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實驗室(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(jù) Gibbs最小自由能原理對醫(yī)療垃圾中的典型組分輸液器進行平衡分析,根據(jù)分析結(jié)果擬合出產(chǎn)物分布的計算公式。通過危險廢物熱解焚燒多功能試驗臺進行試驗,試驗結(jié)果驗證了計算公式的可靠性,從而通過公式可直接預(yù)測醫(yī)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(yī)療垃圾;輸液器:熱解; Gibbs自由能;平衡分析中圖分類號: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行熱分解,分解成裂解醫(yī)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(yī)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(yī)療垃圾的處置,如清洗消毒、高溫消同,分為高溫?zé)峤?>1273K)、中溫?zé)峤舛?、填埋和焚燒等。由于焚燒能夠做到廢棄物的(873~973K)和低溫?zé)峤?<873K)。其中加熱減量化、穩(wěn)定化、無害化,在所有可行的醫(yī)療垃圾方式又可分為直接加熱和間接加熱。在對醫(yī)療垃處理中,該法已被證明是破壞傳染性和有毒性物圾進行熱解焚燒的處理過程中,由于組分復(fù)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(yī)療垃圾的包裝袋打開,因此獲得醫(yī)療斷地完善醫(yī)療垃圾焚燒技術(shù),為減少焚燒中產(chǎn)生酸垃圾旳比例數(shù)據(jù)是困難的,直接進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)進行熱力學(xué)平衡分析,可以指導(dǎo)設(shè)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(fù)雜化學(xué)平衡計算方法主1.2反應(yīng)氣體組成要有兩大類:(1)根據(jù)質(zhì)量作用定律解線性/非過量空氣系數(shù)a為實際采用的空氣量與各元素線性方程組;(2)某種目標函數(shù)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(shù)最分按O2:N2為21:79考慮。平衡分析時的過量優(yōu)化方法。將復(fù)雜化學(xué)平衡的分析結(jié)果進行擬空氣系數(shù)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時的純熱解,試驗為達到熱解氣的順暢排直接預(yù)測產(chǎn)物的分布,為進一步的工況預(yù)測和系統(tǒng)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(jié)果不真實α為1時,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的過量空氣系數(shù)進行試驗醫(yī)療垃圾的熱解中,進入反應(yīng)器的物料成分極1.3反應(yīng)使用溫度其復(fù)雜。從表1某醫(yī)療垃圾處置中心進行采樣后的平衡分析溫度373~1273K,試驗溫度773K。結(jié)果可見,實際醫(yī)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(yī)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(yīng)模型見圖1,的研究中已經(jīng)涵蓋,作為簡化,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(yīng)的分析,將各個組分進行混合,C, H,O, N,S, water, ash從而建立完整的醫(yī)療垃圾的分析模型CO, C2H6, H s, so圖1反應(yīng)模型表1醫(yī)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(yī)療)廢物熱解Plas焚燒多功能試驗臺上進行,試驗用的回轉(zhuǎn)窯結(jié)構(gòu)示62,4214,8511,827,883,03意圖見圖2。根據(jù)輸液器的元素分析,在模型中建立5種元素組成,根據(jù)物料守恒和 Gibbs最小自由能原理預(yù)測在此元素組成的基礎(chǔ)上完全反應(yīng)后的平衡分析。1.1反應(yīng)物質(zhì)組成聚丙烯的元素分析見表2(空氣干燥基),灰作為惰性物質(zhì)假設(shè)不參與反應(yīng)。試驗中采用直徑約圖2回轉(zhuǎn)窯試驗臺結(jié)構(gòu)示意圖為3mm的球形聚丙烯顆粒作為物料。試驗時窯內(nèi)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(zhuǎn)窯主要由以下幾個部分組成:加熱爐、傳動裝置、密封、給料裝置、灰渣裝Approximate analysis/%置、測溫及控制系統(tǒng)、送風(fēng)和供氣系統(tǒng)、引風(fēng)和排煙系統(tǒng)。給料裝置方面根據(jù)物料特性不同,設(shè)計了0.25螺旋給料杋和手動給料機。對于聚丙烯顆粒,采用Ultimate analysis/%螺旋給料機送料,并在回轉(zhuǎn)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(yīng)終溫為773K。為0時,固定碳的含量隨著溫度的升高而增加;與1.4.4熱解氣成分分析試驗采用100m的注射此同時,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,C已全部發(fā)生反應(yīng).因此剩余固進行分析,儀器分為氫類、永久性氣體、烴類3個定碳的熱值為0,對應(yīng)a為0.6時的氣體產(chǎn)物熱值通道,測定了氣體中的H2、N2、CO、CO2、也在873K時保持不變。