魏智宇^1，2，楊晴^1，2，周荷雯^1，2，李佳碩^1，2，陳漢平^1，2

（1華中科技大學(xué)煤燃燒國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；2華中科技大學(xué)中歐清潔與可再生能源學(xué)院湖北武漢430074）

　　摘要：介紹國內(nèi)外Aspen Plus在生物質(zhì)熱解模型以及應(yīng)用方面的研究情況，將其分為模型構(gòu)建研究和模型應(yīng)用研究兩部分。其中，熱解模型通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，可以很好的預(yù)測熱解三態(tài)產(chǎn)物產(chǎn)率；模型應(yīng)用多集中在工藝參數(shù)的影響研究，以及系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性和環(huán)境效益評價(jià)；最后總結(jié)Aspen Plus在生物質(zhì)熱解模型搭建的不足和可能的發(fā)展方向。

　　我國作為一個(gè)能源消耗大國，其經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展要求持續(xù)且穩(wěn)定的能源供給。在當(dāng)前能源資源短缺、能源結(jié)構(gòu)不合理以及環(huán)境保護(hù)問題日益嚴(yán)重的背景下，開發(fā)和利用可再生清潔能源已成為我國能源利用新的方向。生物質(zhì)作為目前唯一的具有含碳有機(jī)質(zhì)的可再生資源，可以直接燃燒或與煤混燒用于發(fā)電，也可以通過熱化學(xué)處理轉(zhuǎn)化為生物焦炭、生物燃?xì)庖约吧镉停哂袕V泛的傳統(tǒng)能源替代性。

　　目前，生物質(zhì)熱解技術(shù)發(fā)展很快，從實(shí)驗(yàn)理論研究到工藝中試都取得了不少進(jìn)展，而從工業(yè)化運(yùn)行的系統(tǒng)角度的研究則相對較少。利用Aspen Plus可以完成對熱解系統(tǒng)的全流程工藝模擬，并可以對系統(tǒng)中間投入的物流、能流、功流以及關(guān)鍵運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)和優(yōu)化，是系統(tǒng)推廣到工業(yè)化應(yīng)用的基礎(chǔ)及關(guān)鍵所在。本文著重介紹Aspen Plus模擬軟件在生物質(zhì)熱解領(lǐng)域的應(yīng)用，并對其進(jìn)一步的研究發(fā)展及應(yīng)用提出建議。

　　1 Aspen Plus中的生物質(zhì)熱解模型研究進(jìn)展

　　Aspen Plus是大型化工流程模擬軟件，基于實(shí)際工藝的物理化學(xué)過程所搭建的過程模型，可以很好的應(yīng)用于流程計(jì)算。在生物質(zhì)熱解系統(tǒng)模型中，熱解反應(yīng)模塊的搭建是其中的關(guān)鍵問題。一般的，該模塊可以由RGibbs平衡反應(yīng)器模塊、RYield產(chǎn)率反應(yīng)器模塊以及RCSTR動力學(xué)反應(yīng)器模塊組合搭建完成。其中，RGibbs模塊是基于吉布斯自由能最小原則來計(jì)算反應(yīng)過程的。該模塊不考慮停留時(shí)間的影響，主要用于快速達(dá)到平衡態(tài)的反應(yīng)過程；RYield模塊則是基于反應(yīng)產(chǎn)物分布等實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來計(jì)算反應(yīng)過程的。該模塊主要用于模擬化學(xué)計(jì)量系數(shù)和反應(yīng)動力學(xué)未知的反應(yīng)。而隨著對生物質(zhì)三組分熱解機(jī)理及動力學(xué)研究的不斷推進(jìn)^[1]，逐漸有研究開始關(guān)注以RCSTR反應(yīng)模塊為主的生物質(zhì)熱解反應(yīng)模擬，并討論了溫度對熱解產(chǎn)物分布的影響。

