熱等離子體醫(yī)療廢物處理系統(tǒng)的節(jié)能分析

(山東科技大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院，山東青島 266590)

1 節(jié)能分析

1.1 節(jié)能原理

醫(yī)療垃圾含水量大約在20%～40%之間[1]，含水量較大，如果將這些水分完全依靠等離子體炬(也即電能)汽化并進(jìn)一步加熱到1 600 ℃以上的高溫時(shí)，電耗極高[2]。但如果當(dāng)將水分被提前采用其他方法預(yù)熱蒸發(fā)成為蒸汽，則因?yàn)楸荛_(kāi)了能耗很高的主燃燒室內(nèi)水分的汽化潛熱(水分的汽化潛熱比顯熱高的多)，就可以大幅度的降低其加熱過(guò)程所需的電耗[3]。本裝置采用余熱回收獲得高溫空氣直接預(yù)熱垃圾的方法則因?yàn)榇蠓冉档土死兴值钠锜?，一定程度上降低了垃圾熔融需熱和垃圾分解需熱，可以極大的降低整個(gè)系統(tǒng)的電能的消耗。傳統(tǒng)的等離子體醫(yī)療廢物處理系統(tǒng)，垃圾不經(jīng)過(guò)預(yù)熱處理進(jìn)入氣化爐后被干燥，少部分熱量來(lái)自氧化層的燃燒熱，大部分來(lái)自等離子體炬將電能轉(zhuǎn)化成的熱能，消耗大量電能。同時(shí)氣化熔融爐底部需要高溫氛圍將爐渣熔融，也需要等離子體炬將大量電能轉(zhuǎn)化成熱能。

1.2 回轉(zhuǎn)式垃圾預(yù)熱器傳熱機(jī)理

轉(zhuǎn)動(dòng)的預(yù)熱器內(nèi)發(fā)生著復(fù)雜的熱量交換過(guò)程，垃圾物料與高溫空氣、煙氣間既有直接熱交換過(guò)程，也有蓄熱式傳熱過(guò)程[4]：隨著垃圾預(yù)熱器的旋轉(zhuǎn)，預(yù)熱器表面周期性地與高溫空氣、煙氣及垃圾物料接觸，內(nèi)壁表面從高溫空氣與煙氣的混合氣體中吸收熱量，經(jīng)過(guò)旋轉(zhuǎn)后，又傳遞給垃圾物料。同時(shí)，高溫空氣與醫(yī)療垃圾之間直接進(jìn)行熱量交換[5]。

1.3 一維軸向傳熱模型

根據(jù)上文中描述的熱量傳遞過(guò)程，沿垃圾預(yù)熱器軸長(zhǎng)方向建立一維穩(wěn)態(tài)模型[6]。

則關(guān)于空氣能量守恒式為：

(1)

關(guān)于垃圾物料的能量守恒式為：

(2)

式中，hc為對(duì)流傳熱系數(shù)，(W/(m2·K))；A為面積，(m2)；T為溫度，(K)；ε為物體的發(fā)射率；σ為斯忒藩—玻爾茲曼常量其值為5.67×10-8W/(m2·K4)；l為沿軸長(zhǎng)方向長(zhǎng)度；cP為定壓比熱容，(kJ/(kg·K))。

角標(biāo)：mw為醫(yī)療垃圾物料；tw為壁面接觸的物料；cw為被覆蓋的窯壁面；ws為物料表層；ew為裸露窯壁面；a為高溫空氣；w為內(nèi)壁面；sh為外壁面；e為外界環(huán)境。下標(biāo)中的符號(hào)“→”表示兩者間的傳熱路徑；z為預(yù)熱器軸長(zhǎng)方向。

1.4 各項(xiàng)換熱系數(shù)的計(jì)算

1.4.1 對(duì)流及導(dǎo)熱換熱系數(shù)

(3)

(4)

式中，λmw為物料導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)；D為預(yù)熱器內(nèi)徑，(m)；R為預(yù)熱器內(nèi)半徑，(m)；θ為醫(yī)療垃圾半填充角，(rad)；ω為垃圾預(yù)熱器轉(zhuǎn)速，(s-1)；αmw為醫(yī)療垃圾熱擴(kuò)散率(m2/s)。

1.4.2 輻射換熱系數(shù)

預(yù)熱器內(nèi)的輻射換熱主要包括高溫空氣與醫(yī)療垃圾表層間的輻射換熱[7]、高溫空氣與裸露的預(yù)熱器壁面間的輻射換熱、裸露壁面與醫(yī)療垃圾表層間的換熱、外壁面與環(huán)境的輻射換熱。發(fā)射系數(shù)分別為：

(5)

(6)

(7)

式中,υ為醫(yī)療垃圾表面與裸露內(nèi)壁面面積之比。

U=(1-εa)(1-εw)(υ(1-εa)(1-εws)+

(1-υ))

(8)

(9)

2 模型計(jì)算結(jié)果與分析

試驗(yàn)設(shè)備為內(nèi)徑0.8 m，外徑1.2 m，長(zhǎng)6 m的回轉(zhuǎn)式預(yù)熱器，高溫空氣與煙氣的混合氣體在預(yù)熱器內(nèi)部與醫(yī)療垃圾逆流流動(dòng)。試驗(yàn)中，向預(yù)熱器中通入不同溫度的高溫空氣，記錄平均內(nèi)壁溫度、垃圾物料的溫度并將由溫度查得的物性參數(shù)帶入模型中，則計(jì)算出各部分熱量所占總熱量的百分。

當(dāng)運(yùn)行穩(wěn)定時(shí)，回轉(zhuǎn)式預(yù)熱器的壁溫及醫(yī)療垃圾的溫度基本保持不變。由于高溫空氣與醫(yī)療垃圾之間的換熱為系統(tǒng)主要換熱方式，高溫空氣與醫(yī)療垃圾之間的對(duì)流、輻射換熱占換熱總量的比例大于90%，裸露壁面和被覆蓋避免與垃圾醫(yī)療垃圾之間的換熱比例小于10%。由于輻射換熱與溫度的四次方成正比，當(dāng)高溫空氣和醫(yī)療垃圾溫度升高時(shí)，高溫空氣和醫(yī)療垃圾之間的輻射換熱熱阻減小，輻射換熱在總換熱量中的比例隨之升高。隨著高溫空氣溫度的升高，醫(yī)療垃圾在預(yù)熱階段獲得的熱量也大幅度增加。當(dāng)高溫空氣溫度在850 ℃～1 050 ℃時(shí)，醫(yī)療垃圾獲得的總熱量相當(dāng)于減少了17%～28.8%的等離子體炬電耗。

3 結(jié)束語(yǔ)

醫(yī)療垃圾不僅危害大，而且含水量高，等離子體系統(tǒng)處理會(huì)消耗大量電能，文中通過(guò)實(shí)驗(yàn)，結(jié)合傳熱模型，計(jì)算得到利用煙氣余熱預(yù)熱醫(yī)療垃圾會(huì)減少17%～28.8%的等離子體炬電耗。