模擬輸液器的熱解特性

207年1月Jmch第58卷第1期學(xué)Vol 58 No IJanuary 2007研究論文模擬輸液器的熱解特性祝紅梅,嚴建華,沈逍江,蔣旭光,岑可法(能源潔凈利用國家重點(diǎn)實(shí)驗室(浙江大學(xué)),浙江杭州310027)摘要:建立非化學(xué)計量平衡模型,根據 Gibbs最小自由能原理對醫療垃圾中的典型組分輸液器進(jìn)行平衡分析,根據分析結果擬合出產(chǎn)物分布的計算公式。通過(guò)危險廢物熱解焚燒多功能試驗臺進(jìn)行試驗,試驗結果驗證了計算公式的可靠性,從而通過(guò)公式可直接預測醫療垃圾中典型組分輸液器熱解后的各產(chǎn)物百分含量關(guān)鍵詞:醫療垃圾;輸液器:熱解; Gibbs自由能;平衡分析中圖分類(lèi)號:X705文獻標識碼:A文章編號:0438-1157(2007)01-0222-0Pyrolysis properties of simulated transfusion tubeZHU Hongmei, YAN Jianhua, SHEN Xiaojiang, JIANG Xuguang, CEN KefaState Key laboratory of Clean energy Utilization (Zhejiang University), Hangzhou 310027, Zhejiang, China)Abstract: A non-stoichiometic equilibrium model based on the gibbs free energy minimization approach wasdeveloped to analyze the pysolysis of typical medical waste-transfusion tube. The equations of pyrolysisproducts distribution were established on the basis of equilibrium analysis. Also the reliability of thesequations was verified by experimenting on the hazardous waste rotary kiln. These equations could be usedto predict distribution of pysolysis products directly.Key words: medical waste; transfusion tube; pyrolysis; Gibbs free energy; equilibrium analysis熱解是在無(wú)氧或缺氧條件下,高溫加熱有機引言物,使有機物分子鏈斷裂進(jìn)行熱分解,分解成裂解醫療垃圾含有大量的病毒、病菌及化學(xué)藥劑,氣與裂解焦的過(guò)程。裂解氣是由一氧化碳、二氧化是對環(huán)境危害極大的危險廢物。組成的多變又對醫碳、甲烷、氫氣、有機酸、焦油和水蒸氣等組成的療垃圾的處理裝置有很大的影響。目前已有多種技混合氣體,裂解焦則以碳為主。按熱解的溫度不術(shù)可用于醫療垃圾的處置,如清洗消毒、高溫消同,分為高溫熱解(>1273K)、中溫熱解毒、填埋和焚燒等。由于焚燒能夠做到廢棄物的(873~973K)和低溫熱解(<873K)。其中加熱減量化、穩定化、無(wú)害化,在所有可行的醫療垃圾方式又可分為直接加熱和間接加熱。在對醫療垃處理中,該法已被證明是破壞傳染性和有毒性物圾進(jìn)行熱解焚燒的處理過(guò)程中,由于組分復雜,以質(zhì)、減少體積和重量的有效方法之一。各國也在不及不允許將醫療垃圾的包裝袋打開(kāi),因此獲得醫療斷地完善醫療垃圾焚燒技術(shù),為減少焚燒中產(chǎn)生酸垃圾旳比例數據是困難的,直接進(jìn)行熱解試驗很難性氣體等污染物·目前更多的是采用熱解-焚燒對產(chǎn)物的組分和分布有良好的把握,因此在試驗前方法2。對熱解的物質(zhì)進(jìn)行熱力學(xué)平衡分析,可以指導設計05-12-21收到初稿.2006-06-12收到修改稿Received date: 2005-12-21.聯(lián)系人:蔣旭光。第一作者:祝紅梅(1982—),女,博士研Corresponding author: Prof. JIANG Xguang. E- mail究生jiangxg@cmeezju.edu.cn第1期祝紅梅等:模擬輸液器的熱解特性223和更好地完成試驗。常用復雜化學(xué)平衡計算方法主1.2反應氣體組成要有兩大類(lèi):(1)根據質(zhì)量作用定律解線(xiàn)性/非過(guò)量空氣系數a為實(shí)際采用的空氣量與各元素線(xiàn)性方程組;(2)某種目標函數的最優(yōu)化。