医疗垃圾热解气化研究

抓比转的术第30卷第10期2007年10月医疗垃圾热解气化研究焦永刚,周欣2,郝长生1(1.石家庄铁道学院能源与环境工程系,石家庄050043;2.中国市政工程华北设计研究院,天津300074)摘要:利用热解动力学原理建立热解过程转化率模型。并耦合非稳态导热方程建立传热模型,共同构建垃圾热解过程的数学模采用mMA算法编制模拟计箅程序。对典型运行工况下垃圾内部温度场的变化规律进行模拟。结果表明,模拟值与实测值具有相的变化规律,所建数学模型可以用来研究垃圾在外热式热解炉内的热解规律。关锭词:垃圾;热解;外热式热解炉;数学棋拟中图分类号:X705文献标识码A文章编号:103-6504(2007)100012-02热解气化技术是一种热化学反应技术,它通过气垃圾内部无分子扩散化装置的热化学反应,将低品位的固体垃圾转化成高1.2传热模型数学表达式品位的叮燃气体或者是液体。20世纪90年代中期,热解气化技术开始在发达国家流行。这种技术不是直接对Al-pr ag da垃圾进行焚烧,而是先利用一部分热能使垃圾在一个式中密闭容器中进行分解,产生出可燃气体,然后再在高温p—垃圾的表现密度kg/m3;C—垃圾的定压既可以利用这部分热能进行供热发电又在高温下除系数, kJ/mks;x热量传递的方向坐标m入、下将分解产生的裂解焦以及可燃气体进行焚烧叫,这样比热,kJ/kgk;7—垃圾的温度,K;A垃圾的导掉了有害的二次污染物,而且由于设备的密封性良好,热解进行的时间,s:△q热解过程所需热量,k;所以对环境比较安全。m热解挥发出气体的质量kg;a某时刻挥发1传热模型分析出重量占最大析出重量的份额;y垃圾的挥发物质的量占垃圾总量的份额如图1所示,电加热产生的热量是从底部沿轴向上边界条件传递,在径向由于有硅酸铝保温层保温,所以忽略径向X=0处,T=f(7);x=S处,江=0的热量传递,故可将热解室内的传热简化为一维的热传导四。根据垃圾热解的特点,充分考虑垃圾热解的吸初始条件:0≤X≤S时,T=7(T为垃圾的初始温热效应以及热解室构造的特点,建立相应的传热数学度);物性参数的确定参照文献[3模型。2模型求解对于一维导热的传热方程采用差分法求解。计算程序是在 Fortran90程序平台搭建起来的,过程对每时刻每个节点的物料物性作为一个定值来计算a而后再将α的值代入传热模型中,利用TDMA算法计算出各个时刻节点的温度,如果a<99%,则重复上面的步图1热解室传热物理模示意图骤直至符合要求为止。1.1传热模型的假设3计算结果与分析(1)传导沿轴向发生,忽略径向热传递;(2)垃圾在炉图2与图3是由程序计算的热解过程中两个平面上内分布均匀;(3)热解挥发分在垃圾内部分布均匀;(4)在(中心层与顶层)的温度随不同热解终温,不同热解时挥发分释放过程中垃圾骨架结构不发生变化;(5)热解过间的变化过程。从图中可以看到无论是中心层还是顶程中的相变是在温度连续变化下进行;(6)热解过程中层中国煤化工热解温度的增大过程的着迅速提高温升,在基金项目:河北省教育厅资助项目(728003)几CNMHG,之后温度缓慢上升作者简介:焦水刚(970-)男,硕士,讲师主要研究力向为制冷与能源利阳直至达到较为接近热解终温的温度。从理论上分析可技术,(手机川3603212483,(电子信箱)yg76 sohucot12医疗垃圾热解气化研究焦永刚,等以得出,热解过程初始阶段,热解的温较低,并只以导100热解终(973K)热为主要传热形式,同时垃圾这种多空介质的导热能原,温度力较差故初始阶段中心层与顶层的温度增加缓慢;当热解温度达到一定温度时,过程中不只是以导热形式传递热量,还包括了辐射,自然对流,物理化学中的缩聚合反应吸放热等,致使过程升温迅速;最后当热解过程中的物理化学变化反应殆尽后,过程就只有辐射和图6热解终温973K下中心与项层温度随时间的变化热两种传热形式这时的温度变化较为平稳4模拟结果与试验结果比较如图7,在相同条件下,为数值模拟与实验值的对比。可看出,在起始阶段模拟温度值与实测值较为吻合,说明,最初以导热为主要传热形式建立的数学传热模型很好的模拟了热解室内这一时段温度场随时间的001200140016001800分布;随着热解过程的深化,辐射传热占据了重要比例图2垃圾固体顶层在不同温度热解温度达到400K时温度升高较快,而当温度达到700K过程中的数值模拟温度分布时温升趋于平缓。模拟温度值升高的速度比实测的要低。可以得出,在热解逐步深化的过程中,不仅仅有导热和辐射这两种传热方式,同时还存在垃圾的热解效应问题,分子扩散带来的传质问题。但从图中的曲线变化趋势来看,模拟值与实测值具有相同的变化规律,在试验过程的后半部分有一些偏差。总之,所建数学模型可以1000120014001000180用来研究垃圾在间壁式热解炉内的热解规律图3垃圾时体中心层在不同温度热解过程屮的数值模拟温度分布800热解终温773K图4、5、6表示在相同热解终温下垃圾的中心层与6000楼拟温冷顶层随热解时间的变化曲线图。可以看出,垃圾中心层的温度在热解过程中一直高于顶层温度的温度,初始阶段相差较为明显,差值在20~35K左右;从热解中期开始,温差逐步缩小,直到后期一直维持在10K左右的图7枝拟与试验结果比较温差5小结利用热解动力学原理,并耦合非稳态导热方程建热解终温(773K)立传热模型,共同构建垃圾热解过程的数学模型。釆用血坛温疫-中心层温废TDMA算法编制模拟计算程序。程序模拟了垃圾固体顶层和中心层在不同温度热解过程中的数值模拟温度分布,以及不同热解终温下垃圾的中心层与顶层随热解时间的变化,结果表明,模拟值与实测值貝有相冋的图4热解终温773K下中心与顶层温度随时间的变化变化规律,所建数学模型可以用来研究垃圾在外热式热解炉内的热解规律。N80州解终温(83K[参考文献II熊祖鸿,王秋红,李海滨,等城市固体垃圾的热解特性研究]华北水利水电学院学报,2002,23(4):75-7812中国煤化飞炉设计概要重庆大学020040060080010001200140CNMHG模型的研究D沈阳:东图5热解终温873K下中心与顶层温度随时问的变化北大学,2002(收稿20X5-11-15;修回2007-(2-02)