高原地區(qū)回轉窯焚燒設備爐膛特征參數(shù)修正方法

盧衛(wèi)凌

(中化環(huán)境控股有限公司，北京 100071)

危險廢物是具有腐蝕性、易燃易爆性、化學反應性、毒性、感染性等種類中的一種或幾種危險特性的固體廢物，同時危險廢物具有種類多、危害大、性質復雜、處理困難等特點，所以必須經(jīng)過專業(yè)處理后才能進入環(huán)境[1]。焚燒法是一種比較可靠、經(jīng)濟和安全有效的手段，而回轉窯焚燒工藝是危險廢物處理中最有效的處置工藝，具有廢物處理種類多、處理量大等優(yōu)點[2]。我國自20世紀90年代開始，逐步開始使用回轉窯焚燒系統(tǒng)處理危險廢物，目前，全國90%以上的危險廢物處置中心都采用了回轉窯焚燒處理系統(tǒng)。

隨著我國對危險廢物處理的重視程度越來越高，以及我國西部地區(qū)經(jīng)濟的發(fā)展，西部地區(qū)的危險廢物產(chǎn)生量逐年增多，西部地區(qū)需要的危險廢物處置中心也逐漸增多。而西部地區(qū)多是海拔較高、大氣壓力低、大氣含氧量低的高原地區(qū)，在這些地區(qū)的焚燒設備、如果設計不當，很容易出現(xiàn)物料處理量不足、物料燃燒不徹底、煙氣流速過快、煙氣在爐內停留時間過短、風機不匹配等多種問題。因此在實際工程設計中，需要根據(jù)大氣壓的變化對焚燒系統(tǒng)的計算參數(shù)進行修正。

本文簡介了大氣壓力變化引起的大氣參數(shù)變化的特點，以及對焚燒系統(tǒng)各計算參數(shù)的影響，提出了焚燒設備的大氣壓修正方法，并結合海拔高度為4 507 m的某醫(yī)療廢物焚燒處置項目，進行了一些工程設計定量計算。

1 高原地區(qū)大氣參數(shù)變化的特點

1.1 對大氣壓力的影響

由于地球引力的作用, 大氣中的分子向地球表面富集，海拔高度越低，大氣密度越大，大氣壓力也越大，海拔高度越高，大氣密度越低，大氣壓力也越小。

大氣壓力與海拔高度的關系可近似用式(1)表示：

P=P0(1-0.022 569H)5.256

(1)

式中:P為高原大氣壓力,約101.325 kPa;P0為標準大氣壓力，kPa;H為海拔高度，km。

對于某項目而言，海拔高度為4 507 m，大氣壓力為58.9 kPa，比海平面的大氣壓降低了41.87%。

1.2 對大氣密度的影響

根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程，在溫度一定的情況下, 大氣壓力與其密度成正比, 即

(2)

式中:ρ為大氣密度，kg/m3;P為大氣壓力，Pa;R為氣體常數(shù);T為絕對溫度,K。

由式(2)可推導出，高原地區(qū)的大氣密度為

(3)

式中:P為高原地區(qū)大氣壓力,Pa;P0為標準大氣壓力,Pa;ρ0為標準大氣壓力下空氣的密度,kg/m3；ρ為0 ℃時高原地區(qū)空氣的密度,kg/m3。

由式(3)可知，大氣壓力與其密度成正比，大氣壓力越小，則密度也越小。

1.3 對大氣中氧密度的影響

環(huán)繞地球的空氣是多種成分氣體的混合物，其主要成分的體積百分比為氮氣78.08%, 氧氣20.96%, 其他還有少量的氟氣、二氧化碳氣體，其氣體成分百分比含量基本保持恒定值, 且不隨大氣壓力的變化而變化[3]。因高海拔地區(qū)空氣密度的降低, 氧氣的密度也成比例地降低, 其降低幅度與空氣密度相同。

對于某項目而言，空氣中氧氣的體積百分比不變，但氧氣的密度卻也隨著空氣密度的變化而變化，即：

(4)

