【论文精选】生活垃圾热解过程中组分的热力学平衡分析

[原文来自：www.11jj.com]

作者：龙卫泽，孙进，公育红 [原创文章：www.11jj.com]

第一作者单位：中国市政工程华北设计研究总院有限公司

摘自《煤气与热力》2017年1月刊

1   概述

热解技术是一种有效减量化、无害化、资源化的生活垃圾处理方式，可以大幅降低二口恶英和重金属的产生和排放［1-2］。目前生活垃圾热解技术在我国正处于起步阶段，针对关键技术难题的研究可指导热解工艺的优化和运行［3］。

 

生活垃圾中含有较多的氯，主要包括可燃有机氯（PVC）和无机氯（NaCl）等。这两种氯在生活垃圾中的比例大体相当，两种氯共占原生垃圾的0.5%～1.0%［4］。此外，碱金属钾和钠在生活垃圾中的含量也较高，它们是最主要的痕量元素，并广泛分布在生活垃圾中。在生活垃圾热转化过程中，氯和碱金属会以气态的形态释放，遇冷则凝结于反应器表面。这些熔融状的物质可通过捕集气流中的固体颗粒继续生长，并形成较大的团聚物，从而导致反应器的氯化及碱金属腐蚀，降低传热面的换热效率，导致机械损害和运行故障。

 

为解决上述难题，本文采用热力学平衡分析的方法，研究生活垃圾热解炉内碳、氢、氯、碱金属组分的分布规律，给出体系反应过程的方向和限度，为科研工作者提供借鉴。

 

2   热力学平衡计算

2.1  热力学平衡计算原理

 

热力学平衡计算采用Reaction Design公司开发的CHEMKIN软件。求解过程将体系简化为等温、等压的封闭系统，并假定封闭系统达到平衡状态。在定温定压下，多相多组分体系达到热力学平衡状态的充分必要条件为：体系总的吉布斯自由能最小，或体系总的吉布斯自由能的微小变化大于或等于零。体系总的吉布斯自由能由方程（1）计算：

计算时需选择CHEMKIN软件的平衡反应器模型，见图1。首先根据生活垃圾的组成，定义体系中的主要元素，包括C、H、O、N、S、Al、Ca、Cl、Fe、K、Mg、Na、Si共13种。然后需要输入完备的反应物与生成物（所有可预知的生成物）的热力学数据（必须有特定温度和压力下的比定压热容、比焓和比熵）。本文热力学数据选用了自带的Therm.dat和janaf_therm.dat数据库文件，软件可根据先前定义的元素自行调用热力学数据。另外，CHEMKIN软件允许用户对数据库进行开发，本文根据文献［5］，补充了Al、Ca、Cl、Fe、K、Mg、Na和Si的气相（用g表示）、凝结相（用s，l表示，s表示固相，l表示液相）共133种物质的热力学数据。在进行热力学平衡计算之前，还需要输入反应物（元素或组分的物质的量，软件包会自动计算各元素或组分的摩尔分数。在完成上述设定后，CHEMKIN软件会根据热力学第二定律求解体系达到热力学平衡状态时各生成物在各相中的物质的量或摩尔分数。

 

图1   平衡反应器

 

2.2   生活垃圾的模拟方案