模拟输液器的热解特性

207年1月Jmch第58卷第1期学Vol 58 No IJanuary 2007研究论文模拟输液器的热解特性祝红梅,严建华,沈逍江,蒋旭光,岑可法(能源洁净利用国家重点实验室(浙江大学),浙江杭州310027)摘要:建立非化学计量平衡模型,根据 Gibbs最小自由能原理对医疗垃圾中的典型组分输液器进行平衡分析,根据分析结果拟合出产物分布的计算公式。通过危险废物热解焚烧多功能试验台进行试验,试验结果验证了计算公式的可靠性,从而通过公式可直接预测医疗垃圾中典型组分输液器热解后的各产物百分含量关键词:医疗垃圾;输液器:热解; Gibbs自由能;平衡分析中图分类号:X705文献标识码:A文章编号: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热解是在无氧或缺氧条件下,高温加热有机引言物,使有机物分子链断裂进行热分解,分解成裂解医疗垃圾含有大量的病毒、病菌及化学药剂,气与裂解焦的过程。裂解气是由一氧化碳、二氧化是对环境危害极大的危险废物。组成的多变又对医碳、甲烷、氢气、有机酸、焦油和水蒸气等组成的疗垃圾的处理裝置有很大的影响。目前已有多种技混合气体,裂解焦则以碳为主。按热解的温度不术可用于医疗垃圾的处置,如清洗消毒、高温消同,分为高温热解(>1273K)、中温热解毒、填埋和焚烧等。由于焚烧能够做到废弃物的(873~973K)和低温热解(<873K)。其中加热减量化、稳定化、无害化,在所有可行的医疗垃圾方式又可分为直接加热和间接加热。在对医疗垃处理中,该法已被证明是破坏传染性和有毒性物圾进行热解焚烧的处理过程中,由于组分复杂,以质、减少体积和重量的有效方法之一。各国也在不及不允许将医疗垃圾的包装袋打开,因此获得医疗断地完善医疗垃圾焚烧技术,为减少焚烧中产生酸垃圾旳比例数据是困难的,直接进行热解试验很难性气体等污染物·目前更多的是采用热解-焚烧对产物的组分和分布有良好的把握,因此在试验前方法2。对热解的物质进行热力学平衡分析,可以指导设计05-12-21收到初稿.2006-06-12收到修改稿Received date: 2005-12-21.联系人:蒋旭光。第一作者:祝红梅(1982—),女,博士研Corresponding author: Prof. JIANG Xguang. E- mail究生jiangxg@cmeezju.edu.cn第1期祝红梅等:模拟输液器的热解特性223和更好地完成试验。常用复杂化学平衡计算方法主1.2反应气体组成要有两大类:(1)根据质量作用定律解线性/非过量空气系数a为实际采用的空气量与各元素线性方程组;(2)某种目标函数的最优化。目前使完全燃烧所需理论空气量总和的比例。空气中的成用较多的是以 Gibbs最小自由能为主的目标函数最分按O2:N2为21:79考虑。平衡分析时的过量优化方法。将复杂化学平衡的分析结果进行拟空气系数a选取0、0.2、0.4、0.6、0.8、1。由于合得到模拟输液器的热解产物分布计算公式,从而α为θ时的纯热解,试验为达到热解气的顺畅排直接预测产物的分布,为进一步的工况预测和系统出,需用高纯度的N2作为载气,因此采样的气体优化提供帮助。中N2含量包括作为载气的N2,使试验结果不真实α为1时,不属于热解的范畴。所以试验中只选取1模型建立0.2、0.4、0.6、0.8的过量空气系数进行试验医疗垃圾的热解中,进入反应器的物料成分极1.3反应使用温度其复杂。从表1某医疗垃圾处置中心进行采样后的平衡分析温度373~1273K,试验温度773K。结果可见,实际医疗垃圾中的塑料所占的百分含量1.4分析方法仅次于玻璃。医疗垃圾中的塑料又以聚丙烯为制作1.4.1平衡分析模型基于 Gibbs最小自由能的原料的输液器最典型,且PVC的性质在生活垃圾 Factsage5.0热化学平衡分析软件。反应模型见图1,的研究中已经涵盖,作为简化,模型中只选取聚丙air(O,, N,)product烯为分析物料。其他的组分如棉花和纸等,将在今eactorN, CH,, H,, CO2.后的研究中作相应的分析,将各个组分进行混合,C, H,O, N,S, water, ash从而建立完整的医疗垃圾的分析模型CO, C2H6, H s, so图1反应模型表1医疗垃圾的组成成分Table 1 Component analysis of medical waste/%1.4.2试验装置试验在危险(医疗)废物热解Plas焚烧多功能试验台上进行,试验用的回转窑结构示62,4214,8511,827,883,03意图见图2。根据输液器的元素分析,在模型中建立5种元素组成,根据物料守恒和 Gibbs最小自由能原理预测在此元素组成的基础上完全反应后的平衡分析。1.1反应物质组成聚丙烯的元素分析见表2(空气干燥基),灰作为惰性物质假设不参与反应。试验中采用直径约图2回转窑试验台结构示意图为3mm的球形聚丙烯颗粒作为物料。