垃圾焚烧发电系统建模分析

周新荣，李 铁，程乐明，赵 晓

（1.张家港密尔克卫环保科技有限公司，江苏 张家港 215600；2.新地环保技术有限公司，河北 廊坊 065001）

随着社会经济的发展及城市化进程的加快，超大城市及大型城市群逐渐发展成型，城市的聚集效应导致区域内人口密度的增大，而人类活动所产生的垃圾也随之快速增加。据测算，预计在2030年，世界垃圾产生量将达到26 亿t，2050年，世界垃圾产生量可能达到34 亿t[1]。近年来，随着政府环保政策日趋严格，垃圾处理越来越受到各方面的重视，如何对城市垃圾进行无害化、减量化和资源化处理是当前急需解决的问题。

目前，主流的垃圾处理方法有填埋法、堆肥法和焚烧法。其中，填埋法是将垃圾填入预先挖好的防渗漏坑中，并将其掩埋压实，借助微生物的分解作用，达到垃圾无害化和减量化的目的[2]。填埋法工艺简单，成本低廉，但是会造成土地资源的浪费，存在垃圾渗滤液污染地下水的隐患。堆肥法是将垃圾堆存并发酵，利用垃圾中的微生物把有机物分解为无机养分，如腐殖质等。堆肥法技术简单，可以实现垃圾的减量化和部分资源化，但是垃圾分类要求较高，垃圾分解过程产生的臭气会污染空气[3]。焚烧法是利用垃圾中有机物的热解和燃烧反应，在高温条件下实现垃圾无害化和减量化。生活垃圾焚烧后质量可至少减少80%，体积至少缩小90%。在焚烧炉中，高温可以杀死垃圾中的各种病原体和细菌，有毒有害物质大部分被转化为无害物[4]。垃圾焚烧产生的热量可以用于副产蒸汽或发电，有效提高资源回收率。相比之下，垃圾焚烧发电技术在垃圾的减量化、无害化和资源化方面都更具优势。

1 垃圾焚烧发电工艺简介

垃圾焚烧发电工艺主要包括垃圾存储、垃圾焚烧、热能回收、蒸汽发电、烟气处理等环节。垃圾运送至垃圾焚烧发电厂，经称重后卸入料池内，利用抓斗和推料器将垃圾送入焚烧炉进行热解。焚烧炉燃烧过程在自动控制系统和自动燃烧系统监视和调控下进行，炉膛温度一般控制在850～1 050 ℃，同时，为了减少有害物质的生成，烟气停留时间不能低于2 s。另外，要及时有效地调节炉排运行速度和燃烧空气量，对垃圾进行彻底的无害化和减量化处理[5]。垃圾焚烧产生高温烟气，经过焚烧系统内置的换热器回收热能后产生高温蒸汽，蒸汽进入汽轮发电机组后发电。烟气在降温过程中容易生成强致癌物质二噁英，为了抑制其产生，应尽可能缩短烟气降温的时间，目前一般采用急冷法，迅速将烟气温度降低至250 ℃以下。烟气经换热降温、除尘等综合处理达标后排放。垃圾焚烧发电工艺流程如图1所示。

图1 垃圾焚烧发电工艺流程

2 垃圾焚烧发电系统建模

Aspen Plus 软件是一款功能强大的通用流程模拟软件，它包含丰富的物性数据库和单元模型库，广泛应用于化工、能源、环保、医药等领域[6]。垃圾焚烧发电系统的温度很高，烟气停留时间较长，可以近似将焚烧过程的各种化学反应按照达到反应平衡的条件进行处理，该软件中RGibbs 反应器模型可以较为准确地模拟该反应过程。垃圾焚烧发电系统的建模难点在于对垃圾组分的定义，由于垃圾的组成极为复杂，无法直接利用常规组分的配比来进行模拟，因此可以利用垃圾的工业分析、元素分析等数据，采用等效分解的方法进行建模[7]。垃圾焚烧发电系统的原料基础数据如表1所示。其中，工业分析指标包括水分、灰分、挥发分和固定碳，元素分析指标包括C、H、N、Cl、S 和O，其他分析指标为热值。

表1 垃圾的各项分析数据

利用Aspen Plus 软件对垃圾焚烧发电系统进行建模，首先需要将垃圾定义为非常规组分。由于非常规组分无法直接参与化学反应，要利用模型库的RYield反应器模型对垃圾进行等效分解，利用自定义化学反应将垃圾分解为C、H2、N2、O2、S、Cl2等单质以及惰性组分灰渣，整个分解过程是基于Fortran 语句控制，而垃圾的工业分析和元素分析数据可以保证分解过程的质量平衡和元素平衡。垃圾分解后的单质进入RGibbs 反应器模型参与焚烧反应，而从RYield 反应器模型到RGbiss 反应器模型之间引入的能量流可以保证分解和焚烧过程的能量平衡[8]。焚烧产物经过Flash2 模型后，高温烟气与灰渣分离，利用HeatX 模型、Flash2 模型、Mixer 模型以及Pump 模型组成循环系统，模拟废热锅炉吸收高温烟气热能产生蒸汽的过程，该循环系统的计算需要注意循环物流初值的合理设定。废热锅炉产生的蒸汽进入Compr 模型，并选择Turbine 模式模拟蒸汽透平发电的过程。降温后的烟气进入RadFrac 模型模拟激冷与洗涤过程。垃圾焚烧发电系统的工艺模拟流程如图2所示。

图2 垃圾焚烧发电系统的工艺模拟流程

焚烧炉是垃圾焚烧发电系统的核心设备，对应的RYield 模型与RGibbs 模型组合的模拟结果直接关系到模型的准确性。在生产过程中，进料条件一定时，焚烧炉炉温、烟气组成、烟气温度、蒸汽产量、发电量等关键参数是验证模型准确性的依据。将模型计算结果与实际生产数据进行对比，如表2所示。结果表明，利用Aspen Plus 软件建立的垃圾焚烧发电模型可以实现整个工艺系统的物料与能量平衡，由于该模型是绝热体系，不考虑系统与环境的热量交换，系统的焚烧炉炉温、蒸汽量、发电量以及能量利用效率要略高于实际生产数据，除此之外，各工段及设备的主要工艺参数均与实际生产数据可以较好地匹配。

表2 实际生产数据与模拟数据对比

3 结论

本文以某垃圾焚烧发电厂为例，利用Aspen Plus软件建立垃圾焚烧发电系统的稳态模型，并利用实际生产数据验证Aspen Plus 软件自带的热力学物性数据及模型的可靠性。对比结果表明，该模型模拟数据与实际生产数据较为吻合，它可以作为实际生产和运营的分析及优化工具，该建模方法可以为垃圾焚烧发电系统的工艺优化及挖潜提供数据支持。