我国城市固体废弃物气化熔融的特性
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(2) 气化过程用 Rgibbs 模块来表征，其功能是 在设定输出物质种类的前提下，以物质和元素守恒为 前提，模拟吉布斯自由能最小化时的化学平衡．
(3) 熔融过程用 Rstoic 反应器表征．Rstoic 可在 已知反应物的情况下自建燃烧过程，并计算每一个燃 烧反应的反应热．
(4) 熔融产物中气体和灰分的分离过程用 Sep 模块表征．分离后的气体温度很高，可以通过换热器 进行余热利用． 1.2 模型有效性验证
（b）Aspen Plus 模拟流程示意 图 1 试验台与 Aspen Plus 构建的模拟流程示意
·420·
燃烧科学与技术
第 19 卷 第 5 期
用来拟合典型热化学反应产物的热物理性质[11]． 对应图 1(a)所示的试验台，图 1(b)给出了气化
熔 融 模 拟 流 程 ．该 流 程 中 气 化 熔 融 工 艺 由 分 解 (DECOMP)、气化(GASIFY)、熔融(MELTING)和分 离(SPLIT)等 4 个过程组成，分别与试验台中的各部 分相对应．
Keywords：municipal solid waste；gasification and melting；Aspen Plus；simulation
随着我国经济的快速发展，土地资源日益匮乏， 人们对环境的要求也越来越高，城市生活垃圾的无害 化处理问题给城市的可持续发展带来了严峻的挑 战．目前主要的生活垃圾处理技术包括卫生填埋和 焚烧．卫生填埋技术操作管理简单、处理量大、总体 投资小，但是需要占用大量土地，并且会污染土壤和 地下水．由国家统计局 2003～2010 年的统计数据可 知，垃圾卫生填埋量略有下降，而焚烧处理量占无害
表 1 文献[12]木料特性数据
木料特性 wC, ad wH, ad wN, ad wS, ad wO, ad Mad Aad Vad FC,ad
风燃烧熔融的优点，既可以高效气化低热值垃圾，又 可以迅速完成可燃气的焚烧，保证熔融温度．本文以 该试验台为原型，从热化学平衡角度建立气化熔融工 艺 模 拟 模 型 ，采 用 吉 布 斯 自 由 能 最 小 化 方 法 [6] ，以 Aspen Plus 为模拟平台对不同生活垃圾气化熔融过 程进行分析．产物的动力学和热力学参数从 Aspen Plus 自带的数据库中选取．Aspen Plus 是以热力学平 衡态为基础的大型化工过程模拟软件包，近年来被研 究者广泛用于热转化过程的分析．如中科院的 Liu 等[7]对循环流化床中煤的燃烧进行模拟，通过 5 个反 应器串联的方式得到了温度、空隙率沿炉膛高度方向 的变化情况．Xie 等[8]研究了煤和生物质用 CFB 混烧 时，SO2、NO 和 N2O 的排放．国外的学者 Nikoo 和 Doherty 等[9-10]通过模拟生物质在流化床中的气化过 程，得出了温度、颗粒大小以及过量空气系数等对气 化特性的影响规律．这些研究结果在实验结果的预 测和工艺流程的优化等方面发挥了很好的作用．
关键词：城市固体废弃物；气化熔融；Aspen Plus；模拟
中图分类号：TK6
文献标志码：A
文章编号：1006-8740(2013)05-0418-07
Gasification and Melting Characteristics of MSW in China
Zhang Lijing，Yu Dujiang，Huang Qunxing，Chi Yong
化处理量的比例从 2003 年的 5%上升到 2010 年的 19%，由此可以看出，垃圾焚烧处理技术正在逐步受 到重视．
传统的焚烧法减容效果好，处置速度快，但是燃 烧过程和尾气净化控制不严格，容易产生二次污染， 特别是会产生二噁英等物质[1]．Ni 等[2]调查了国内的 19 台垃圾焚烧炉，检测结果表明，二噁英排放浓度平 均毒性当量为 0.423,ng TEQ/m3，国标 1.0 达标率为
(1) 分解过程用 Ryield 反应模块表征，其功能 是实现“非常规组分”到“常规组分”的转化，即在 进料的分子结构、热力学参数及动力学模型不清楚 时，将其分解为元素单质，从而进行化学反应相关参 数 的 计 算 ，分 解 产 物 的 产 率 分 布 由 计 算 模 块 的 Fortran 来控制．