　　1.1基于RGibbs平衡反應(yīng)器模塊的生物質(zhì)氣化模型

　　Aspen Plus應(yīng)用于生物質(zhì)氣化的案例較多，相關(guān)研究也開展較早。由于生物質(zhì)氣化反應(yīng)溫度通常較高，相與相之間的反應(yīng)可以在較短時(shí)間內(nèi)達(dá)到平衡，因而可以忽略停留時(shí)間對反應(yīng)進(jìn)程的影響。所以，在生物質(zhì)氣化反應(yīng)機(jī)理研究還不完善的情況下，利用RGibbs反應(yīng)器模塊對氣化過程進(jìn)行模擬可以獲得相對準(zhǔn)確的結(jié)果。

　　李斌等^[2]搭建了生物質(zhì)氣化過程模型，并討論了空氣當(dāng)量系數(shù)等系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)對氣化效果的影響。該模型的物料流程為：將生物質(zhì)按照元素分析分解為單元素組分，并將這些單元素組分在分流器中分成揮發(fā)分和固定碳。其中，固定碳與空氣燃燒反應(yīng)后進(jìn)入氣化反應(yīng)器，并與之前的揮發(fā)分進(jìn)行平衡計(jì)算。整個(gè)系統(tǒng)的反應(yīng)熱量由燃燒反應(yīng)器提供。由于實(shí)際的氣化反應(yīng)過程中，氣固相的擴(kuò)散影響使得實(shí)際的反應(yīng)達(dá)不到理想的化學(xué)平衡，因此，需要通過限制其中的部分反應(yīng)的反應(yīng)程度或反應(yīng)平衡接近溫度來進(jìn)行修正。該模型模擬的產(chǎn)氣分布與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相差不大，可以很好的模擬氣化過程。

　　1.2基于RYield產(chǎn)率反應(yīng)器模塊的生物質(zhì)熱解模型

　　生物質(zhì)熱解機(jī)理復(fù)雜，且其產(chǎn)物更是多樣，很難用現(xiàn)有的化學(xué)反應(yīng)方程式和動力學(xué)方程來進(jìn)行描述。生物質(zhì)熱解制備生物油的過程受停留時(shí)間影響很大，已不適合用RGibbs平衡反應(yīng)器模塊進(jìn)行計(jì)算。因此，基于熱解實(shí)驗(yàn)的產(chǎn)物分布結(jié)果，規(guī)定復(fù)雜產(chǎn)物的模型化合物，并用RYield產(chǎn)率反應(yīng)器模塊可以更好的對生物質(zhì)熱解產(chǎn)物進(jìn)行預(yù)測。

　　Xing等^[3]基于生物質(zhì)三組分熱解原理，通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合三態(tài)產(chǎn)物與生物質(zhì)組分和溫度之間的關(guān)系，并以此構(gòu)建生物質(zhì)熱解模型。該模型中涉及關(guān)聯(lián)式可以表示為：

　　趙坤等^[4]基于多組分疊加的生物質(zhì)熱解原理，構(gòu)建了RYield收率反應(yīng)器的生物質(zhì)熱解模型。在該模型的三態(tài)產(chǎn)物中，焦炭被定義為混合物，主要成分為半焦和灰分；不凝氣體成分考慮CO、CO₂、H₂、CH₄、C₂H₆、C₃H₈；而液相產(chǎn)物組分復(fù)雜，很難選取其中的代表產(chǎn)物，因此考慮利用差減法得到液相產(chǎn)物中的C、H、O元素含量比，并將其定義為混合物C_x-H_yO_z。其中，x、y、z表示碳、氫、氧之間的成分比例。通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果擬合出產(chǎn)物產(chǎn)率和溫度的關(guān)系曲線，用Fortran語句寫出纖維素、半纖維素和木質(zhì)素的產(chǎn)物產(chǎn)率與各自元素含量的關(guān)系式，便可以模擬計(jì)算熱解產(chǎn)物值。模擬值與實(shí)驗(yàn)對比相差不大，模型得到驗(yàn)證。

　　1.3基于RCSTR動力學(xué)反應(yīng)器模塊的生物質(zhì)熱解模型

　　生物質(zhì)熱解液相產(chǎn)物組成復(fù)雜，需要后續(xù)的分離、提質(zhì)、改性等工藝手段來提高其應(yīng)用價(jià)值。該工藝流程的模擬計(jì)算需要熱解液相產(chǎn)物的組成分布。而RYield收率反應(yīng)器模塊中的生物油被定義為模型化合物，不能夠準(zhǔn)確的模擬出其熱解液相產(chǎn)物組成。因此，逐漸有學(xué)者關(guān)注以RCSTR反應(yīng)器模塊為基礎(chǔ)的生物質(zhì)動力學(xué)熱解模型。