试验时窑内的Fig 2 Sketch map for rotary kiln物料填充率控制在10%~15%,物料量为2kg·h11-heater: 2-transmission wheel 3--seal 4-feed-intfeed-inelectromotor: 6--inert gases: 7-bracket表2聚丙烯的工业分析和元素分析(空气干燥基)8-transmission electromotor: 9--dragsTable 2 Approximate ultimate analysisof polyproylene如图2所示,回转窑主要由以下几个部分组成:加热炉、传动裝置、密封、给料裝置、灰渣装Approximate analysis/%置、测温及控制系统、送风和供气系统、引风和排烟系统。给料裝置方面根据物料特性不同,设计了0.25螺旋给料杋和手动给料机。对于聚丙烯颗粒,采用Ultimate analysis/%螺旋给料机送料,并在回转窑出口采样ON1.4.3试验方法在热解试验中所需空气由鼓风224化工报第58卷验采用慢加热方式,反应终温为773K。为0时,固定碳的含量随着温度的升高而增加;与1.4.4热解气成分分析试验采用100m的注射此同时,热解气体的产物的热值降低。α为0.6、针筒为容器,气样由 Trace go2000型气相色谱仪温度为873K时,C已全部发生反应.因此剩余固进行分析,仪器分为氢类、永久性气体、烃类3个定碳的热值为0,对应a为0.6时的气体产物热值通道,测定了气体中的H2、N2、CO、CO2、也在873K时保持不变。a为0.2和0.4时则由于CHa、CaH4、CnH等成分的体积百分含量。最后C随着温度的升高,逐渐发生发应,固定碳的含量气体的平均成分是通过气体在不同时刻的成分和其减少,热值也减少;对应的气体产物的热值增加在该时刻气体瞬时产率权值的乘积叠加而成。为了因此对于医疗垃圾中的输液器,用空气热解时,要将计算结果和试验结果进行对比,将CH、C2H4、产生最大的气体产物热值,热解温度高于873K时CHn等具有相同燃烧性质的烃类气体进行叠加,合理的α为0.4;温度低于873K时,合理的α为0。归为CmHn一类气体成分350002结果及分析250002.1平衡分析结果20002.1.1压力为0.1MPa时,773K下不同过量空气系数下的气体产物分布从图3的T=773K不a=0.8同过量空气系数下的平衡气体产物可见,随着过量空气系数α的增大,反应产物的百分含量分布变化723773823873923973趋势不同,N2所占的比例显著增加;CO2及CO所占比例也增加;而烃类气体CH和H2所占比例图4不同a下的气体产物热值下降。也即说明随着α增加.通入反应器的N2量Fig 4 Caloric of gas product atdifferent excessive air增大,N2为惰性气体,因此产物中N2所占的比重增大。而CnH,和H2则由于a的增加转化为CO2、24000CO和H2O而减少。20000a=f8060CH4000og=08a-17237738238739239730203040.50.60.70.80.91.0图5不同α下的剩余固定碳热值图3T=773K时不同a下的平衡气体产物different excessive airFig 3 Distribution of gas product byequilibrium analysis由图6输液器的总热值图可见,由于α的增2.1.2压力为0.1MPa时,能量平衡由图4不加,带入大量的N,使得随着α的增加,模拟输液器总热值减少。在α为0时,所得到的总热值和同过量空气系数下的气体产物热值和图5不同过量空气系数下固定碳的热值可见,随着过量空气系数通过工业分析得到的模拟输液器的热值45823Ja的增加,热值变化不同,但遵循能量守恒原理8一致,反映了能量守恒原理。在输液器元素分析中,本身含有氧元素的量几乎为2.2计算分析0,a为0时,C几乎没有转化为CO2和CO,而只由 Gibbs最小自由能原理得到的在不同过量空气系数和温度下的平衡分析,CH和H2是随着a第1期祝红梅等:模拟输液器的热解特性225hae3000023773823873923973图6不同a下的总产物热值Fig 6 Caloric of all products atdifferent excessive air而增加,拟合的计算公式为三2015y, (a)= Aa"(Ca+D+e)j=CO CO2 N2(2)0203040.50.60.70.8各参数的值见表3。表3不同组分的拟合系数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试验结果图7的T=773K不同过量空气系数下气体产115物分布的试验结果中,CO2表示的是通过试验测得的CO2的值。