幾種醫(yī)療垃圾高溫水蒸汽氣化模擬研究

　　摘要：針對(duì)乳膠手套、棉花和輸液器三種典型有機(jī)醫(yī)療廢物，以高溫水蒸氣作為氣化劑;基于吉布斯自由能最小化原理，對(duì)三種醫(yī)療廢物高溫水蒸氣氣化的熱力學(xué)問(wèn)題進(jìn)行模擬研究。探討原料種類(lèi)、氣化溫度和水蒸氣通入量等影響因素，對(duì)合成氣組分、產(chǎn)氣量和產(chǎn)氣低位熱值等評(píng)價(jià)指標(biāo)的影響規(guī)律。模擬結(jié)果表明:在同一工況下，原料中的氫、氧含量決定合成氣中的氫氣與碳氧化物的產(chǎn)量;反應(yīng)溫度與水蒸氣-醫(yī)療垃圾質(zhì)量比(S/W)可改變合成氣各產(chǎn)氣組分及低位熱值，得出最佳反應(yīng)溫度為800℃、S/W為2.0。

　　關(guān)鍵詞：醫(yī)療垃圾高溫水蒸汽氣化Aspenplus

　　醫(yī)療垃圾含有大量的病毒、病菌及化學(xué)藥劑，是一種對(duì)環(huán)境危害極大的廢棄物，醫(yī)療垃圾處理問(wèn)題正日益受到業(yè)內(nèi)人士和全社會(huì)的關(guān)注［1］。醫(yī)療垃圾氣化是將醫(yī)療垃圾通過(guò)熱化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)化為CO、H2和低分子烴類(lèi)等組成的可燃?xì)怏w，同時(shí)反應(yīng)器內(nèi)的高溫能夠有效破壞傳染性、有毒性物質(zhì)，并具有良好的減容、減重和抑制污染物生成的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)醫(yī)療垃圾的減量化、資源化和無(wú)害化［2］。

　　1氣化模型建立及驗(yàn)證

　　1.1氣化模型的建立

　　氣化爐內(nèi)的主要反應(yīng)為原料干燥、熱解、氣化反應(yīng)三個(gè)部分。因此建立模型時(shí)把整個(gè)氣化過(guò)程分為干燥、熱解和氣化三個(gè)部分?；贏spenplus的氣化模擬流程圖見(jiàn)圖1。利用化學(xué)計(jì)量反應(yīng)器(ＲSTOIC)、產(chǎn)率反應(yīng)器(ＲYIELD)、吉布斯反應(yīng)器(ＲGIBBS)三個(gè)反應(yīng)器來(lái)分別模擬干燥、熱解、氣化過(guò)程。具體物料流程為:醫(yī)療垃圾顆粒先經(jīng)過(guò)化學(xué)計(jì)量反應(yīng)器，模擬醫(yī)療垃圾顆粒干燥過(guò)程，其干燥產(chǎn)物經(jīng)過(guò)產(chǎn)率反應(yīng)器將非常規(guī)組分醫(yī)療垃圾顆粒變?yōu)镃、H、O、N、S單質(zhì)以及H2O和不參與反應(yīng)的灰分，再與氣化劑高溫水蒸汽在吉布斯反應(yīng)器內(nèi)混合并發(fā)生氣化反應(yīng)。得出的產(chǎn)物經(jīng)氣固分流器(Ssplit)分離出不參與反應(yīng)的灰分與殘?zhí)浚溆鄽怏w產(chǎn)物通過(guò)組分分離器(Sep)分離出水分，得到最終干燥的合成氣。

　　1.2模型驗(yàn)證

　　利用固定床生物質(zhì)氣化爐的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)［9］對(duì)模型進(jìn)行了驗(yàn)證。固定床的內(nèi)徑200mm，高度400mm，生物質(zhì)進(jìn)料量為1kg/h。實(shí)驗(yàn)原料為油棕櫚顆粒，其工業(yè)分析和元素分析為:ω(M)=6.56%，ω(V)=75.99%，ω(A)=5.33%，ω(F)=12.39%;ω(C)=50.27%，ω(H)=7.07%，ω(N)=0.42%，ω(S)=0.63%，ω(O)=36.28%，Q=20.3MJ/kg。原料中灰分不參與反應(yīng)，模擬過(guò)程忽略焦油。實(shí)驗(yàn)產(chǎn)氣組分及模擬結(jié)果見(jiàn)表1。

