基于气化和热解的医疗垃圾-废旧轮胎联合资源化利用系统性能分析

图1 基于气化和热解的医疗垃圾-废旧轮胎联合资源化利用系统示意图

Fig. 1 Diagram of combined medical waste-waste tire resource utilization system based on gasification and pyrolysis

医疗垃圾进入气化炉并转化为粗合成气，然后利用换热器和分离器冷却高温合成气并进行净化。同时，预处理后的轮胎被供应给热解反应器，热解炭从热解反应器底部析出，热解油和热解气在4#换热器中冷却后被分离。随后，气化合成气和热解合成气混合后被送至燃气轮机子系统。

在燃气轮机子系统中，清洁的合成气被合成气压缩机压缩后进入燃烧室，空气被空气压缩机压缩后进入燃烧室，燃料的化学能通过燃烧释放并转化为烟气的热能，随后，高温烟气进入燃气轮机中膨胀做功，产生电能。燃气轮机出口的烟气首先为轮胎热解子系统提供热源，这减少了该系统额外的热量输入，之后流经双压余热锅炉进行热量回收。

2 系统建模及评价指标

2.1 仿真模型

采用Aspen Plus和EBSILON Professional软件对新系统进行模拟。Aspen Plus是世界公认的标准大型过程模拟软件，具有最符合工业要求的完整物理特性系统^[17]。EBSILON Professional被广泛用于电站热力系统的设计、优化、改造和运行过程^[18]。通过设置必要的初始条件和中间参数，结合相关组件库，建立系统模型如图2所示。

图2

图2 基于气化和热解的医疗垃圾-废旧轮胎联合资源化利用系统仿真模型

Fig. 2 Simulation models for combined medical waste-waste tire resource utilization system based on gasification and pyrolysis

基于新系统，在建模和分析过程中进行以下假设：1）系统在稳态条件下工作；2）系统内动能和势能的变化忽略不计；3）合成气压缩机、空气压缩机、燃气轮机、蒸汽轮机和泵的等熵效率分别为85%、85%、90%、90%和80%^[19]；4）环境温度和压力分别为25.0 ℃和101.325 kPa。

2.2 能量评价指标

冷气效率被用来评估等离子气化器的性能，计算公式如下：

η_{C G E} = \frac{m_{s y n} \times Q_{L H V, s y n}}{m_{m w} \times Q_{L H V, m w} + \frac{E_{t o r} + E_{A S U}}{η_{e l}}}

(1)

式中：m_syn为合成气流量，kg/s； $Q_{L H V, s y n}$ 为合成气低位发热量，kJ/kg；m_mw为医疗垃圾流量，kg/s； $Q_{L H V, m w}$ 为医疗垃圾低位发热量，kJ/kg；E_tor为等离子体火炬消耗的能量，kW；E_ASU为空分装置消耗的能量，kW；η_el为系统循环的电效率。

系统的总能量输出效率计算公式如下：

η_{t o t, e n} = \frac{E_{n e t, e l} + E_{o i l} + E_{c h a r}}{E_{a i r} + E_{o_{2}} + E_{m w} + E_{t}}

(2)

式中： $E_{n e t, e l}$ 为系统输出的净电能，kW； $E_{o i l}$ 为热解油的能量，kW； $E_{c h a r}$ 为热解炭的能量，kW； $E_{a i r}$ 、 $E_{o_{2}}$ 分别为空气流、氧气流的能量，kW； $E_{m w}$ 、 $E_{t}$ 分别为医疗垃圾、废旧轮胎的能量，kW。

2.3 经济性评价指标

采用传统净现值(net present value，NPV)和动态投资回收期(dynamic payback period，DPP)评估新系统的经济性。当净收入等于总投资时，DPP值越小，资本回收周期越快。具体计算公式如下：

C_{N P V} = \sum_{y = 1}^{k} \frac{C_{i n} - C_{o u t}}{(1 + i_{d i s})^{y}}

(3)

\sum_{y = 1}^{D P P} \frac{C_{i n} - C_{o u t}}{(1 + i_{d i s})^{y}} = 0

(4)

式中： $C_{N P V}$ 为净现值；C_in、C_out分别为项目的年现金流入、流出金额；i_dis为贴现率；y为项目已投运年限；k为项目的寿命周期。

3 仿真结果与分析

3.1 系统性能参数

3.1.1 等离子气化子系统

在评估新系统的性能时，选取典型的医疗垃圾作为等离子气化炉的原料，医疗垃圾的物性参数(基于收到基)^[20]见表1。利用Aspen Plus模拟医疗垃圾的气化过程，得到气化炉的参数^[21]和出口合成气的参数分别如表2、3所示。

