基于OFMSW沼气源的甲烷氧化偶联制乙烯动态过程优化与反应器控制研究

本研究针对有机固体废弃物(OFMSW)厌氧发酵沼气资源化利用难题，创新性地采用动态模拟方法研究甲烷氧化偶联(OCM)制乙烯过程。通过Aspen HYSYS软件建立Na2WO4/Mn/SiO2催化剂体系下管式反应器的动态模型，优化控制策略使反应温度稳定在800°C以下，实现甲烷转化率44.56%、乙烯选择性28.4%的优异性能。该研究为生物质废弃物高值化利用提供了关键技术支撑。

　　

随着全球气候变化加剧和化石资源枯竭，开发可持续的化学品生产路线迫在眉睫。乙烯作为最重要的化工原料之一，传统石脑油裂解工艺面临严峻的碳排放挑战。与此同时，城市有机固体废弃物(OFMSW)厌氧发酵产生的沼气富含甲烷，其高值化利用成为研究热点。甲烷氧化偶联(OCM)技术可将甲烷直接转化为乙烯，但存在反应温度高(>800°C)、催化剂易失活、动态控制困难等瓶颈问题。

意大利罗马大学团队在《Biomass and Bioenergy》发表的研究，创新性地将OFMSW沼气作为原料，通过动态模拟揭示了OCM过程的优化控制规律。研究采用Aspen HYSYS软件构建包含10个反应的复杂动力学模型，以Na₂WO₄/Mn/SiO₂为催化剂，重点解决了反应器温度失控和启动过程不稳定的核心难题。

关键技术方法包括：1) 建立包含LHHW方程和幂律方程的复杂反应网络；2) 设计蒸汽热飞轮(34.4 kmol/h)控制绝热温升；3) 开发级联控制系统(TIC-100/FIC-102)；4) 优化启动程序(氮气/沼气双路径)。研究团队通过稳态模拟确定最佳操作参数后，重点进行了动态响应分析。

反应器性能优化方面，研究表明：

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  蒸汽流量调控可有效抑制热点形成，当入口温度610°C、压力300 kPa时，需34.4 kmol/h蒸汽流量将出口温度控制在800°C安全阈值。

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  催化剂床层温度分布显示反应主要发生在反应器中段，对应甲烷浓度骤降区域，验证了动力学模型的准确性。

控制系统验证方面：

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  通过±20%沼气流量扰动测试，证明优化后的PID控制器可使温度波动控制在±15°C范围内。

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  开发的比例-积分-微分(PID)控制策略使乙烯收率波动小于1.5%，显著优于传统控制方法。

启动过程优化方面：

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  氮气启动方案仅需12分钟达到稳态，比沼气路径快1分钟。

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  采用分阶段流量提升策略(50%-75%-100%)，成功将启动阶段最高温度控制在820°C以下。

该研究的创新价值在于：首次建立了OFMSW-OCM过程的完整动态模型，提出的蒸汽稀释和级联控制策略为工业放大提供了关键技术参数。特别是将启动时间缩短至12分钟，大幅提升了装置经济性。研究结果对实现废弃物资源化与低碳化学品生产的协同发展具有重要指导意义，为碳中和目标下的化工流程再造提供了新思路。

值得注意的是，虽然该研究在模拟层面取得突破，但作者也指出实际工业应用中仍需考虑催化剂长期稳定性(>1000小时)和杂质气体影响等挑战。未来研究可结合实验验证，进一步优化控制算法和热集成方案，推动该技术向工业化迈进。