几种医疗垃圾高温水蒸汽气化模拟研究

　　摘要：针对乳胶手套、棉花和输液器三种典型有机医疗废物，以高温水蒸气作为气化剂;基于吉布斯自由能最小化原理，对三种医疗废物高温水蒸气气化的热力学问题进行模拟研究。探讨原料种类、气化温度和水蒸气通入量等影响因素，对合成气组分、产气量和产气低位热值等评价指标的影响规律。模拟结果表明:在同一工况下，原料中的氢、氧含量决定合成气中的氢气与碳氧化物的产量;反应温度与水蒸气-医疗垃圾质量比(S/W)可改变合成气各产气组分及低位热值，得出最佳反应温度为800℃、S/W为2.0。

　　关键词：医疗垃圾高温水蒸汽气化Aspenplus

　　医疗垃圾含有大量的病毒、病菌及化学药剂，是一种对环境危害极大的废弃物，医疗垃圾处理问题正日益受到业内人士和全社会的关注［1］。医疗垃圾气化是将医疗垃圾通过热化学反应转化为CO、H2和低分子烃类等组成的可燃气体，同时反应器内的高温能够有效破坏传染性、有毒性物质，并具有良好的减容、减重和抑制污染物生成的特点，实现医疗垃圾的减量化、资源化和无害化［2］。

　　1气化模型建立及验证

　　1.1气化模型的建立

　　气化炉内的主要反应为原料干燥、热解、气化反应三个部分。因此建立模型时把整个气化过程分为干燥、热解和气化三个部分。基于Aspenplus的气化模拟流程图见图1。利用化学计量反应器(ＲSTOIC)、产率反应器(ＲYIELD)、吉布斯反应器(ＲGIBBS)三个反应器来分别模拟干燥、热解、气化过程。具体物料流程为:医疗垃圾颗粒先经过化学计量反应器，模拟医疗垃圾颗粒干燥过程，其干燥产物经过产率反应器将非常规组分医疗垃圾颗粒变为C、H、O、N、S单质以及H2O和不参与反应的灰分，再与气化剂高温水蒸汽在吉布斯反应器内混合并发生气化反应。得出的产物经气固分流器(Ssplit)分离出不参与反应的灰分与残炭，其余气体产物通过组分分离器(Sep)分离出水分，得到最终干燥的合成气。

　　1.2模型验证

　　利用固定床生物质气化炉的实验数据［9］对模型进行了验证。固定床的内径200mm，高度400mm，生物质进料量为1kg/h。实验原料为油棕榈颗粒，其工业分析和元素分析为:ω(M)=6.56%，ω(V)=75.99%，ω(A)=5.33%，ω(F)=12.39%;ω(C)=50.27%，ω(H)=7.07%，ω(N)=0.42%，ω(S)=0.63%，ω(O)=36.28%，Q=20.3MJ/kg。原料中灰分不参与反应，模拟过程忽略焦油。实验产气组分及模拟结果见表1。

　　2模拟与分析

　　按照医疗垃圾名录分别选取乳胶手套(橡胶类)、棉花(生物质类)、输液器(塑料类)三类医疗垃圾为原料，利用Aspenplus模拟三类医疗垃圾的气化过程。三种原料的工业分析与元素分析数据参照文献［10］(见表3)，通入量为0.5kg/h。高温水蒸气温度为1000℃，通入量为1kg/h。只考虑此种工况下的主要气体产物H2、CO、CO2，得到如下结果。