a為0.2和0.4時則由于CHa、CaH4、CnH等成分的體積百分含量。最后C隨著溫度的升高,逐漸發(fā)生發(fā)應(yīng),固定碳的含量氣體的平均成分是通過氣體在不同時刻的成分和其減少,熱值也減少;對應(yīng)的氣體產(chǎn)物的熱值增加在該時刻氣體瞬時產(chǎn)率權(quán)值的乘積疊加而成。為了因此對于醫(yī)療垃圾中的輸液器,用空氣熱解時,要將計算結(jié)果和試驗結(jié)果進行對比,將CH、C2H4、產(chǎn)生最大的氣體產(chǎn)物熱值,熱解溫度高于873K時CHn等具有相同燃燒性質(zhì)的烴類氣體進行疊加,合理的α為0.4;溫度低于873K時,合理的α為0。歸為CmHn一類氣體成分350002結(jié)果及分析250002.1平衡分析結(jié)果20002.1.1壓力為0.1MPa時,773K下不同過量空氣系數(shù)下的氣體產(chǎn)物分布從圖3的T=773K不a=0.8同過量空氣系數(shù)下的平衡氣體產(chǎn)物可見,隨著過量空氣系數(shù)α的增大,反應(yīng)產(chǎn)物的百分含量分布變化723773823873923973趨勢不同,N2所占的比例顯著增加;CO2及CO所占比例也增加;而烴類氣體CH和H2所占比例圖4不同a下的氣體產(chǎn)物熱值下降。也即說明隨著α增加.通入反應(yīng)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(zhuǎn)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,由于α的增2.1.2壓力為0.1MPa時,能量平衡由圖4不加,帶入大量的N,使得隨著α的增加,模擬輸液器總熱值減少。在α為0時,所得到的總熱值和同過量空氣系數(shù)下的氣體產(chǎn)物熱值和圖5不同過量空氣系數(shù)下固定碳的熱值可見,隨著過量空氣系數(shù)通過工業(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,C幾乎沒有轉(zhuǎn)化為CO2和CO,而只由 Gibbs最小自由能原理得到的在不同過量空氣系數(shù)和溫度下的平衡分析,CH和H2是隨著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(shù)的值見表3。表3不同組分的擬合系數(shù)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(jié)果圖7的T=773K不同過量空氣系數(shù)下氣體產(chǎn)115物分布的試驗結(jié)果中,CO2表示的是通過試驗測得的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(jié)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(jié)果與試驗結(jié)果的對比226化工報第58卷值對比圖中,CH表示通過計算得到的CmH的incineration, Journal of Hazardous Materials, 1996值,CH表示通過試驗得到的CnHn的值。各氣(48):1-30體組分百分含量計算結(jié)果與試驗結(jié)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%以內(nèi),因而在不同的a下,可通過wastes.Gas&Heat(煤氣與熱力),2004(9):495-497計算公式直接求得實際熱解過程中的近似值[4] Zhao muyu(趙慕愚), Xu Baokun(徐寶琨). ComplicatedChemical equilibrium Calculate(復(fù)雜化學(xué)平衡計算)3結(jié)論[5 Frandsen F, Johansen K D, Rasmussen P. Trace elements醫(yī)療垃圾中由于組成復(fù)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(tǒng)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(林出過程和采集過程受冷管壁作用凝結(jié)而無法測量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量solid wastes incineration system. Journalof Fuel Chemistryand Technology(燃料化學(xué)學(xué)報),2003,131(6):空氣系數(shù)的影響。熱力學(xué)平衡分析可以預(yù)測產(chǎn)物的584-588組成及百分比含量以及溫度、過量空氣系數(shù)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量空氣系數(shù)下醫(yī)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(yī)療垃圾中其他典型組分進行類似上述9 Liu weicheng, Xu Yunpeng, Tian Zhijian,etat.A分析,同時進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(yī)療垃圾的整個熱解產(chǎn)物模型。為實際methane. Journal of Natural Gas Chemistry, 2003(12)237-242的工程設(shè)計和研究提供參考數(shù)據(jù)。從而更好地了解101 Fadi Eldabbagh. Karl K Rink, Janusz A Kozinski. A novel醫(yī)療垃圾的整個熱解過程,并為將來的優(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(徐長忠), Yuan Changyou(袁長友)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