1.4 對大氣比熱的影響

以質量單位來表示的空氣比熱容(kJ/(kg·℃)),隨空氣密度的變化很小。但以容積單位來表示時將有較大的變化, 應注意修正。

1.5 高原大氣壓變化對爐內容積送風量的影響

在燃燒計算中，當物料量恒定的情況下，物料完全燃燒所需的空氣的質量是不變的,即標況下空氣消耗量是一定的。但是工況下，等質量的空氣耗量的實際體積會隨大氣壓力的變化而變化。由于高原地區(qū)的大氣壓力比平原地區(qū)低,導致空氣和煙氣的密度下降,實際工況下大氣中氧的體積濃度也隨之下降[4]。如需要送入爐膛同樣質量的空氣或引出同樣質量的煙氣,其空氣或煙氣的體積應與當?shù)氐拇髿鈮毫Τ煞幢取?/p>

若標準條件下的壓力為P0,比容為υ0,在P1壓力時,υ1與υ0關系為

P0Δυ0=P1·υ1

(5)

故

(6)

設定

(7)

若命C1為大氣壓力修正系數(shù),則

υ1=C1Δυ0

(8)

在國內通用的熱力計算標準中,熱力計算所用空氣量是采用容積空氣量,若總風量為Qg,則

Qg=Bp(V0+ΔαV0) =Gg·υ0

(9)

當氣壓由P0降低時,則式(9)應為

Qg1=Ggυ1=GgC1υ0=

C1Bp(V0+ΔαV0)=C1·Qg

(10)

式中:Qg為 標準壓力下空氣總容積量,m3/h;Gg為 標準壓力下所需空氣質量,kg/h;Qg1為P1壓力下的空氣總容積量, m3/h；Bp、V0、Δ物理意義與熱力計算相同。

由式(10)可知，實際空氣量和煙氣量的體積與標準大氣壓和實際大氣壓的比值成正比，即與大氣壓修正系數(shù)C1成正比。

2 回轉窯焚燒系統(tǒng)設計及修正

2.1 回轉窯焚燒系統(tǒng)構成

回轉窯焚燒系統(tǒng)整條生產(chǎn)線包含預處理系統(tǒng)、焚燒系統(tǒng)、余熱回收系統(tǒng)、煙氣處理系統(tǒng)等幾個部分[5]。焚燒系統(tǒng)主要包含回轉窯、二燃室以及其他輔助系統(tǒng)。本文主要介紹回轉窯和二燃室的設計計算以及大氣壓修正。

2.2 燃燒計算

某項目為醫(yī)療廢物集中焚燒項目，處置量為5 t/d，約208.3 kg/h。醫(yī)療廢物的設計點元素分析表如表1所示。

表1 醫(yī)療廢物元素分析表 %

根據(jù)門捷列夫公式計算，物料的低位發(fā)熱量估算見式(1)：

Qlow=339w(C)+1 030w(H)-109(w(O)-
w(S))-25w(M)

(11)

Qlow=18 090.1

式中：Qlow為物料低位發(fā)熱量，kJ/kg。

理論單位質量危廢所需的空氣量為

(12)

根據(jù)工程設計經(jīng)驗，選擇回轉窯和二燃室的總空氣過剩系數(shù)為1.8，回轉窯內的空氣過剩系數(shù)為1.2，則回轉窯實際單位小時所需要的空氣量為

Vk=αBV0=1.2×208.3×4.735=1 183.9

(13)

式中：Vk物料所需要實際空氣里空氣量，m3/kg(標準)。

通入二燃室的二次風量為

(1.8-1.2)×208.3×4.735=591.9

回轉窯內單位質量危廢的理論煙氣產(chǎn)生量為

(14)

回轉窯內單位質量危廢的實際產(chǎn)煙氣量為

(15)

2.3 物料平衡和熱平衡

回轉窯的處置廢物量為約208.3 kg/h，窯內出口煙氣溫度為≥950 ℃，回轉窯外壁溫度為200 ℃。二燃室的爐內溫度要保持在≥1 100 ℃，輔助燃料為輕柴油，柴油熱值為42 900 kJ/kg·二燃室外壁溫度為≤55 ℃。根據(jù)常規(guī)物料平衡和熱平衡計算理論，回轉窯和二燃室的物料平衡和熱平衡計算結果見表2～表5。

表2 回轉窯的物料平衡表 kg/h

表3 二燃室的物料平衡表 kg/h

2.4 回轉窯尺寸計算

回轉窯出口煙氣溫度定為t1=950 ℃，大氣壓修正系數(shù)為

表4 回轉窯的熱平衡表 kg/h

表5 二燃室的熱平衡表 kg/h

(16)

回轉窯內實際煙氣體積為

(17)

