基于吉布斯自由能最大化的城市生活垃圾气化熔融技术模型

基于吉布斯自由能最大化的城市生活垃圾气化熔融技术模型

0城市生活垃圾处理流程随着经济发展和生活水平的提高，生活垃圾的数量每天都在增加。未处理或处理的城市垃圾占用土地、污染水质、土壤和大气，传播疾病，破坏自然景观，损害人类生态环境。因此,如何有效处理生活垃圾已成为关系城市社会和经济可持续发展不可忽视的问题。垃圾焚烧法由于具有显著减容的同时可获得能源的优势,被许多工业发达国家广泛应用。然而,垃圾焚烧带来的二恶英、重金属等二次污染和酸性气体对设备腐蚀等问题,促使人们不得不重新认识这项技术。城市生活垃圾气化熔融技术,是在焚烧基础上发展起来的新型垃圾处理技术。这一技术不仅能使二恶英趋零排放,而且显著降低重金属等二次污染物排放值;同时低温气化可深度脱氯,有效减少了受热面高温腐蚀,提高了蒸汽参数和发电效率,并利于金属的回收利用。因此,该技术实现了彻底的无害化、显著的减容、广泛的物料适应和高效的能源与物资回收,是新一代环境友善的废物处理技术。目前,我国对该技术尚处于试验研究阶段,由于试验装置的局限性和垃圾成分的复杂性,试验过程中大多采用模拟垃圾作为研究对象,为弥补试验的不足,本文采用Gibbs自由能最小化方法建立了城市生活垃圾气化熔融系统模型,并通过敏感性分析,研究了垃圾气化气体低位热值和熔融温度的相互关系,在此基础上,又进一步研究分析了垃圾低位热值、垃圾含水率和气化炉过量空气系数αEAR对气化气体低位热值和气化温度的影响,为这一技术在我国商业应用提供有益参考。1气连接系统模拟1.1酸体系的热设计及过程分析由于实际的城市生活垃圾气化熔融是在温度较高、化学反应和传质都较快的体系下进行的,其过程由平衡来控制,可以看作是一个包含众多复杂化学反应平衡和多相平衡的过程,其热化学变化及相变过程可视为恒温恒压过程,因此,可以应用Gibbs自由能最小原理来分析。(1)限制条件设定对于一个复杂的化学反应体系,当反应达到热平衡之后,体系的Gibbs自由能G达到极小值。由此可以建立数学模型:该模型描述的属于非线性数学规划问题,其限制条件如下:其中:式(1)为目标函数,S为单独存在的相,如固体颗粒;P为系统中相的个数;C为组分数;式(2)为质量守恒约束条件,E为系统考虑的元素数目;njk为组分的摩尔数;mjk为组分的原子矩阵;bk为元素的摩尔数;式(3)为焓平衡约束条件,Hi为组份i的标准焓;T为温度;Q为热损失;式(4)为非负约束条件。(2)存在线性约束条件的非线性规划问题垃圾气化熔融也是一个包含化学反应体系相平衡计算的问题。其数学描述为式中:N为组分数;P为相数;nik和µik分别为i组份在k相中的摩尔数和化学势。于是,相平衡计算问题可转化为具有如下线性约束条件的非线性规划问题:式中:nj为j元素的摩尔数;aji是组份i中元素j的个数。1.2融成玻璃质炉渣系统的工艺流程城市生活垃圾气化熔融技术原理是:垃圾在450~650℃的还原性气氛下气化,产生可燃气体和易于铁、铝等金属回收的残留物,可燃气体具有较高热值,并含有未完全气化的残焦细粒和飞灰,送入预热空气,在1350~1400℃条件下燃烧,气化气体和残焦细粒完全燃烬,无机物则熔融成玻璃质炉渣,系统工艺流程如图1所示。垃圾的气化机理较为复杂,根据其主要元素组成和气化产物,可简单归结为反应方程其他气体+焦油+焦炭+酸(9)气化产物中可燃气体在熔融炉内燃烧放热,使炉内保持较高的熔融温度,具体反应如下:飞灰熔融是一种复杂的物理化学反应,通常称为熔融相变。每个相都有自己的热力学稳定条件,一定范围内自由焓最低的相最稳定,当外界条件改变,改变相的稳定条件,就会发生相变。同一化学组成的物质,在不同的外界条件下,有时具有不同的晶型。