摘要：針對乳膠手套、棉花和輸液器三種典型有機醫療廢物，以高溫水蒸氣作為氣化劑;基于吉布斯自由能最小化原理，對三種醫療廢物高溫水蒸氣氣化的熱力學問題進行模擬研究。探討原料種類、氣化溫度和水蒸氣通入量等影響因素，對合成氣組分、產氣量和產氣低位熱值等評價指標的影響規律。模擬結果表明:在同一工況下，原料中的氫、氧含量決定合成氣中的氫氣與碳氧化物的產量;反應溫度與水蒸氣-醫療垃圾質量比(S/W)可改變合成氣各產氣組分及低位熱值，得出最佳反應溫度為800℃、S/W為2.0。

　　關鍵詞：醫療垃圾高溫水蒸汽氣化Aspenplus

　　醫療垃圾含有大量的病毒、病菌及化學藥劑，是一種對環境危害極大的廢棄物，醫療垃圾處理問題正日益受到業內人士和全社會的關注［1］。醫療垃圾氣化是將醫療垃圾通過熱化學反應轉化為CO、H2和低分子烴類等組成的可燃氣體，同時反應器內的高溫能夠有效破壞傳染性、有毒性物質，并具有良好的減容、減重和抑制污染物生成的特點，實現醫療垃圾的減量化、資源化和無害化［2］。

　　1氣化模型建立及驗證

　　1.1氣化模型的建立

　　氣化爐內的主要反應為原料干燥、熱解、氣化反應三個部分。因此建立模型時把整個氣化過程分為干燥、熱解和氣化三個部分。基于Aspenplus的氣化模擬流程圖見圖1。利用化學計量反應器(ＲSTOIC)、產率反應器(ＲYIELD)、吉布斯反應器(ＲGIBBS)三個反應器來分別模擬干燥、熱解、氣化過程。具體物料流程為:醫療垃圾顆粒先經過化學計量反應器，模擬醫療垃圾顆粒干燥過程，其干燥產物經過產率反應器將非常規組分醫療垃圾顆粒變為C、H、O、N、S單質以及H2O和不參與反應的灰分，再與氣化劑高溫水蒸汽在吉布斯反應器內混合并發生氣化反應。得出的產物經氣固分流器(Ssplit)分離出不參與反應的灰分與殘炭，其余氣體產物通過組分分離器(Sep)分離出水分，得到最終干燥的合成氣。

　　1.2模型驗證

　　利用固定床生物質氣化爐的實驗數據［9］對模型進行了驗證。固定床的內徑200mm，高度400mm，生物質進料量為1kg/h。實驗原料為油棕櫚顆粒，其工業分析和元素分析為: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。原料中灰分不參與反應，模擬過程忽略焦油。實驗產氣組分及模擬結果見表1。

　　2模擬與分析

　　按照醫療垃圾名錄分別選取乳膠手套(橡膠類)、棉花(生物質類)、輸液器(塑料類)三類醫療垃圾為原料，利用Aspenplus模擬三類醫療垃圾的氣化過程。三種原料的工業分析與元素分析數據參照文獻［10］(見表3)，通入量為0.5kg/h。高溫水蒸氣溫度為1000℃，通入量為1kg/h。只考慮此種工況下的主要氣體產物H2、CO、CO2，得到如下結果。

　　2.1氣化溫度對產氣的影響

　　從圖3～圖5可以看出在同反應溫度下，H2產量:輸液管＞乳膠手套＞棉花，這與三種醫療垃圾的氫元素含量相對應(氫元素含量:輸液管＞乳膠手套＞棉花)。三種醫療垃圾的各組分變化趨勢大致相同，H2產量均先隨溫度的升高而增加達到峰值后隨溫度的升高而降低;CO的產量隨溫度的升高而增加，在800℃之后增加趨勢趨于平緩;CO2的產量隨溫度的升高而降低。總體而言，氣化過程受水汽反應CO+H2O=CO2+H2與水煤氣反應:C+H2O=CO+H2，C+2H2O=CO2+2H2以及C+CO2=2CO聯合制約。一般認為水煤氣反應在400℃以上即可進行，在600℃以前雙水反應占比重較多，因此，CO2的氣體產量在600℃時最高且高于CO。當反應溫度由600℃升至700℃時，溫度升高使一水水煤氣反應所占比重增加，且一水反應正向進行，因此，在600～700℃溫度段，H2和CO產量增加，CO2產量下降。反應溫度達到700℃時，水汽反應開始活躍，但該反應會隨溫度增加而逆向進行，因此，H2與CO產量隨溫度升高而增加的趨勢、CO2產量隨溫度升高而下降的趨勢會趨于平緩。在800℃以后，水汽反應的逆過程消耗的H2量逐漸大于反應H2生成量，因此H2產量會略下降;CO產量隨溫度的升高繼續增加;CO2產量隨溫度的升高繼續下降。但受多個反應的聯合制約，CO產量的增加趨勢和CO2產量的下降趨勢更加平緩。

　　2.2高溫水蒸汽通入量對產氣的影響

　　圖7表示800℃時乳膠手套各產氣組分隨S/W(水蒸氣-醫療垃圾質量比)的變化，從圖中可以看出在S/W低于1時，隨S/W增加，H2、CO、CO2三種氣體產量增加;在S/W1～1.5范圍，CO產量增加趨勢趨于平緩。當S/W超過1.5后，CO產量隨S/W增加而下降，H2、CO2產量的增加趨勢趨于平緩。在S/W低于1.5時，醫療垃圾未全部參與反應，此時，隨S/W比增加，三種氣體的產量都會增加，同時隨通入水量及產生的CO量增加，更多水及CO會參與到水氣反應，造成H2、CO2產量急劇增大，CO產量增長平緩。當S/W超過1.5后，更多高溫水會與產氣中的CO反應，造成H2、CO2產量繼續增加，CO產量繼續下降，但受CO總量制約，三種氣體的變化趨勢會趨于平緩。合成氣熱值隨S/W的增加總體呈下降趨勢，在S/W大于1后下降較快，在S/W大于3后下降平緩。綜合考慮產氣中可燃氣體產量、合成氣熱值及能耗，可認為S/W=2為最佳反應條件。在此工況下總產氣量較高，產氣中H2含量較高，CO2含量較低，產氣熱值較高。

　　3結論

　　建立了一套醫療垃圾高溫水蒸氣氣化的Aspenplus模型并驗證，通過求解，得出以下結論:(1)醫療垃圾本身氫、氧元素含量影響產氣中的氫氣與碳氧化物的組成。同反應條件下，醫療垃圾中氫元素含量越多，產氣中H2產量越多;氧元素含量越多，CO2產量越高、CO產量越低。(2)同工況下，產氣中H2產量隨著氣化溫度的升高而先增加后稍減少，在700～800℃時，H2產量出現極大值;CO產量隨溫度增加而增加，增加趨勢在800℃之后趨于平緩;CO2產量隨著溫度的升高而下降。合成氣熱值隨溫度升高而增加，在800℃之后增加趨勢趨于平緩。得出醫療垃圾的最佳氣化溫度為800℃。(3)同工況下，在低S/W時，隨S/W增加，CO、H2、CO2的產量增加;在高S/W時H2、CO2的產量隨S/W增加而增加，CO產量隨S/W增加而下降。總產氣量隨S/W增加而增加，當S/W達到2.5以后，增加趨勢平緩。產氣熱值總體隨S/W增加而下降。得出S/W=2為最佳實驗工況。

　　參考文獻

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　　陳義勝1王宏坤1龐赟佶1，2馬黎軍1