目前使完全燃燒所需理論空氣量總和的比例?？諝庵械某捎幂^多的是以 Gibbs最小自由能為主的目標函數最分按O2:N2為21:79考慮。平衡分析時(shí)的過(guò)量?jì)?yōu)化方法。將復雜化學(xué)平衡的分析結果進(jìn)行擬空氣系數a選取0、0.2、0.4、0.6、0.8、1。由于合得到模擬輸液器的熱解產(chǎn)物分布計算公式,從而α為θ時(shí)的純熱解,試驗為達到熱解氣的順暢排直接預測產(chǎn)物的分布,為進(jìn)一步的工況預測和系統出,需用高純度的N2作為載氣,因此采樣的氣體優(yōu)化提供幫助。中N2含量包括作為載氣的N2,使試驗結果不真實(shí)α為1時(shí),不屬于熱解的范疇。所以試驗中只選取1模型建立0.2、0.4、0.6、0.8的過(guò)量空氣系數進(jìn)行試驗醫療垃圾的熱解中,進(jìn)入反應器的物料成分極1.3反應使用溫度其復雜。從表1某醫療垃圾處置中心進(jìn)行采樣后的平衡分析溫度373~1273K,試驗溫度773K。結果可見(jiàn),實(shí)際醫療垃圾中的塑料所占的百分含量1.4分析方法僅次于玻璃。醫療垃圾中的塑料又以聚丙烯為制作1.4.1平衡分析模型基于 Gibbs最小自由能的原料的輸液器最典型,且PVC的性質(zhì)在生活垃圾 Factsage5.0熱化學(xué)平衡分析軟件。反應模型見(jiàn)圖1,的研究中已經(jīng)涵蓋,作為簡(jiǎn)化,模型中只選取聚丙air(O,, N,)product烯為分析物料。其他的組分如棉花和紙等,將在今eactorN, CH,, H,, CO2.后的研究中作相應的分析,將各個(gè)組分進(jìn)行混合,C, H,O, N,S, water, ash從而建立完整的醫療垃圾的分析模型CO, C2H6, H s, so圖1反應模型表1醫療垃圾的組成成分Table 1 Component analysis of medical waste/%1.4.2試驗裝置試驗在危險(醫療)廢物熱解Plas焚燒多功能試驗臺上進(jìn)行,試驗用的回轉窯結構示62,4214,8511,827,883,03意圖見(jiàn)圖2。根據輸液器的元素分析,在模型中建立5種元素組成,根據物料守恒和 Gibbs最小自由能原理預測在此元素組成的基礎上完全反應后的平衡分析。1.1反應物質(zhì)組成聚丙烯的元素分析見(jiàn)表2(空氣干燥基),灰作為惰性物質(zhì)假設不參與反應。試驗中采用直徑約圖2回轉窯試驗臺結構示意圖為3mm的球形聚丙烯顆粒作為物料。試驗時(shí)窯內的Fig 2 Sketch map for rotary kiln物料填充率控制在10%~15%,物料量為2kg·h11-heater: 2-transmission wheel 3--seal 4-feed-intfeed-inelectromotor: 6--inert gases: 7-bracket表2聚丙烯的工業(yè)分析和元素分析(空氣干燥基)8-transmission electromotor: 9--dragsTable 2 Approximate ultimate analysisof polyproylene如圖2所示,回轉窯主要由以下幾個(gè)部分組成:加熱爐、傳動(dòng)裝置、密封、給料裝置、灰渣裝Approximate analysis/%置、測溫及控制系統、送風(fēng)和供氣系統、引風(fēng)和排煙系統。給料裝置方面根據物料特性不同,設計了0.25螺旋給料杋和手動(dòng)給料機。對于聚丙烯顆粒,采用Ultimate analysis/%螺旋給料機送料,并在回轉窯出口采樣ON1.4.3試驗方法在熱解試驗中所需空氣由鼓風(fēng)224化工報第58卷驗采用慢加熱方式,反應終溫為773K。為0時(shí),固定碳的含量隨著(zhù)溫度的升高而增加;與1.4.4熱解氣成分分析試驗采用100m的注射此同時(shí),熱解氣體的產(chǎn)物的熱值降低。α為0.6、針筒為容器,氣樣由 Trace go2000型氣相色譜儀溫度為873K時(shí),C已全部發(fā)生反應.因此剩余固進(jìn)行分析,儀器分為氫類(lèi)、永久性氣體、烴類(lèi)3個(gè)定碳的熱值為0,對應a為0.6時(shí)的氣體產(chǎn)物熱值通道,測定了氣體中的H2、N2、CO、CO2、也在873K時(shí)保持不變。a為0.2和0.4時(shí)則由于CHa、CaH4、CnH等成分的體積百分含量。最后C隨著(zhù)溫度的升高,逐漸發(fā)生發(fā)應,固定碳的含量氣體的平均成分是通過(guò)氣體在不同時(shí)刻的成分和其減少,熱值也減少;對應的氣體產(chǎn)物的熱值增加在該時(shí)刻氣體瞬時(shí)產(chǎn)率權值的乘積疊加而成。