基于吉布斯自由能最大化的城市生活垃圾氣化熔融技術(shù)模型

基于吉布斯自由能最大化的城市生活垃圾氣化熔融技術(shù)模型

0城市生活垃圾處理流程隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生活水平的提高，生活垃圾的數(shù)量每天都在增加。未處理或處理的城市垃圾占用土地、污染水質(zhì)、土壤和大氣，傳播疾病，破壞自然景觀，損害人類生態(tài)環(huán)境。因此,如何有效處理生活垃圾已成為關(guān)系城市社會和經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展不可忽視的問題。垃圾焚燒法由于具有顯著減容的同時可獲得能源的優(yōu)勢,被許多工業(yè)發(fā)達(dá)國家廣泛應(yīng)用。然而,垃圾焚燒帶來的二惡英、重金屬等二次污染和酸性氣體對設(shè)備腐蝕等問題,促使人們不得不重新認(rèn)識這項技術(shù)。城市生活垃圾氣化熔融技術(shù),是在焚燒基礎(chǔ)上發(fā)展起來的新型垃圾處理技術(shù)。這一技術(shù)不僅能使二惡英趨零排放,而且顯著降低重金屬等二次污染物排放值;同時低溫氣化可深度脫氯,有效減少了受熱面高溫腐蝕,提高了蒸汽參數(shù)和發(fā)電效率,并利于金屬的回收利用。因此,該技術(shù)實現(xiàn)了徹底的無害化、顯著的減容、廣泛的物料適應(yīng)和高效的能源與物資回收,是新一代環(huán)境友善的廢物處理技術(shù)。目前,我國對該技術(shù)尚處于試驗研究階段,由于試驗裝置的局限性和垃圾成分的復(fù)雜性,試驗過程中大多采用模擬垃圾作為研究對象,為彌補試驗的不足,本文采用Gibbs自由能最小化方法建立了城市生活垃圾氣化熔融系統(tǒng)模型,并通過敏感性分析,研究了垃圾氣化氣體低位熱值和熔融溫度的相互關(guān)系,在此基礎(chǔ)上,又進(jìn)一步研究分析了垃圾低位熱值、垃圾含水率和氣化爐過量空氣系數(shù)αEAR對氣化氣體低位熱值和氣化溫度的影響,為這一技術(shù)在我國商業(yè)應(yīng)用提供有益參考。1氣連接系統(tǒng)模擬1.1酸體系的熱設(shè)計及過程分析由于實際的城市生活垃圾氣化熔融是在溫度較高、化學(xué)反應(yīng)和傳質(zhì)都較快的體系下進(jìn)行的,其過程由平衡來控制,可以看作是一個包含眾多復(fù)雜化學(xué)反應(yīng)平衡和多相平衡的過程,其熱化學(xué)變化及相變過程可視為恒溫恒壓過程,因此,可以應(yīng)用Gibbs自由能最小原理來分析。(1)限制條件設(shè)定對于一個復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)體系,當(dāng)反應(yīng)達(dá)到熱平衡之后,體系的Gibbs自由能G達(dá)到極小值。由此可以建立數(shù)學(xué)模型:該模型描述的屬于非線性數(shù)學(xué)規(guī)劃問題,其限制條件如下:其中:式(1)為目標(biāo)函數(shù),S為單獨存在的相,如固體顆粒;P為系統(tǒng)中相的個數(shù);C為組分?jǐn)?shù);式(2)為質(zhì)量守恒約束條件,E為系統(tǒng)考慮的元素數(shù)目;njk為組分的摩爾數(shù);mjk為組分的原子矩陣;bk為元素的摩爾數(shù);式(3)為焓平衡約束條件,Hi為組份i的標(biāo)準(zhǔn)焓;T為溫度;Q為熱損失;式(4)為非負(fù)約束條件。(2)存在線性約束條件的非線性規(guī)劃問題垃圾氣化熔融也是一個包含化學(xué)反應(yīng)體系相平衡計算的問題。其數(shù)學(xué)描述為式中:N為組分?jǐn)?shù);P為相數(shù);nik和μik分別為i組份在k相中的摩爾數(shù)和化學(xué)勢。于是,相平衡計算問題可轉(zhuǎn)化為具有如下線性約束條件的非線性規(guī)劃問題:式中:nj為j元素的摩爾數(shù);aji是組份i中元素j的個數(shù)。1.2融成玻璃質(zhì)爐渣系統(tǒng)的工藝流程城市生活垃圾氣化熔融技術(shù)原理是:垃圾在450~650℃的還原性氣氛下氣化,產(chǎn)生可燃?xì)怏w和易于鐵、鋁等金屬回收的殘留物,可燃?xì)怏w具有較高熱值,并含有未完全氣化的殘焦細(xì)粒和飛灰,送入預(yù)熱空氣,在1350~1400℃條件下燃燒,氣化氣體和殘焦細(xì)粒完全燃燼,無機物則熔融成玻璃質(zhì)爐渣,系統(tǒng)工藝流程如圖1所示。垃圾的氣化機理較為復(fù)雜,根據(jù)其主要元素組成和氣化產(chǎn)物,可簡單歸結(jié)為反應(yīng)方程其他氣體+焦油+焦炭+酸(9)氣化產(chǎn)物中可燃?xì)怏w在熔融爐內(nèi)燃燒放熱,使?fàn)t內(nèi)保持較高的熔融溫度,具體反應(yīng)如下:飛灰熔融是一種復(fù)雜的物理化學(xué)反應(yīng),通常稱為熔融相變。