　　2.1气化温度对产气的影响

　　从图3～图5可以看出在同反应温度下，H2产量:输液管＞乳胶手套＞棉花，这与三种医疗垃圾的氢元素含量相对应(氢元素含量:输液管＞乳胶手套＞棉花)。三种医疗垃圾的各组分变化趋势大致相同，H2产量均先随温度的升高而增加达到峰值后随温度的升高而降低;CO的产量随温度的升高而增加，在800℃之后增加趋势趋于平缓;CO2的产量随温度的升高而降低。总体而言，气化过程受水汽反应CO+H2O=CO2+H2与水煤气反应:C+H2O=CO+H2，C+2H2O=CO2+2H2以及C+CO2=2CO联合制约。一般认为水煤气反应在400℃以上即可进行，在600℃以前双水反应占比重较多，因此，CO2的气体产量在600℃时最高且高于CO。当反应温度由600℃升至700℃时，温度升高使一水水煤气反应所占比重增加，且一水反应正向进行，因此，在600～700℃温度段，H2和CO产量增加，CO2产量下降。反应温度达到700℃时，水汽反应开始活跃，但该反应会随温度增加而逆向进行，因此，H2与CO产量随温度升高而增加的趋势、CO2产量随温度升高而下降的趋势会趋于平缓。在800℃以后，水汽反应的逆过程消耗的H2量逐渐大于反应H2生成量，因此H2产量会略下降;CO产量随温度的升高继续增加;CO2产量随温度的升高继续下降。但受多个反应的联合制约，CO产量的增加趋势和CO2产量的下降趋势更加平缓。

　　2.2高温水蒸汽通入量对产气的影响

　　图7表示800℃时乳胶手套各产气组分随S/W(水蒸气-医疗垃圾质量比)的变化，从图中可以看出在S/W低于1时，随S/W增加，H2、CO、CO2三种气体产量增加;在S/W1～1.5范围，CO产量增加趋势趋于平缓。当S/W超过1.5后，CO产量随S/W增加而下降，H2、CO2产量的增加趋势趋于平缓。在S/W低于1.5时，医疗垃圾未全部参与反应，此时，随S/W比增加，三种气体的产量都会增加，同时随通入水量及产生的CO量增加，更多水及CO会参与到水气反应，造成H2、CO2产量急剧增大，CO产量增长平缓。当S/W超过1.5后，更多高温水会与产气中的CO反应，造成H2、CO2产量继续增加，CO产量继续下降，但受CO总量制约，三种气体的变化趋势会趋于平缓。合成气热值随S/W的增加总体呈下降趋势，在S/W大于1后下降较快，在S/W大于3后下降平缓。综合考虑产气中可燃气体产量、合成气热值及能耗，可认为S/W=2为最佳反应条件。在此工况下总产气量较高，产气中H2含量较高，CO2含量较低，产气热值较高。

　　3结论

　　建立了一套医疗垃圾高温水蒸气气化的Aspenplus模型并验证，通过求解，得出以下结论:(1)医疗垃圾本身氢、氧元素含量影响产气中的氢气与碳氧化物的组成。同反应条件下，医疗垃圾中氢元素含量越多，产气中H2产量越多;氧元素含量越多，CO2产量越高、CO产量越低。(2)同工况下，产气中H2产量随着气化温度的升高而先增加后稍减少，在700～800℃时，H2产量出现极大值;CO产量随温度增加而增加，增加趋势在800℃之后趋于平缓;CO2产量随着温度的升高而下降。合成气热值随温度升高而增加，在800℃之后增加趋势趋于平缓。得出医疗垃圾的最佳气化温度为800℃。(3)同工况下，在低S/W时，随S/W增加，CO、H2、CO2的产量增加;在高S/W时H2、CO2的产量随S/W增加而增加，CO产量随S/W增加而下降。总产气量随S/W增加而增加，当S/W达到2.5以后，增加趋势平缓。产气热值总体随S/W增加而下降。得出S/W=2为最佳实验工况。

　　参考文献

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　　ZhaoChun.Medicalwasteincinerationtechnology.NorthEnvironment，2001;(3):45—48

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　　3苏德仁，刘华财，周肇秋，等.生物质流化床氧气-水蒸气气化实验研究.燃料化学学报，2012;40(3):309—314

　　SuDeren，LiuHuacai，ZhouZhaoqiu，etal.Biomassgasificationwithoxygenandsteaminafluidizedbedgasifier.JournalofFuelChemistryandTechnology，2012;40(3):309—314

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　　陈义胜1王宏坤1庞赟佶1，2马黎军1

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