為了因此對于醫療垃圾中的輸液器,用空氣熱解時(shí),要將計算結果和試驗結果進(jìn)行對比,將CH、C2H4、產(chǎn)生最大的氣體產(chǎn)物熱值,熱解溫度高于873K時(shí)CHn等具有相同燃燒性質(zhì)的烴類(lèi)氣體進(jìn)行疊加,合理的α為0.4;溫度低于873K時(shí),合理的α為0。歸為CmHn一類(lèi)氣體成分350002結果及分析250002.1平衡分析結果20002.1.1壓力為0.1MPa時(shí),773K下不同過(guò)量空氣系數下的氣體產(chǎn)物分布從圖3的T=773K不a=0.8同過(guò)量空氣系數下的平衡氣體產(chǎn)物可見(jiàn),隨著(zhù)過(guò)量空氣系數α的增大,反應產(chǎn)物的百分含量分布變化723773823873923973趨勢不同,N2所占的比例顯著(zhù)增加;CO2及CO所占比例也增加;而烴類(lèi)氣體CH和H2所占比例圖4不同a下的氣體產(chǎn)物熱值下降。也即說(shuō)明隨著(zhù)α增加.通入反應器的N2量Fig 4 Caloric of gas product atdifferent excessive air增大,N2為惰性氣體,因此產(chǎn)物中N2所占的比重增大。而CnH,和H2則由于a的增加轉化為CO2、24000CO和H2O而減少。20000a=f8060CH4000og=08a-17237738238739239730203040.50.60.70.80.91.0圖5不同α下的剩余固定碳熱值圖3T=773K時(shí)不同a下的平衡氣體產(chǎn)物different excessive airFig 3 Distribution of gas product byequilibrium analysis由圖6輸液器的總熱值圖可見(jiàn),由于α的增2.1.2壓力為0.1MPa時(shí),能量平衡由圖4不加,帶入大量的N,使得隨著(zhù)α的增加,模擬輸液器總熱值減少。在α為0時(shí),所得到的總熱值和同過(guò)量空氣系數下的氣體產(chǎn)物熱值和圖5不同過(guò)量空氣系數下固定碳的熱值可見(jiàn),隨著(zhù)過(guò)量空氣系數通過(guò)工業(yè)分析得到的模擬輸液器的熱值45823Ja的增加,熱值變化不同,但遵循能量守恒原理8一致,反映了能量守恒原理。在輸液器元素分析中,本身含有氧元素的量幾乎為2.2計算分析0,a為0時(shí),C幾乎沒(méi)有轉化為CO2和CO,而只由 Gibbs最小自由能原理得到的在不同過(guò)量空氣系數和溫度下的平衡分析,CH和H2是隨著(zhù)a第1期祝紅梅等:模擬輸液器的熱解特性225hae3000023773823873923973圖6不同a下的總產(chǎn)物熱值Fig 6 Caloric of all products atdifferent excessive air而增加,擬合的計算公式為三2015y, (a)= Aa"(Ca+D+e)j=CO CO2 N2(2)0203040.50.60.70.8各參數的值見(jiàn)表3。表3不同組分的擬合系數Table 3 Coefficient for differentCoefficient CmHCO0.6622.2795.73816.8679.61B1.5690.0839-0.8060.4640.1520.07760.03250.4563.2561.30.2930.361.7832.0371.4580.203040.5060.70.82.3試驗結果圖7的T=773K不同過(guò)量空氣系數下氣體產(chǎn)115物分布的試驗結果中,CO2表示的是通過(guò)試驗測得的CO2的值。與圖4對比可知各產(chǎn)物的變化趨勢810.5與平衡分析的結果一致。020304050.60.70.8COre(d)86e8410三780203040.506070.gz76圖7T=773K試驗所得氣體產(chǎn)物分布74Fig 7 Distribution of gas productT=773 K by experiment圖8計算值與試驗值對比2.4計箅結果與試驗結果的對比226化工報第58卷值對比圖中,CH表示通過(guò)計算得到的CmH的incineration, Journal of Hazardous Materials, 1996值,CH表示通過(guò)試驗得到的CnHn的值。各氣(48):1-30體組分百分含量計算結果與試驗結果的變化趨勢一[3] Li xinguo(李新國), Zhou xin(周欣), Zhang Yufeng(張于峰). Pyrolytic incineration treatment of hospi致,差值在5%以?xún)?