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(huì)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(shí)可獲得能源的優(yōu)勢(shì),被許多工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家廣泛應(yīng)用。然而,垃圾焚燒帶來(lái)的二惡英、重金屬等二次污染和酸性氣體對(duì)設(shè)備腐蝕等問題,促使人們不得不重新認(rèn)識(shí)這項(xiàng)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(lái)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(shí)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(shí)現(xiàn)了徹底的無(wú)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(guó)對(duì)該技術(shù)尚處于試驗(yàn)研究階段,由于試驗(yàn)裝置的局限性和垃圾成分的復(fù)雜性,試驗(yàn)過(guò)程中大多采用模擬垃圾作為研究對(duì)象,為彌補(bǔ)試驗(yàn)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(guò)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(guò)量空氣系數(shù)αEAR對(duì)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(guó)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(jì)及過(guò)程分析由于實(shí)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(guò)程由平衡來(lái)控制,可以看作是一個(gè)包含眾多復(fù)雜化學(xué)反應(yīng)平衡和多相平衡的過(guò)程,其熱化學(xué)變化及相變過(guò)程可視為恒溫恒壓過(guò)程,因此,可以應(yīng)用Gibbs自由能最小原理來(lái)分析。(1)限制條件設(shè)定對(duì)于一個(gè)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(dú)存在的相,如固體顆粒;P為系統(tǒng)中相的個(gè)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?cái)?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(gè)包含化學(xué)反應(yīng)體系相平衡計(jì)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(shì)。于是,相平衡計(jì)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(gè)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(wú)機(jī)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(jī)理較為復(fù)雜,根據(jù)其主要元素組成和氣化產(chǎn)物,可簡(jiǎn)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(gè)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(huì)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(shí)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(duì)其機(jī)理進(jìn)行準(zhǔn)確地描述,因此本模型未對(duì)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(gè)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(yàn)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(yàn)證模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性,分別按照文獻(xiàn)[19-20]中的試驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行模擬,試驗(yàn)參數(shù)和物料特性見表3。模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的比較如圖3所示。由圖可以看出,過(guò)量空氣系數(shù)在0.19~0.8之間變化的模擬預(yù)測(cè)值與試驗(yàn)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(duì)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(guò)量空氣系數(shù)為1.2時(shí),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(jì)算垃圾低位熱值對(duì)氣化氣體低位熱值的影響曲線見圖5,可以看出,過(guò)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(shí),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(shí),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(shí),隨αEAR逐漸減少,垃圾熱值對(duì)氣化氣體熱值的影響逐漸增大。垃圾低位熱值對(duì)氣化溫度的影響曲線如圖6所示,顯然,垃圾熱值對(duì)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(duì)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(duì)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(tái)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(duì)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(guò)量空氣系數(shù)對(duì)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(duì)氣化溫度的影響曲線,可以看出,與垃圾低位熱值相比,過(guò)量空氣系數(shù)αEAR對(duì)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(shí),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(tái)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(duì)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(jì)算結(jié)果與已有文獻(xiàn)的試驗(yàn)結(jié)果吻合良好,證明其具有較高的可靠性。采用該模型對(duì)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(cè),得到以下結(jié)論:(1)氣化熔融焚燒處理城市生活垃圾時(shí),在無(wú)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(guò)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(shí)過(guò)