熔融过程由于温度较高，因此对废弃物的热值、 含水率等参数有一定的要求．国外已有的研究普遍 以分选垃圾或衍生燃料(refuse derived fuel，RDF)为 处理对象．国内城市生活垃圾由于缺乏完善的分类 收集体系，成分复杂，不同时间和地区的垃圾组分差 异很大，并且热值较低，因此国内已有的研究一般都 采用单一或混合高热值物料作为实验对象，对混合垃 圾气化熔融特性的研究较少．为了掌握我国典型原 始生活垃圾气化熔融处置的可行性和影响因素，笔者 基于流化床气化与旋风燃烧熔融反应器，采用热化学 平衡计算模型，研究了 11 种不同组分混合城市生活 垃圾的气化熔融产物特性，得到了满足气化熔融温度 条件的最佳过量空气系数和最大含水率，并讨论了氧 浓度和垃圾含水率对气化产物组分的影响．论文研 究结果有利于深入认识气化熔融技术在国内的适应 性，也为新一代废物能源化利用处置技术的发展提供 参考依据．
第 19 卷 第 5 期 2013 年 10 月
DOI 10.11715/rskxjs. R201212017
燃烧科学与技术 Journal of Combustion Science and Technology
我国城市固体废弃物气化熔融的特性
Vol.19 No.5 Oct. 2013
张立静，余渡江，黄群星，池 涌
为了验证该模型的有效性，按照肖刚等[12]的实 验参数进行了模拟计算，并将模拟结果与实验结果进 行了对比．实验物料为木料，过量空气系数取 0.4，与 实验保持一致．实验时气化温度为 600,℃，木料低位 热值为 16,121,kJ/kg，木料特性数据见表 1．模拟与实 验结果对比见图 2．模拟结果显示，气化产物 CO2、 CO 和 H2 的比例随气化温度的变化趋势与实验结果 基本吻合，尤其在气化温度为 600,℃时，模拟预测的 气体组分比例与实验结果非常相近．但 CH4 的预测 趋势与实验有较大差距，这是因为 CH4 与水蒸气的 反应为吸热反应，温度的升高会促进 CH4 的消耗，所 以 CH4 的预测值随温度的升高而降低．而实际实验
1 气化熔融工艺模拟模型
1—电加热部分及分解和气化过程；2—熔融过程；3—分离过程 （a）试验台原型
1.1 模型的建立 图 1(a)为本文采用的流化床气化与旋风燃烧熔
融系统试验台原型．流化床气化炉电加热部分的内 径为 98,mm，外径为 450,mm，中间为加热电阻丝 (18,kW)和绝热保温层．布风板位于流化床底部，布 风板以上 750,mm 采用电加热，电加热以上部分的气 化炉内径为 100,mm．该系统结合了流化床气化与旋
2013 年 10 月
张立静等：我国城市固体废弃物气化熔融的特性
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84.2%，欧标 0.1 达标率仅为 31.6%．气化熔融技术是 新一代固体废弃物高效清洁焚烧的一个重要发展方 向，该技术结合了垃圾气化技术和灰渣熔融技术的优 点．其工作原理是垃圾经过预处理后进入气化炉，在 缺氧还原性气氛下进行热解和气化，接着气化产物进 入熔融炉进行高温燃烧，生成玻璃态熔渣．与传统的 焚烧相比，气化熔融技术具有彻底的无害化、显著的 减容性等优势．目前主要的气化熔融技术有瑞士的 Thermoselect 技术、德国的 Siemens 技术、日本的 Ebara 技术等[3]，都已经基本完成中试阶段实验，并开 始了工业化运作与推广．Jiang 等[4]研究了飞灰熔融 时二噁英和重金属的特性，发现飞灰熔融是控制二噁 英和重金属排放的有效方法．李水清等[5]分析了水 分、灰分和有机成分的变化对最佳热值的影响，并从 气-固反应器的角度比较了回转窑、流化床等基础炉 型的气化熔融工艺的技术特点和适用条件，为国内未 来垃圾气化熔融工艺的选择提供了参考．
收稿日期：2012-12-13. 基金项目：国家重点基础研究发展计划(973 计划)资助项目(2011CB201500)；国家科技支撑计划资助项目(2012BAB09B03)；浙江省
科技创新团队资助项目(A2009R50049)． 作者简介：张立静（1988— ），女，硕士，zhlj@zju.edu.cn. 通讯作者：黄群星，hqx@zju.edu.cn. 网格出版时间：2013-07-01. 网络出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/12.1240.TK.20130701.1704.001.html．
(浙江大学能源清洁利用国家重点实验室，杭州 310027)
摘 要：为研究气化熔融技术对国内城市生活垃圾的适应性，以气化熔融试验台为原型，从热化学平衡角度建立了 气化熔融工艺模拟模型．通过研究我国 11 种混合城市生活垃圾的气化熔融性质，得到了满足气化熔融温度要求的 垃圾最大含水率和最佳过量空气系数，并分析了垃圾热值对最大含水率的作用规律以及过量空气系数、含水率和氧 浓度对气化产物的影响．结果表明，过量空气系数在 0.3～0.4 之间时，气化产物热值最高．随着垃圾含水率的升 高，冷气效升高，气化和熔融温度降低．