　　Peters等^[5，6]基于生物質(zhì)組分熱解動力學(xué)方程和化學(xué)反應(yīng)方程，構(gòu)建了生物質(zhì)動力學(xué)熱解模型。該模型中的反應(yīng)過程主要由3個(gè)模塊構(gòu)成，其主要流程是：生物質(zhì)首先進(jìn)入RYield分解反應(yīng)器中，并根據(jù)生物質(zhì)組分組成分解為纖維素、半纖維素、木質(zhì)素以及灰分。其中纖維素和半纖維素的模型化合物分別為類木糖纖維單體及木聚糖。而木質(zhì)素模型化合物為6種具有不同O/C和H/C的單體構(gòu)成。隨后，分解后的組分進(jìn)入RCSTR反應(yīng)模塊中進(jìn)行一次熱解反應(yīng)，并根據(jù)實(shí)際反應(yīng)條件來調(diào)節(jié)反應(yīng)溫度和反應(yīng)停留時(shí)間。最后，一次熱裂解產(chǎn)物進(jìn)入二次熱解反應(yīng)模塊修正停留時(shí)間對一次產(chǎn)物的影響。該部分由于缺少相應(yīng)的動力學(xué)方程描述，因此需通過產(chǎn)物與反應(yīng)物的擬合關(guān)系，并考慮氣相停留時(shí)間、反應(yīng)溫度以及焦炭堿金屬含量等因素，以此利用RYield反應(yīng)器進(jìn)行模擬計(jì)算。模擬通過與三態(tài)產(chǎn)物隨溫度分布及液相產(chǎn)物組成的對比得到了很好的驗(yàn)證。

　　2 Aspen Plus在生物質(zhì)熱解工藝中的應(yīng)用進(jìn)展

　　Aspen Plus作為大型化工流程模擬軟件，不僅可以計(jì)算流程中的物流、能流和功流，其內(nèi)置的計(jì)算模塊還可以幫助分析優(yōu)化流程。模擬的結(jié)果可以作為大型工廠設(shè)計(jì)的參考和依據(jù)，也可以為工藝評價(jià)提供數(shù)據(jù)支持。

　　2.1 Aspen Plus應(yīng)用于生物質(zhì)熱解工藝中的模擬研究

　　生活垃圾作為一種生物質(zhì)廢棄物資源，可以通過熱解并加以利用。李延吉等^[7]基于RGibbs平衡反應(yīng)器構(gòu)建了垃圾衍生燃料（RDF）的熱解反應(yīng)模型，并通過實(shí)驗(yàn)和模擬的方法研究了RDF的熱解特性。RDF熱解模擬的基本流程同生物質(zhì)氣化模型類似，原料先經(jīng)過RYield分解為單元素組分和半焦，而后進(jìn)入RGibbs反應(yīng)器中進(jìn)行熱解平衡計(jì)算，并向反應(yīng)器中導(dǎo)入N₂進(jìn)行重整反應(yīng)，反應(yīng)后的產(chǎn)物經(jīng)分流器分離出。該研究利用搭建的模型考察了熱解終溫、不同物料配比、不同物料組成以及添加物對RDF熱解產(chǎn)物產(chǎn)率的影響，并著重討論了熱解終溫對產(chǎn)氣組成的影響。模擬結(jié)果中對熱解產(chǎn)物產(chǎn)率的影響研究與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相仿，而對產(chǎn)氣組成影響的研究則與實(shí)驗(yàn)相差較大，主要是因?yàn)槟M中假設(shè)二次反應(yīng)完全達(dá)到了化學(xué)平衡。因此，認(rèn)為模型可以在一定程度上對不同RDF熱解過程進(jìn)行預(yù)測，并指導(dǎo)該工藝的工業(yè)化運(yùn)用。