　　2模擬與分析

　　按照醫(yī)療垃圾名錄分別選取乳膠手套(橡膠類(lèi))、棉花(生物質(zhì)類(lèi))、輸液器(塑料類(lèi))三類(lèi)醫(yī)療垃圾為原料，利用Aspenplus模擬三類(lèi)醫(yī)療垃圾的氣化過(guò)程。三種原料的工業(yè)分析與元素分析數(shù)據(jù)參照文獻(xiàn)［10］(見(jiàn)表3)，通入量為0.5kg/h。高溫水蒸氣溫度為1000℃，通入量為1kg/h。只考慮此種工況下的主要?dú)怏w產(chǎn)物H2、CO、CO2，得到如下結(jié)果。

　　2.1氣化溫度對(duì)產(chǎn)氣的影響

　　從圖3～圖5可以看出在同反應(yīng)溫度下，H2產(chǎn)量:輸液管＞乳膠手套＞棉花，這與三種醫(yī)療垃圾的氫元素含量相對(duì)應(yīng)(氫元素含量:輸液管＞乳膠手套＞棉花)。三種醫(yī)療垃圾的各組分變化趨勢(shì)大致相同，H2產(chǎn)量均先隨溫度的升高而增加達(dá)到峰值后隨溫度的升高而降低;CO的產(chǎn)量隨溫度的升高而增加，在800℃之后增加趨勢(shì)趨于平緩;CO2的產(chǎn)量隨溫度的升高而降低?？傮w而言，氣化過(guò)程受水汽反應(yīng)CO+H2O=CO2+H2與水煤氣反應(yīng):C+H2O=CO+H2，C+2H2O=CO2+2H2以及C+CO2=2CO聯(lián)合制約。一般認(rèn)為水煤氣反應(yīng)在400℃以上即可進(jìn)行，在600℃以前雙水反應(yīng)占比重較多，因此，CO2的氣體產(chǎn)量在600℃時(shí)最高且高于CO。當(dāng)反應(yīng)溫度由600℃升至700℃時(shí)，溫度升高使一水水煤氣反應(yīng)所占比重增加，且一水反應(yīng)正向進(jìn)行，因此，在600～700℃溫度段，H2和CO產(chǎn)量增加，CO2產(chǎn)量下降。反應(yīng)溫度達(dá)到700℃時(shí)，水汽反應(yīng)開(kāi)始活躍，但該反應(yīng)會(huì)隨溫度增加而逆向進(jìn)行，因此，H2與CO產(chǎn)量隨溫度升高而增加的趨勢(shì)、CO2產(chǎn)量隨溫度升高而下降的趨勢(shì)會(huì)趨于平緩。在800℃以后，水汽反應(yīng)的逆過(guò)程消耗的H2量逐漸大于反應(yīng)H2生成量，因此H2產(chǎn)量會(huì)略下降;CO產(chǎn)量隨溫度的升高繼續(xù)增加;CO2產(chǎn)量隨溫度的升高繼續(xù)下降。但受多個(gè)反應(yīng)的聯(lián)合制約，CO產(chǎn)量的增加趨勢(shì)和CO2產(chǎn)量的下降趨勢(shì)更加平緩。