每個相都有自己的熱力學(xué)穩(wěn)定條件,一定范圍內(nèi)自由焓最低的相最穩(wěn)定,當(dāng)外界條件改變,改變相的穩(wěn)定條件,就會發(fā)生相變。同一化學(xué)組成的物質(zhì),在不同的外界條件下,有時具有不同的晶型。隨著溫度的變化,晶體就由一種晶型轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N晶型,即發(fā)生多晶轉(zhuǎn)變。當(dāng)溫度繼續(xù)升高到一定程度后,固相自由能高于液相自由能,使得固相變得不穩(wěn)定,從而發(fā)生熔融相變。目前很難對其機理進(jìn)行準(zhǔn)確地描述,因此本模型未對其進(jìn)行模擬。城市生活垃圾氣化熔融系統(tǒng)模擬如圖2所示,模型包含4個反應(yīng)模塊、9股物料流和1股熱流,各模塊和物料流的具體功能描述和參數(shù)設(shè)置見表1、2。2試驗參數(shù)的模擬由于氣化是該工藝的關(guān)鍵環(huán)節(jié),因此為驗證模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性,分別按照文獻(xiàn)[19-20]中的試驗參數(shù)進(jìn)行模擬,試驗參數(shù)和物料特性見表3。模擬結(jié)果與試驗結(jié)果的比較如圖3所示。由圖可以看出,過量空氣系數(shù)在0.19~0.8之間變化的模擬預(yù)測值與試驗結(jié)果符合良好,表明該模型具有較高的可靠性。3結(jié)果和分析3.1氣化氣體燃燒的熱值圖4表示垃圾氣化氣體低位熱值對熔融溫度的影響規(guī)律。圖中的熔融溫度是預(yù)熱空氣溫度200℃,過量空氣系數(shù)為1.2時,氣化氣體燃燒的絕熱火焰溫度。由圖可以看出,熔融溫度隨垃圾氣化氣體低位熱值的增大而升高,根據(jù)垃圾氣化熔融工藝的要求,熔融爐溫度要高于1350℃,才能固化飛灰中的有害重金屬、分解二惡英,保證融渣安全衛(wèi)生。因此在不增加輔助熱源的情況下,如果要達(dá)到這一工藝要求,由圖可知,進(jìn)入熔融爐的氣化氣體低位熱值必須高于3000kJ/m3。3.2環(huán)保熱值的計算垃圾低位熱值對氣化氣體低位熱值的影響曲線見圖5,可以看出,過量空氣系數(shù)αEAR不變,城市生活垃圾熱值愈高,其氣化產(chǎn)生氣體的熱值也愈高。當(dāng)αEAR=0.5時,低位熱值高于10600kJ/kg的生活垃圾氣化后,氣化氣體熱值可達(dá)到3000kJ/m3以上。當(dāng)αEAR=0.4時,要獲得相同的氣化氣體熱值,垃圾的熱值只要大于7800kJ/kg即可。同時,隨αEAR逐漸減少,垃圾熱值對氣化氣體熱值的影響逐漸增大。垃圾低位熱值對氣化溫度的影響曲線如圖6所示,顯然,垃圾熱值對氣化溫度的影響不大,αEAR愈小,影響曲線愈接近水平。3.3含油率對氣化氣體高位熱值的影響αEAR=0.5,氣化介質(zhì)溫度為500℃條件下,城市生活垃圾含水率對氣化氣體低位熱值和氣化溫度的影響曲線見圖7、8所示,由圖可以看出,隨著垃圾含水率增大,垃圾氣化后產(chǎn)生的氣體低位熱值略有下降,而氣化爐溫度顯著降低。以熱值較高的臺南垃圾為例,含水率從10%增加到30%,氣化氣體低位熱值只減少了40kJ/m3,下降幅度為1.6%;而氣化爐溫度卻下降了100℃,降幅達(dá)到20%。3.4ear對氣化溫度的影響垃圾含水率為10%,氣化介質(zhì)溫度為500℃條件下,氣化爐中過量空氣系數(shù)對氣化氣體低位熱值的影響如圖9所示,由圖可見,隨αEAR的逐漸減小,氣化氣體低位熱值明顯增大。以香港垃圾為例,要想獲得3000kJ/m3的氣化氣體,αEAR需小于0.5。圖10為相同條件下αEAR對氣化溫度的影響曲線,可以看出,與垃圾低位熱值相比,過量空氣系數(shù)αEAR對氣化爐溫度的影響較大,隨αEAR減小,氣化溫度顯著降低。當(dāng)αEAR小于0.6時,3種垃圾氣化溫度均低于600℃。另外,從圖中還可以看出,3條曲線較為接近,尤其是香港和臺南兩城市的影響曲線幾乎重合,這進(jìn)一步證明前面的結(jié)論,即垃圾低位熱值對氣化溫度的影響較小。4氣化氣體高位熱值本文采用Gibbs自由能最小化方法,建立了城市生活垃圾氣化熔融系統(tǒng)的理論模型,模擬計算結(jié)果與已有文獻(xiàn)的試驗結(jié)果吻合良好,證明其具有較高的可靠性。采用該模型對氣化熔融工藝所要求的垃圾基本特性參數(shù)進(jìn)行了分析預(yù)測,得到以下結(jié)論:(1)氣化熔融焚燒處理城市生活垃圾時,在無輔助熱源情況下,進(jìn)入熔融爐的氣化氣體低位熱值必須高于3000kJ/m3,其燃燒絕熱火焰溫度方能達(dá)到1350℃。(2)增大垃圾低位熱值和減小氣化爐過量空氣系數(shù),均能顯著提高氣化氣體低位熱值。熱值高于7800kJ/kg的城市生活垃圾,氣化時過