　　生物質(zhì)作為一種固體燃料，將其壓縮提高能量密度后可用于燃燒發(fā)電。此外，也可以通過先氣化產(chǎn)生燃?xì)夂螅糜谌細(xì)廨啓C(jī)發(fā)電。Fedyukhin等^[8]基于RGibbs平衡反應(yīng)器構(gòu)建了生物質(zhì)氣化聯(lián)合發(fā)電流程的模型，并討論了燃?xì)廨啓C(jī)的發(fā)電效率。整個(gè)流程主要由兩個(gè)模塊構(gòu)成，即生物質(zhì)氣化和燃燒發(fā)電。生物質(zhì)先經(jīng)過第一個(gè)RGibbs平衡反應(yīng)器計(jì)算得到熱解燃?xì)猓笈c壓縮的空氣一起進(jìn)入第二個(gè)RGibbs平衡反應(yīng)器計(jì)算得到高溫?zé)煔猓⒃谥苯釉诘谝粋€(gè)Turbine模擬計(jì)算燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電過程，做功后的高溫?zé)煔馀c循環(huán)水換熱后用于后續(xù)的蒸汽輪機(jī)發(fā)電。模擬計(jì)算結(jié)果顯示，當(dāng)發(fā)電裝機(jī)容量為50MW時(shí)，該系統(tǒng)的電效率超過40%，而熱解效率則在30～35%。合理地在其他生物質(zhì)廢棄物發(fā)電項(xiàng)目上運(yùn)用該模型進(jìn)行模擬計(jì)算，可以對工程的設(shè)計(jì)提供有益的指導(dǎo)。

　　生物質(zhì)熱解產(chǎn)生的生物油經(jīng)加氫提質(zhì)后，可以生產(chǎn)出具有較高品質(zhì)的液體燃料。Catalán-Martínez等^[9]基于RGibbs平衡反應(yīng)器和RStoic化學(xué)計(jì)量反應(yīng)器構(gòu)建了生物質(zhì)熱解液體燃料生產(chǎn)流程模型，其工藝流程為：首先定義4種液相產(chǎn)物模型化合物，并在RStoic中根據(jù)化學(xué)計(jì)量數(shù)反應(yīng)產(chǎn)生一次裂解物，其后分為2條工藝鏈。一次熱解揮發(fā)分進(jìn)入氣液分離器將液相產(chǎn)物分離出來；一次熱解焦炭則和產(chǎn)氣在RGibbs中進(jìn)行二次氣化反應(yīng)，并通過膜反應(yīng)器分離出H₂用于液相產(chǎn)物提質(zhì)，剩下的燃?xì)庥糜谌細(xì)廨啓C(jī)發(fā)電。模擬結(jié)果表明，當(dāng)氣化床中的氧氣濃度在10～25%，水蒸氣的濃度在15～45%，且生物質(zhì)的C/O大于1時(shí)，該系統(tǒng)的液體燃料收率最大，在20～25%。通過模擬計(jì)算可以得到系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)，從而使得熱力與電力生產(chǎn)達(dá)到穩(wěn)定平衡點(diǎn)。

　　2.2 Aspen Plus應(yīng)用于生物質(zhì)熱解工藝中的評價(jià)研究

　　結(jié)合利用Aspen Plus模擬出來的系統(tǒng)中間投入和產(chǎn)出的物流、能流及功流結(jié)果，系統(tǒng)的整體經(jīng)濟(jì)效益以及環(huán)境效益可以得到核算和評價(jià)。

　　Shemfe等^[10]基于RCSTR動力學(xué)反應(yīng)器模塊構(gòu)建了生物質(zhì)熱解液體燃料生產(chǎn)提質(zhì)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的流程模型，并考察了流程的整體經(jīng)濟(jì)效益。該生產(chǎn)過程可以分成兩個(gè)階段：生物質(zhì)首先依次經(jīng)過干燥模塊、組分分解模塊以及熱解模塊，轉(zhuǎn)化為生物焦炭、生物燃?xì)庖约吧镉停浑S后，分離的生物油進(jìn)入加氫提質(zhì)流程，以提高生物油品質(zhì)，而焦炭和燃?xì)馊紵笥糜诎l(fā)電側(cè)。該模型計(jì)算表明，1kg/s的松木片可以生產(chǎn)出0.24kg/s的汽油柴油類燃料，以及96W的電力。通過利用Aspen Plus中的經(jīng)濟(jì)分析模塊，可以幫助核算出該系統(tǒng)的初期投入為1.66×10⁷英鎊；而敏感性分析表明產(chǎn)品產(chǎn)率以及運(yùn)營成本是影響產(chǎn)品價(jià)格最主要的兩個(gè)因素。