表1 典型医疗垃圾的物性参数

Tab. 1 Physical parameters of typical medical waste

参数		数值
工业分析	水分质量分数/%	0.32
	固定碳质量分数/%	0.55
	挥发分质量分数/%	99.13
	灰分质量分数/%	0.00
元素分析	碳质量分数/%	81.55
	氢质量分数/%	12.13
	氧质量分数/%	5.74
	氮质量分数/%	0.15
	硫质量分数/%	0.11
低位发热量/(MJ⋅kg^-1)		42.49

表2 等离子气化炉的参数

Tab. 2 Parameters of plasma gasifier

项目	数值
医疗垃圾进料量/(kg⋅s^-1)	1.00
氧气进口流量/(kg⋅s^-1)	0.34
氧气进口温度/℃	25.00
合成气出口流量/(kg⋅s^-1)	1.34
合成气出口温度/℃	1 105.14
等离子体火炬热功率%	85
等离子体火炬耗功/kW	1 830
空分耗功/kW	340
冷气效率/%	82.04

表3 等离子气化炉出口合成气的参数

Tab. 3 Parameters of syngas at the outlet of plasma gasifier

参数		数值
合成气组成成分	H₂摩尔分数/%	24.29
	CO摩尔分数/%	35.04
	CH₄摩尔分数/%	20.08
	H₂O摩尔分数/%	0.20
	N₂摩尔分数/%	0.01
	H₂S摩尔分数/%	0.05
	HCN摩尔分数/%	0.14
低位发热量/(MJ⋅kg方正汇总行^-1)		30.40

医疗垃圾以1 kg/s的固定速率进入气化炉，在与气化剂(0.34 kg/s的纯氧)混合后发生反应。气化炉出口产生的合成气流量为1.34 kg/s，其主要成分为H₂、CO和CH₄，原始合成气的低位发热量为30.40 MJ/kg。在等离子体火炬消耗1.83 MW电能的情况下，气化炉冷气效率可达到82.04%。气化炉出口合成气具有较高的温度，需经过冷却和净化后才可作为燃气轮机燃料使用。

3.1.2 轮胎热解子系统

轮胎主要由橡胶、聚合物、硫磺、碳黑和其他化学品组成，废旧轮胎的物性参数(基于收到基)^[22]如表4所示。在Aspen Plus中，轮胎被定义为非常规固体，同时，设定反应器的温度为580 ℃，这接近于燃气轮机的排气温度。高温烟气在为热解反应器提供所需的热量后，进入余热锅炉加热给水。

表4 废旧轮胎的物性参数

Tab. 4 Physical parameters of waste tire

参数		数值
工业分析	水分质量分数/%	1.50
	固定碳质量分数/%	30.00
	挥发分质量分数/%	55.00
	灰分质量分数/%	13.50
元素分析	碳质量分数/%	75.00
	氢质量分数/%	7.00
	氧质量分数/%	2.70
	氮质量分数/%	0.30
低位发热量/(MJ⋅kg^-1)		34.38

轮胎热解子系统的参数如表5所示。废旧轮胎以0.042 3 kg/s的进料速率进入热解反应器后发生一系列化学反应，产生合成气、热解油和热解炭，随后，来自热解反应器的高温蒸汽产品在换热器中被冷却到40 ℃。热解油含有100多种成分，并且可以出售；热解合成气和气化产生的合成气混合后，一同进入燃气轮机子系统。

表5 轮胎热解子系统的参数

Tab. 5 Parameters of the tire pyrolysis subsystem

参数	数值
热解反应器的温度/℃	580.00
轮胎进料量/(kg⋅s^-1)	0.042 3
热解产物的冷却温度/℃	40.00
热解合成气的流量/(kg⋅s^-1)	0.002 2
热解油的流量/(kg⋅s^-1)	0.026 1
热解炭的流量/(kg⋅s^-1)	0.008 3

3.1.3 燃气轮机子系统

由气化和热解产生的合成气混合后被输送到燃气轮机子系统。燃气轮机子系统的参数如表6所示。1.34 kg/s的合成气被压缩到1.69 MPa，与40.74 kg/s的加压空气一起进入燃烧室，参与燃烧反应。燃烧室出口产生42.08 kg/s的烟气，温度高达1 249.51 ℃，经过燃气轮机膨胀做功后，烟气温度降至591.70 ℃，随后进入热解反应器，为轮胎热解子系统提供热量。

表6 燃气轮机子系统的参数

Tab. 6 Parameters of gas turbine subsystem

参数	数值
空气进气温度/℃	25.00
空气进气压力/MPa	0.10
空气进气流量/(kg⋅s^-1)	40.74
空气压缩机的机械效率/%	99.00
燃烧室进口压力/MPa	1.69
燃烧室出口温度/℃	1 249.51
燃气轮机机械效率/%	99.00
燃气轮机出口温度/℃	591.70