随着温度的变化,晶体就由一种晶型转变为另一种晶型,即发生多晶转变。当温度继续升高到一定程度后,固相自由能高于液相自由能,使得固相变得不稳定,从而发生熔融相变。目前很难对其机理进行准确地描述,因此本模型未对其进行模拟。城市生活垃圾气化熔融系统模拟如图2所示,模型包含4个反应模块、9股物料流和1股热流,各模块和物料流的具体功能描述和参数设置见表1、2。2试验参数的模拟由于气化是该工艺的关键环节,因此为验证模拟结果的准确性,分别按照文献[19-20]中的试验参数进行模拟,试验参数和物料特性见表3。模拟结果与试验结果的比较如图3所示。由图可以看出,过量空气系数在0.19~0.8之间变化的模拟预测值与试验结果符合良好,表明该模型具有较高的可靠性。3结果和分析3.1气化气体燃烧的热值图4表示垃圾气化气体低位热值对熔融温度的影响规律。图中的熔融温度是预热空气温度200℃,过量空气系数为1.2时,气化气体燃烧的绝热火焰温度。由图可以看出,熔融温度随垃圾气化气体低位热值的增大而升高,根据垃圾气化熔融工艺的要求,熔融炉温度要高于1350℃,才能固化飞灰中的有害重金属、分解二恶英,保证融渣安全卫生。因此在不增加辅助热源的情况下,如果要达到这一工艺要求,由图可知,进入熔融炉的气化气体低位热值必须高于3000kJ/m3。3.2环保热值的计算垃圾低位热值对气化气体低位热值的影响曲线见图5,可以看出,过量空气系数αEAR不变,城市生活垃圾热值愈高,其气化产生气体的热值也愈高。当αEAR=0.5时,低位热值高于10600kJ/kg的生活垃圾气化后,气化气体热值可达到3000kJ/m3以上。当αEAR=0.4时,要获得相同的气化气体热值,垃圾的热值只要大于7800kJ/kg即可。同时,随αEAR逐渐减少,垃圾热值对气化气体热值的影响逐渐增大。垃圾低位热值对气化温度的影响曲线如图6所示,显然,垃圾热值对气化温度的影响不大,αEAR愈小,影响曲线愈接近水平。3.3含油率对气化气体高位热值的影响αEAR=0.5,气化介质温度为500℃条件下,城市生活垃圾含水率对气化气体低位热值和气化温度的影响曲线见图7、8所示,由图可以看出,随着垃圾含水率增大,垃圾气化后产生的气体低位热值略有下降,而气化炉温度显著降低。以热值较高的台南垃圾为例,含水率从10%增加到30%,气化气体低位热值只减少了40kJ/m3,下降幅度为1.6%;而气化炉温度却下降了100℃,降幅达到20%。3.4ear对气化温度的影响垃圾含水率为10%,气化介质温度为500℃条件下,气化炉中过量空气系数对气化气体低位热值的影响如图9所示,由图可见,随αEAR的逐渐减小,气化气体低位热值明显增大。以香港垃圾为例,要想获得3000kJ/m3的气化气体,αEAR需小于0.5。图10为相同条件下αEAR对气化温度的影响曲线,可以看出,与垃圾低位热值相比,过量空气系数αEAR对气化炉温度的影响较大,随αEAR减小,气化温度显著降低。当αEAR小于0.6时,3种垃圾气化温度均低于600℃。另外,从图中还可以看出,3条曲线较为接近,尤其是香港和台南两城市的影响曲线几乎重合,这进一步证明前面的结论,即垃圾低位热值对气化温度的影响较小。4气化气体高位热值本文采用Gibbs自由能最小化方法,建立了城市生活垃圾气化熔融系统的理论模型,模拟计算结果与已有文献的试验结果吻合良好,证明其具有较高的可靠性。采用该模型对气化熔融工艺所要求的垃圾基本特性参数进行了分析预测,得到以下结论:(1)气化熔融焚烧处理城市生活垃圾时,在无辅助热源情况下,进入熔融炉的气化气体低位热值必须高于3000kJ/m3,其燃烧绝热火焰温度方能达到1350℃。(2)增大垃圾低位热值和减小气化炉过量空气系数,均能显著提高气化气体低位热值。热值高于7800kJ/kg的城市生活垃圾,气化时过