　　Peters等^[11]基于RCSTR動力學(xué)反應(yīng)器模塊構(gòu)建了生物質(zhì)快速熱解制備液體燃料及加氫提質(zhì)模型。在模型流程中，生物質(zhì)先經(jīng)過熱解產(chǎn)生一次裂解油，隨后依次通過加氫處理、加氫裂化、精餾以及蒸汽重整等提質(zhì)過程，從而得到高品質(zhì)的液體燃料。根據(jù)模擬結(jié)果，可以核算出該系統(tǒng)生命周期溫室氣體減排潛力。研究表明相比較傳統(tǒng)液體燃料，利用生產(chǎn)的生物質(zhì)液體燃料可以減少54.5%的溫室氣體排放。在生產(chǎn)系統(tǒng)當(dāng)中，電力消耗是減少整個(gè)環(huán)境影響的關(guān)鍵因素之一，通過提高系統(tǒng)的燃燒效率，可以減少更多的溫室氣體排放。

　　3 Aspen Plus應(yīng)用于生物質(zhì)熱解工藝模擬研究存在的問題

　　隨著生物質(zhì)熱解機(jī)理和特性研究的不斷深入，利用As-penPlus軟件對生物質(zhì)熱解工藝進(jìn)行模擬研究取得了一定進(jìn)展，但仍然存在不足之處。

　　（1）目前生物質(zhì)組分熱解機(jī)理研究還不夠完善，簡化的生物質(zhì)組分模型使得其應(yīng)用受到了限制。在Aspen Plus模擬生物質(zhì)熱解過程中，可以預(yù)測的熱解產(chǎn)物相對較少，特別是生物油組分的預(yù)測，大多數(shù)研究還是將其設(shè)置成模型化合物。

　　（2）由于生物質(zhì)熱解過程中的二次反應(yīng)相對復(fù)雜，目前還沒有涉及到相對完善的動力學(xué)描述。因此，利用Aspen Plus來模擬這一部分的流程還停留在RYield收率反應(yīng)器上，進(jìn)而影響了對熱解產(chǎn)物預(yù)測的準(zhǔn)確性，特別是對熱解氣體組分組成的預(yù)測。

　　（3）在系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性評價(jià)方面，大多數(shù)研究關(guān)注成本、產(chǎn)量等對于整體效益的影響，而對于系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)對經(jīng)濟(jì)性的直接影響研究則相對較少。

　　4結(jié)論與展望

　　通過合理利用Aspen Plus軟件中的反應(yīng)器模塊，許多研究者對生物質(zhì)熱解系統(tǒng)模型的搭建做了比較詳細(xì)的研究，并通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性。基于模型計(jì)算的物流、能流和功流，可以對熱解系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和環(huán)境效益等問題進(jìn)行大尺度的研究，為工業(yè)化可行性提供依據(jù)。但目前對于復(fù)雜熱解產(chǎn)物的組成預(yù)測的研究還不夠完善，鑒于不斷完善的熱解技術(shù)工藝的發(fā)展，今后的模擬研究工作還需要從提高產(chǎn)物預(yù)測準(zhǔn)確性角度來開展。

　　（1）細(xì)化生物質(zhì)組成模型化合物，構(gòu)建更為完善的生物質(zhì)熱解機(jī)理模型。

　　（2）研究熱解揮發(fā)分二次反應(yīng)機(jī)理，通過實(shí)驗(yàn)考察反應(yīng)產(chǎn)物與反應(yīng)條件的關(guān)系，并將其擬合關(guān)系運(yùn)用在熱解模型上。