3.1.4 蒸汽循环子系统

从热解反应器出来的烟气进入双压余热锅炉，烟气热量被回收。蒸汽循环子系统的参数^[23]如表7所示。

表7 蒸汽循环子系统的参数

Tab. 7 Parameters of steam cycle subsystem

参数	数值
高(中)压蒸汽温度/℃	543.0(258.0)
高(中)压蒸汽压力/MPa	12.40(1.03)
高(中)压汽轮机等熵效率/%	90.0(90.0)
高(中)压汽轮机机械效率/%	99.0(99.0)
凝汽器压力/MPa	0.004 8

3.2 能量分析

在进料量不变的条件下，对集成系统进行能量分析，结果如表8所示。集成系统输出总能量为25.74 MW，其中热解子系统输出1.42 MW，其余能量以电能形式输出，包括2部分：燃气轮机输出14.53 MW；蒸汽轮机输出9.79 MW。考虑等离子体火炬和空分装置消耗的额外电能，系统输出净总能量为23.59 MW，总能量效率为52.56%。

表8 集成系统的能量分析

Tab. 8 Energy analysis of integrated system

参数	数值
医疗垃圾进料量/(kg⋅s^-1)	1.00
气化剂(氧气)流量/(kg⋅s^-1)	0.34
轮胎进料量/(kg⋅s^-1)	0.04
热解子系统输出的能量/MW	1.42
系统输出的电能/MW	24.32
等离子体火炬耗功/MW	1.83
空分装置耗功/MW	0.32
系统输出的净总能量/MW	23.59
系统的总能量输出效率/%	52.56

为了进一步说明集成系统的能量利用和转化机理，绘制了该系统的能流图，如图3所示。输入系统的总能量为100%，等离子体火炬消耗1.83 MW电能的同时，气化炉产生的合成气能量为44.19 MW，经冷却除杂后，40.81 MW清洁的合成气进入燃气轮机子系统，同时，3.36 MW的热量由换热器从高温合成气中回收。含1.02 MW能量的空气被压缩后参与燃烧反应，不包含等离子体火炬消耗的功率，燃气轮机输出的电能为12.70 MW，随后，26.82 MW的烟气热量伴随着含有1.36 MW能量的轮胎被输送到热解子系统。热解子系统利用高温烟气的一部分热量后，剩余26.26 MW热量的烟气被输入到蒸汽循环子系统，该子系统在输出电能的同时，通过废气输送给周围环境3.52 MW(7.84%)的热量，凝汽器损失16.31 MW的热量，占总能量输入的36.34%，是系统中能量损失最大的部位。

图3

图3 集成系统的能量流动示意图

Fig. 3 Energy flow diagrams of the integrated system

图4给出了本文提出的集成系统与MSW^[24]、集成等离子体气化/燃料电池(integrated plasma gasification/fuel cell，IPGFC)^[25]、IPGCC^[26]、燃料电池/燃气轮机/蒸汽循环(SOFC+GT+ST)^[27]等系统的能量利用效率对比。可以看出，与单一的电能生产系统相比，本文提出的系统具有更高的能量利用效率。

图4

图4 不同系统的能量利用效率

Fig. 4 Energy utilization efficiency of different systems

3.3 经济性分析

为评估所提集成系统在经济上的可行性，根据表9所示相关参数^[28-33]进行经济性分析。

表9 经济性分析相关参数

Tab. 9 Parameters related to economic analysis

参数	数值
生命周期/a	20
建设周期/a	1
年运行时间/h	7 000
医疗垃圾处理补贴/(元/t)	3 080.03
玻璃样渣的价格/(元/t)	357.10
热解油的价格/(元/t)	776.88
热解炭的价格/(元/t)	471.44
上网电价/[元/(kW⋅h)]	0.65
运行成本/万元	10%总投资
贴现率/%	10
人民币对美元汇率	6.64