　　2.2高溫水蒸汽通入量對(duì)產(chǎn)氣的影響

　　圖7表示800℃時(shí)乳膠手套各產(chǎn)氣組分隨S/W(水蒸氣-醫(yī)療垃圾質(zhì)量比)的變化，從圖中可以看出在S/W低于1時(shí)，隨S/W增加，H2、CO、CO2三種氣體產(chǎn)量增加;在S/W1～1.5范圍，CO產(chǎn)量增加趨勢(shì)趨于平緩。當(dāng)S/W超過(guò)1.5后，CO產(chǎn)量隨S/W增加而下降，H2、CO2產(chǎn)量的增加趨勢(shì)趨于平緩。在S/W低于1.5時(shí)，醫(yī)療垃圾未全部參與反應(yīng)，此時(shí)，隨S/W比增加，三種氣體的產(chǎn)量都會(huì)增加，同時(shí)隨通入水量及產(chǎn)生的CO量增加，更多水及CO會(huì)參與到水氣反應(yīng)，造成H2、CO2產(chǎn)量急劇增大，CO產(chǎn)量增長(zhǎng)平緩。當(dāng)S/W超過(guò)1.5后，更多高溫水會(huì)與產(chǎn)氣中的CO反應(yīng)，造成H2、CO2產(chǎn)量繼續(xù)增加，CO產(chǎn)量繼續(xù)下降，但受CO總量制約，三種氣體的變化趨勢(shì)會(huì)趨于平緩。合成氣熱值隨S/W的增加總體呈下降趨勢(shì)，在S/W大于1后下降較快，在S/W大于3后下降平緩。綜合考慮產(chǎn)氣中可燃?xì)怏w產(chǎn)量、合成氣熱值及能耗，可認(rèn)為S/W=2為最佳反應(yīng)條件。在此工況下總產(chǎn)氣量較高，產(chǎn)氣中H2含量較高，CO2含量較低，產(chǎn)氣熱值較高。

　　3結(jié)論

　　建立了一套醫(yī)療垃圾高溫水蒸氣氣化的Aspenplus模型并驗(yàn)證，通過(guò)求解，得出以下結(jié)論:(1)醫(yī)療垃圾本身氫、氧元素含量影響產(chǎn)氣中的氫氣與碳氧化物的組成。同反應(yīng)條件下，醫(yī)療垃圾中氫元素含量越多，產(chǎn)氣中H2產(chǎn)量越多;氧元素含量越多，CO2產(chǎn)量越高、CO產(chǎn)量越低。(2)同工況下，產(chǎn)氣中H2產(chǎn)量隨著氣化溫度的升高而先增加后稍減少，在700～800℃時(shí)，H2產(chǎn)量出現(xiàn)極大值;CO產(chǎn)量隨溫度增加而增加，增加趨勢(shì)在800℃之后趨于平緩;CO2產(chǎn)量隨著溫度的升高而下降。合成氣熱值隨溫度升高而增加，在800℃之后增加趨勢(shì)趨于平緩。得出醫(yī)療垃圾的最佳氣化溫度為800℃。(3)同工況下，在低S/W時(shí)，隨S/W增加，CO、H2、CO2的產(chǎn)量增加;在高S/W時(shí)H2、CO2的產(chǎn)量隨S/W增加而增加，CO產(chǎn)量隨S/W增加而下降。總產(chǎn)氣量隨S/W增加而增加，當(dāng)S/W達(dá)到2.5以后，增加趨勢(shì)平緩。產(chǎn)氣熱值總體隨S/W增加而下降。得出S/W=2為最佳實(shí)驗(yàn)工況。

　　參考文獻(xiàn)

　　1趙春.醫(yī)療垃圾焚燒處理技術(shù)探討.北方環(huán)境，2001;(3):45—48

　　ZhaoChun.Medicalwasteincinerationtechnology.NorthEnvironment，2001;(3):45—48

　　2嚴(yán)建華，祝紅梅，蔣旭光，等.醫(yī)療垃圾多組分熱解氣化特性.浙江大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版)，2008;42(5):885—889

　　YanJianhua，ZhuHongmei，JiangXuguang，etal.Pyrolysisandgasificationcharacteristicofmulti-componentmedicalwaste.JournalofZheJiangUniversity(EngineeringScience)，2008;42(5):885—889

　　3蘇德仁，劉華財(cái)，周肇秋，等.生物質(zhì)流化床氧氣-水蒸氣氣化實(shí)驗(yàn)研究.燃料化學(xué)學(xué)報(bào)，2012;40(3):309—314

　　SuDeren，LiuHuacai，ZhouZhaoqiu，etal.Biomassgasificationwithoxygenandsteaminafluidizedbedgasifier.JournalofFuelChemistryandTechnology，2012;40(3):309—314

　　4GaoNingbo．Hydrogenrichgasproductionfrombiomasssteamgasificationinanupdraftfixedbedgasifiercombinedwithaporousceramicreformer．InternationalJournalofHydrogenNnergy，2008;33:5430—5438

　　陳義勝1王宏坤1龐赟佶1，2馬黎軍1

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