為保證燃燒效果，回轉窯內的煙氣流速選用和平原地區(qū)的流速大體相同，W=2 m/s左右，則回轉窯的截面積為

(18)

由截面積可計算出轉窯內徑D=1.34 m，圓整后取內徑D=1.4 m，再根據(jù)式(18)反推計算出煙氣流速為1.83 m/s，此流速符合工藝設計要求。

一般情況下，用于處理固體廢物的回轉窯，其長徑比值為3.4～4.2，本次計算取上限4.2，則可計算出回轉窯長度為

L=4.2D=4.2×1.4=5.88

(19)

圓整后取長度L=6 m。

回轉窯內的容積熱負荷應控制在(4.2～104.5)×104kJ/(m3·h)[5]。根據(jù)個人經(jīng)驗，回轉窯的容積熱負荷最好控制在(333～628)×103kJ/(m3·h)，這樣燃燒效果會更好。

根據(jù)以上計算出的回轉窯尺寸，核實容積熱負荷為

(20)

計算所得容積熱負荷滿足規(guī)范和經(jīng)驗要求，所以回轉窯的尺寸為內徑1.4 m，長度為6 m。

為保證燃燒效果，煙氣在爐時間通常需要保證大于2 s。本項目的煙氣在爐時間為

(21)

式中：t為煙氣停留時間，s;L為回轉窯長度，m；w為煙氣流速，m/s。

由計算結果可知，煙氣停留時間可以滿足燃燒效果的需求。

固體廢物在回轉窯內的停留時間可用下式估算

(22)

式中：θ為固體停留時間，min;L為回轉窯長度，m；D為回轉窯內徑，m；N為回轉窯轉速，0.1～1 r/min；S為窯傾斜度，m/m，S=tanα，α為轉窯傾斜角度，取1.5°。

轉速分別取0.1和1兩個極限數(shù)據(jù)計算，可得固體廢物在爐停留時間為27.2～272.1 min。

物料的在窯停留時間通常控制在60～90 min，所以通過調整回轉窯轉速，可以保證固體廢物的在爐時間，使得廢物能夠得到充分燃燒。

2.5 二燃室尺寸計算

根據(jù)熱平衡計算，二燃室應補充的二次風量為591.9 m3/h(標準)，空氣預熱溫度為150 ℃，煙氣量為1 969.86 m3/h(標準)，煙氣溫度為1 165 ℃。同回轉窯計算方案相同，計算可得：

二燃室內徑1.5m，有效高度6 m，煙氣流速2.81 m，煙氣停留時間2.14 s，容積熱負荷368.15×103kJ/(m3·h)，計算結果符合規(guī)范要求。

2.6 風機選擇

選擇風機時應盡量使風機常年在較高效率范圍內運行，同時，必須按當?shù)卮髿鈮汉蛯嶋H運行溫度，對廠家配套得或從風機樣本中選用得風機風量、風壓及功率進行校核計算，根據(jù)計算結果來選擇風機。

2.6.1 鼓風機的風量計算見下式

(23)

式中：Qg為 鼓風機的風量，m3/h；V為標準狀態(tài)額定工況下的實際空氣量m3/h；t為進入風機的空氣溫度，℃；b為當?shù)卮髿鈮?，kPa。

2.6.2 鼓風機的風壓

鼓風機的風壓計算見式

(24)

由式(3)和式(7)可推導出

(25)

式中：Pg為 鼓風機的風壓，Pa；∑Δp為未進行當?shù)卮髿鈮盒拚娘L道總阻力，Pa；t為進入風機的空氣溫度，℃；tg為鼓風機銘牌上標出的介質溫度，℃，通常為20 ℃；ρL為進入風機的空氣密度，kg/m3；b為當?shù)卮髿鈮?，kPa。

3 結 論

高原地區(qū)大氣壓及氧含量的變化，對回轉窯焚燒系統(tǒng)的設計參數(shù)造成了較大的影響，通過大氣壓修正后，回轉窯焚燒系統(tǒng)的各項工藝參數(shù)是能夠滿足標準規(guī)范要求的。

本文僅簡單介紹了回轉窯、二燃室、風機的大氣壓修正，整個回轉窯焚燒處置生產(chǎn)線上的其他設備也可根據(jù)同樣原理進行大氣壓修正，這樣經(jīng)過修正后的設備型號及參數(shù)才能滿足高原地區(qū)運行的需求。