛应用的危险废物处置技术， 利用ASPEN PLUS 软件建立了焚烧处置危险废物的模型， 并进行了模拟计算， 计算结果表明： ①危险废物配伍之后， 干基热值宜在16 ～26 MJ／kg 之间； ②在有余热的情况， 应尽可能提高入炉空气的温度， 可以提高焚烧装置的能量利用效率； ③危险废物的焚烧过程在优化状态时， 气固比在8 ～12 之间。 本研究的模拟计算结果能够为工程设计和实际生产过程提供理论支持和技术参考。