(State Key Laboratory of Clean Energy Utilization，Zhejiang University，Hangzhou 310027，China)
Abstract ： In order to search the adaptability of gasification and melting technology to municipal solid waste(MSW)in China，a thermochemical model was proposed as a prototype of the gasification and melting test-bed. Through the study on the gasification and melting characteristics of 11 different MSWs，the maximum moisture content and excess air coefficient for waste changing with heat value were obtained under fixed boundary temperature. The effects of excess air coefficient( α )，moisture content(RMC) and oxygen concentration on syngas composition were discussed. The results indicate that a maximum heat value of syngas can be obtained when α is between 0.3 and 0.4. As the moisture content increased，the cold gas efficiency(RCGE)increased while the operation temperature decreased at the same time.
反应物料和生成产物的热物理性质是热化学反 应平衡态计Biblioteka Baidu的一个重要依据．由于固体废弃物属 于 非 传 统 物 料 ，因 此 ，对 于 混 合 垃 圾 物 理 属 性 的 计 算，本文中采用非传统物料物性计算方法 HCOALGEN 和 DCOALIGT 模型，获得物料的热值和标准生成热 等物理性质．在气化和燃烧产物组分特性方面，选用 RKS-BM 物性方法. RKS-BM 采用带有Boston-Mathias 函数 Redlich-Kwong-Soave(RKS)立方状态方程，
(3) 熔融过程用 Rstoic 反应器表征．Rstoic 可在 已知反应物的情况下自建燃烧过程，并计算每一个燃 烧反应的反应热．
(4) 熔融产物中气体和灰分的分离过程用 Sep 模块表征．分离后的气体温度很高，可以通过换热器 进行余热利用． 1.2 模型有效性验证
（b）Aspen Plus 模拟流程示意 图 1 试验台与 Aspen Plus 构建的模拟流程示意
·420·
燃烧科学与技术
第 19 卷 第 5 期
用来拟合典型热化学反应产物的热物理性质[11]． 对应图 1(a)所示的试验台，图 1(b)给出了气化
熔 融 模 拟 流 程 ．该 流 程 中 气 化 熔 融 工 艺 由 分 解 (DECOMP)、气化(GASIFY)、熔融(MELTING)和分 离(SPLIT)等 4 个过程组成，分别与试验台中的各部 分相对应．
Keywords：municipal solid waste；gasification and melting；Aspen Plus；simulation
随着我国经济的快速发展，土地资源日益匮乏， 人们对环境的要求也越来越高，城市生活垃圾的无害 化处理问题给城市的可持续发展带来了严峻的挑 战．目前主要的生活垃圾处理技术包括卫生填埋和 焚烧．卫生填埋技术操作管理简单、处理量大、总体 投资小，但是需要占用大量土地，并且会污染土壤和 地下水．由国家统计局 2003～2010 年的统计数据可 知，垃圾卫生填埋量略有下降，而焚烧处理量占无害
表 1 文献[12]木料特性数据
木料特性 wC, ad wH, ad wN, ad wS, ad wO, ad Mad Aad Vad FC,ad