基于经验公式法和规模因子法，估算新系统的设备投资成本。表10、11分别给出了2种方法下各组成部分的成本估算。

表10 基于经验公式法的成本估算

Tab. 10 Cost estimation based on empirical formula

部件	成本计算公式	变量注释	来源文献
气化炉/热解反应器	$2.9 \times 10^{6} \times {(3.6 \times m)}^{0.7}$	m为物料的质量流量	[13]
换热器	$1_{} 632 \times A_{S G C}^{0 . 637_{} 5}$	$A_{S G C}$ 为换热面积	[34]
压缩机	$91_{} 526 \times {(W / 455)}^{0.67}$	W为压缩机耗功	[34]
燃烧室	$\begin{array}{l} \frac{48.64 \times m_{a i r}}{0.995 - P_{o u t} / P_{i n}} \times \\ (1 + e^{0.018 \times T_{o u t} - 26.4}) \end{array}$	$m_{a i r} 、 T_{o u t} 、 P_{i n} 、 P_{o u t}$ 分别为空气流量、出口烟气温度、进口烟气压力、出口烟气压力	[34]
燃气轮机	$[- 98.328 \times l n (W_{G T}) + 1_{} 318.5] \times W_{G T}$	$W_{G T}$ 为燃气轮机发电功率	[34]
余热锅炉	$1_{} 000 \times [a (Q / Δ T_{m l})^{0.8} + b m_{s} + c m_{g}^{1.2}]$	$m_{s} 、 m_{g} 、 Δ T_{m l} 、 Q$ 分别为蒸汽流量、烟气流量、传热温差、换热量；蒸发器，a=6.5，省煤器、过热器，a=13；b=21.276；c=1.184	[34]
蒸汽轮机	$6^{} 000 \times W^{0.7}$	W为发电功率	[34]
凝汽器	$3_{} 000 \times (Q_{c o n d} {/ 10)}^{0.55}$	$Q_{c o n d}$ 为凝汽器放热量	[34]
发电机	$60 \times W^{0.95}$	W为发电功率	[34]
泵	$2_{} 000 \times W_{p u m p}^{0.65}$	$W_{p u m p}$ 为泵的耗功	[35]

表11 基于规模因子法的成本估算

Tab. 11 Cost estimation based on scaled factor approach

部件	参考成本/(×10³美元)	参考规模	规模因子	来源文献
等离子体火炬	1 500.00	5.75 MW	0.91	[29]
1#分离器	33 650.00	4 232.70 kmol/h	0.65	[36]
空分装置	45 700.00	76.68 t/h	0.50	[36]

新系统中各组成部分的投资成本如表12所示。该系统的总投资为27 791.07万元，等离子气化系统投资占比最大，为总投资的45.36%，燃气轮机子系统和蒸汽循环子系统的投资分别占总投资的27.54%和25.24%。

表12 新系统中各组成部分的投资成本

Tab. 12 Investment cost of each component in the novel system

组成		投资成本/万元
等离子气化子系统	气化炉	4 720.39
	等离子体火炬	350.63
	1#、2#、3#换热器	97.98
	1#分离器	3 603.28
	空分装置	3 833.84
	合计	12 606.12
热解子系统	热解反应器	515.72
	4#换热器	3.02
	合计	518.74
燃气轮机子系统	合成气压缩机	8.92
	空气压缩机	710.38
	燃烧室	53.54
	燃气轮机	6 505.89
	发电机	373.64
	合计	7 652.37
蒸汽循环子系统	余热锅炉	3 534.67
	蒸汽轮机	3 070.76
	凝汽器	116.36
	泵	45.42
	发电机	246.63
	合计	7 013.84
总计		27 791.07

新系统的经济性分析结果如表13所示。在运营期间，集成系统的年总收入为17 927.25万元，远高于年运营成本2 779.10万元。假设贴现率为10%，动态回收周期的计算结果表明，完成资本回收的时间仅为3.13年。在经济性分析的20年期限内，系统净现值达到72 797.81万元。由此可见，新系统的经济性是相当突出的。

表13 新系统的经济性分析结果

Tab. 13 Economic analysis results of the novel system

参数	数值
年净发电量/(MW⋅h)	155 152.26
年炉渣产量/t	4 536.00
年净发电收入/万元	9 942.57
年垃圾处理补贴/万元	7 761.68
年炉渣销售收入/万元	161.98
年热解油销售收入/万元	51.16
年热解炭销售收入/万元	9.86
年总收入/万元	17 927.25
总投资成本/万元	27 791.07
年运营成本/万元	2 779.10
动态回收周期/年	3.13
净现值/万元	72 797.81

4 结论

提出了一种基于医疗垃圾等离子气化和轮胎热解的新型多联产系统，利用能量分析法和经济性分析法对新系统进行了综合评估，得出以下结论：

1）当原料进料量保持不变时，新系统输出的总能量为23.59 MW，电能占93.98%，热解油和热解炭分别占4.75%和1.27%。

2）新系统的总能量效率为52.56%，这是因为以高温烟气为热源的热解装置，使烟气热量得到了充分利用，实现了炭油电的联合生产。因此，与其他垃圾发电/集成系统相比，新系统具有较高的能量利用效率。

3）新系统的动态投资回收期仅为3.13年，在20年的寿命期内可实现相对净现值72 797.81万元，具有较好的经济性。

4）要想实现工业上的应用，还需要考虑实际排气温度与热解温度的温差，轴封漏气、烟气系统环保设施的流动阻力和引风机功耗等对系统的影响。

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