因而在不同的a下,可通過(guò)wastes.Gas&Heat(煤氣與熱力),2004(9):495-497計算公式直接求得實(shí)際熱解過(guò)程中的近似值[4] Zhao muyu(趙慕愚), Xu Baokun(徐寶琨). ComplicatedChemical equilibrium Calculate(復雜化學(xué)平衡計算)3結論[5 Frandsen F, Johansen K D, Rasmussen P. Trace elements醫療垃圾中由于組成復雜,不同工況下的產(chǎn)物from combustion and gasification of coal-an equilibria受諸多因素的影響。approach. Prog. Energy Combust1994,20(1)(1)從熱力學(xué)上分析,在包含C、H、O、N115-138S組分的系統中,產(chǎn)物主要由N2、CO2、CH[6 Helble J J. Mojlahed W, Lyyranen J, et al. Trace elementpartitioning during coal gasification. Fuel. 1996, 7(8)H2O、CO、H2,少量的C2H、H2S、NH3、SO931-939等組成。實(shí)際的試驗中,由于H2O在熱解氣體排71Lii(李季), Yang Xuemin(楊學(xué)民), Lin weigang(林出過(guò)程和采集過(guò)程受冷管壁作用凝結而無(wú)法測量a). Thermodynamics equilibrium analysis of municipal(2)熱解產(chǎn)物的生成和含量主要受溫度和過(guò)量solid wastes incineration system. Journalof Fuel Chemistryand Technology(燃料化學(xué)學(xué)報),2003,131(6):空氣系數的影響。熱力學(xué)平衡分析可以預測產(chǎn)物的584-588組成及百分比含量以及溫度、過(guò)量空氣系數和壓力8 Ma libo, Li Shuiqing, Xiang Guangming, Yao Qiang對產(chǎn)物分布的影響。libRium an(3)經(jīng)試驗驗證,擬合的計算公式可以直接計算在不同過(guò)量空氣系數下醫療垃圾中輸液器熱解將dvances in Waste Incineration and EmissionControl. Hangzhou: International Academic Publishers產(chǎn)生的熱解氣組分近似含量。World Publishing Corporation, 2004: 61-64(4)對醫療垃圾中其他典型組分進(jìn)行類(lèi)似上述9 Liu weicheng, Xu Yunpeng, Tian Zhijian,etat.A分析,同時(shí)進(jìn)一步研究不同溫度下的產(chǎn)物分布,將hermodynamic analysis on the catalytic combustion of有利于提岀醫療垃圾的整個(gè)熱解產(chǎn)物模型。為實(shí)際methane. Journal of Natural Gas Chemistry, 2003(12)237-242的工程設計和研究提供參考數據。從而更好地了解101 Fadi Eldabbagh. Karl K Rink, Janusz A Kozinski. A novel醫療垃圾的整個(gè)熱解過(guò)程,并為將來(lái)的優(yōu)化處理提approach towards waste treatment in FBC//18th供幫助。International Conference on fluidized bed combustionToronto: ASME, 2005: FBC2005-78090References[11 Tobias Proll, Reinhard Rauch, Christian Aichernig, et alFluidized bed steam gasification of solid biomassanalysis[1] Xu changzhong(徐長(cháng)忠), Yuan Changyou(袁長(cháng)友)nent of medical Garbage-Pyrolysissimulation//18th International Conference on Fluidized BedDevelopment(科技縱橫),2004Combustion. Toronto: ASME, 2005: FBC2005-78129[21 Lee CC. Huffman G L. Medical waste management