风燃烧熔融的优点，既可以高效气化低热值垃圾，又 可以迅速完成可燃气的焚烧，保证熔融温度．本文以 该试验台为原型，从热化学平衡角度建立气化熔融工 艺 模 拟 模 型 ，采 用 吉 布 斯 自 由 能 最 小 化 方 法 [6] ，以 Aspen Plus 为模拟平台对不同生活垃圾气化熔融过 程进行分析．产物的动力学和热力学参数从 Aspen Plus 自带的数据库中选取．Aspen Plus 是以热力学平 衡态为基础的大型化工过程模拟软件包，近年来被研 究者广泛用于热转化过程的分析．如中科院的 Liu 等[7]对循环流化床中煤的燃烧进行模拟，通过 5 个反 应器串联的方式得到了温度、空隙率沿炉膛高度方向 的变化情况．Xie 等[8]研究了煤和生物质用 CFB 混烧 时，SO2、NO 和 N2O 的排放．国外的学者 Nikoo 和 Doherty 等[9-10]通过模拟生物质在流化床中的气化过 程，得出了温度、颗粒大小以及过量空气系数等对气 化特性的影响规律．这些研究结果在实验结果的预 测和工艺流程的优化等方面发挥了很好的作用．
关键词：城市固体废弃物；气化熔融；Aspen Plus；模拟
中图分类号：TK6
文献标志码：A
文章编号：1006-8740(2013)05-0418-07
Gasification and Melting Characteristics of MSW in China
Zhang Lijing，Yu Dujiang，Huang Qunxing，Chi Yong
化处理量的比例从 2003 年的 5%上升到 2010 年的 19%，由此可以看出，垃圾焚烧处理技术正在逐步受 到重视．
传统的焚烧法减容效果好，处置速度快，但是燃 烧过程和尾气净化控制不严格，容易产生二次污染， 特别是会产生二噁英等物质[1]．Ni 等[2]调查了国内的 19 台垃圾焚烧炉，检测结果表明，二噁英排放浓度平 均毒性当量为 0.423,ng TEQ/m3，国标 1.0 达标率为
(1) 分解过程用 Ryield 反应模块表征，其功能 是实现“非常规组分”到“常规组分”的转化，即在 进料的分子结构、热力学参数及动力学模型不清楚 时，将其分解为元素单质，从而进行化学反应相关参 数 的 计 算 ，分 解 产 物 的 产 率 分 布 由 计 算 模 块 的 Fortran 来控制．
熔融过程由于温度较高，因此对废弃物的热值、 含水率等参数有一定的要求．国外已有的研究普遍 以分选垃圾或衍生燃料(refuse derived fuel，RDF)为 处理对象．国内城市生活垃圾由于缺乏完善的分类 收集体系，成分复杂，不同时间和地区的垃圾组分差 异很大，并且热值较低，因此国内已有的研究一般都 采用单一或混合高热值物料作为实验对象，对混合垃 圾气化熔融特性的研究较少．为了掌握我国典型原 始生活垃圾气化熔融处置的可行性和影响因素，笔者 基于流化床气化与旋风燃烧熔融反应器，采用热化学 平衡计算模型，研究了 11 种不同组分混合城市生活 垃圾的气化熔融产物特性，得到了满足气化熔融温度 条件的最佳过量空气系数和最大含水率，并讨论了氧 浓度和垃圾含水率对气化产物组分的影响．论文研 究结果有利于深入认识气化熔融技术在国内的适应 性，也为新一代废物能源化利用处置技术的发展提供 参考依据．
第 19 卷 第 5 期 2013 年 10 月
DOI 10.11715/rskxjs. R201212017
燃烧科学与技术 Journal of Combustion Science and Technology
我国城市固体废弃物气化熔融的特性
Vol.19 No.5 Oct. 2013
张立静，余渡江，黄群星，池 涌
为了验证该模型的有效性，按照肖刚等[12]的实 验参数进行了模拟计算，并将模拟结果与实验结果进 行了对比．实验物料为木料，过量空气系数取 0.4，与 实验保持一致．实验时气化温度为 600,℃，木料低位 热值为 16,121,kJ/kg，木料特性数据见表 1．模拟与实 验结果对比见图 2．模拟结果显示，气化产物 CO2、 CO 和 H2 的比例随气化温度的变化趋势与实验结果 基本吻合，尤其在气化温度为 600,℃时，模拟预测的 气体组分比例与实验结果非常相近．但 CH4 的预测 趋势与实验有较大差距，这是因为 CH4 与水蒸气的 反应为吸热反应，温度的升高会促进 CH4 的消耗，所 以 CH4 的预测值随温度的升高而降低．而实际实验
1 气化熔融工艺模拟模型
1—电加热部分及分解和气化过程；2—熔融过程；3—分离过程 （a）试验台原型
1.1 模型的建立 图 1(a)为本文采用的流化床气化与旋风燃烧熔
融系统试验台原型．流化床气化炉电加热部分的内 径为 98,mm，外径为 450,mm，中间为加热电阻丝 (18,kW)和绝热保温层．布风板位于流化床底部，布 风板以上 750,mm 采用电加热，电加热以上部分的气 化炉内径为 100,mm．该系统结合了流化床气化与旋
2013 年 10 月
张立静等：我国城市固体废弃物气化熔融的特性
·419·