与图4对比可知各产物的变化趋势810.5与平衡分析的结果一致。020304050.60.70.8COre(d)86e8410三780203040.506070.gz76图7T=773K试验所得气体产物分布74Fig 7 Distribution of gas productT=773 K by experiment图8计算值与试验值对比2.4计箅结果与试验结果的对比226化工报第58卷值对比图中,CH表示通过计算得到的CmH的incineration, Journal of Hazardous Materials, 1996值,CH表示通过试验得到的CnHn的值。各气(48):1-30体组分百分含量计算结果与试验结果的变化趋势一[3] Li xinguo(李新国), Zhou xin(周欣), Zhang Yufeng(张于峰). Pyrolytic incineration treatment of hospi致,差值在5%以内,因而在不同的a下,可通过wastes.Gas&Heat(煤气与热力),2004(9):495-497计算公式直接求得实际热解过程中的近似值[4] Zhao muyu(赵慕愚), Xu Baokun(徐宝琨). ComplicatedChemical equilibrium Calculate(复杂化学平衡计算)3结论[5 Frandsen F, Johansen K D, Rasmussen P. Trace elements医疗垃圾中由于组成复杂,不同工况下的产物from combustion and gasification of coal-an equilibria受诸多因素的影响。approach. Prog. Energy Combust1994,20(1)(1)从热力学上分析,在包含C、H、O、N115-138S组分的系统中,产物主要由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等组成。实际的试验中,由于H2O在热解气体排71Lii(李季), Yang Xuemin(杨学民), Lin weigang(林出过程和采集过程受冷管壁作用凝结而无法测量a). Thermodynamics equilibrium analysis of municipal(2)热解产物的生成和含量主要受温度和过量solid wastes incineration system. Journalof Fuel Chemistryand Technology(燃料化学学报),2003,131(6):空气系数的影响。热力学平衡分析可以预测产物的584-588组成及百分比含量以及温度、过量空气系数和压力8 Ma libo, Li Shuiqing, Xiang Guangming, Yao Qiang对产物分布的影响。libRium an(3)经试验验证,拟合的计算公式可以直接计算在不同过量空气系数下医疗垃圾中输液器热解将dvances in Waste Incineration and EmissionControl. Hangzhou: International Academic Publishers产生的热解气组分近似含量。World Publishing Corporation, 2004: 61-64(4)对医疗垃圾中其他典型组分进行类似上述9 Liu weicheng, Xu Yunpeng, Tian Zhijian,etat.A分析,同时进一步研究不同温度下的产物分布,将hermodynamic analysis on the catalytic combustion of有利于提岀医疗垃圾的整个热解产物模型。为实际methane. Journal of Natural Gas Chemistry, 2003(12)237-242的工程设计和研究提供参考数据。从而更好地了解101 Fadi Eldabbagh. Karl K Rink, Janusz A Kozinski. A novel医疗垃圾的整个热解过程,并为将来的优化处理提approach towards waste treatment in FBC//18th供帮助。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(徐长忠), Yuan Changyou(袁长友)nent of medical Garbage-Pyrolysissimulation//18th International Conference on Fluidized BedDevelopment(科技纵横),2004Combustion. Toronto: ASME, 2005: FBC2005-78129[21 Lee CC. Huffman G L. Medical waste management