84.2%，欧标 0.1 达标率仅为 31.6%．气化熔融技术是 新一代固体废弃物高效清洁焚烧的一个重要发展方 向，该技术结合了垃圾气化技术和灰渣熔融技术的优 点．其工作原理是垃圾经过预处理后进入气化炉，在 缺氧还原性气氛下进行热解和气化，接着气化产物进 入熔融炉进行高温燃烧，生成玻璃态熔渣．与传统的 焚烧相比，气化熔融技术具有彻底的无害化、显著的 减容性等优势．目前主要的气化熔融技术有瑞士的 Thermoselect 技术、德国的 Siemens 技术、日本的 Ebara 技术等[3]，都已经基本完成中试阶段实验，并开 始了工业化运作与推广．Jiang 等[4]研究了飞灰熔融 时二噁英和重金属的特性，发现飞灰熔融是控制二噁 英和重金属排放的有效方法．李水清等[5]分析了水 分、灰分和有机成分的变化对最佳热值的影响，并从 气-固反应器的角度比较了回转窑、流化床等基础炉 型的气化熔融工艺的技术特点和适用条件，为国内未 来垃圾气化熔融工艺的选择提供了参考．
收稿日期：2012-12-13. 基金项目：国家重点基础研究发展计划(973 计划)资助项目(2011CB201500)；国家科技支撑计划资助项目(2012BAB09B03)；浙江省
科技创新团队资助项目(A2009R50049)． 作者简介：张立静（1988— ），女，硕士，zhlj@zju.edu.cn. 通讯作者：黄群星，hqx@zju.edu.cn. 网格出版时间：2013-07-01. 网络出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/12.1240.TK.20130701.1704.001.html．
(浙江大学能源清洁利用国家重点实验室，杭州 310027)
摘 要：为研究气化熔融技术对国内城市生活垃圾的适应性，以气化熔融试验台为原型，从热化学平衡角度建立了 气化熔融工艺模拟模型．通过研究我国 11 种混合城市生活垃圾的气化熔融性质，得到了满足气化熔融温度要求的 垃圾最大含水率和最佳过量空气系数，并分析了垃圾热值对最大含水率的作用规律以及过量空气系数、含水率和氧 浓度对气化产物的影响．结果表明，过量空气系数在 0.3～0.4 之间时，气化产物热值最高．随着垃圾含水率的升 高，冷气效升高，气化和熔融温度降低．
(State Key Laboratory of Clean Energy Utilization，Zhejiang University，Hangzhou 310027，China)
Abstract ： In order to search the adaptability of gasification and melting technology to municipal solid waste(MSW)in China，a thermochemical model was proposed as a prototype of the gasification and melting test-bed. Through the study on the gasification and melting characteristics of 11 different MSWs，the maximum moisture content and excess air coefficient for waste changing with heat value were obtained under fixed boundary temperature. The effects of excess air coefficient( α )，moisture content(RMC) and oxygen concentration on syngas composition were discussed. The results indicate that a maximum heat value of syngas can be obtained when α is between 0.3 and 0.4. As the moisture content increased，the cold gas efficiency(RCGE)increased while the operation temperature decreased at the same time.
反应物料和生成产物的热物理性质是热化学反 应平衡态计Biblioteka Baidu的一个重要依据．由于固体废弃物属 于 非 传 统 物 料 ，因 此 ，对 于 混 合 垃 圾 物 理 属 性 的 计 算，本文中采用非传统物料物性计算方法 HCOALGEN 和 DCOALIGT 模型，获得物料的热值和标准生成热 等物理性质．在气化和燃烧产物组分特性方面，选用 RKS-BM 物性方法. RKS-BM 采用带有Boston-Mathias 函数 Redlich-Kwong-Soave(RKS)立方状态方程，