基于CFD的外加熱回轉(zhuǎn)式醫(yī)療固廢裂解爐設(shè)計與研究

毛 婭，閔家庚

(武漢理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，湖北 武漢 430070)

在全球疫情肆虐的情況下，醫(yī)療廢物的產(chǎn)量將持續(xù)增長。熱解法是近年來逐漸興起的垃圾處理方式，其具有減量化、無害化、資源化的特點(diǎn)[1]。

目前，國內(nèi)外學(xué)者對熱解技術(shù)開展了相關(guān)研究：袁浩然等[2]研究了城市垃圾裂解過程，討論了各類熱解氣化反應(yīng)器的優(yōu)缺點(diǎn)，通過比較各類實(shí)驗(yàn)研究,明確了熱解溫度、加熱速率對熱解產(chǎn)物產(chǎn)量及產(chǎn)物分布的影響。徐青等[3]研究了溫度對城市生活垃圾裂解產(chǎn)氣規(guī)律與產(chǎn)氣組分的影響規(guī)律，結(jié)果表明垃圾在微波設(shè)備內(nèi)升溫很快，裂解產(chǎn)物主要有H2、CO、CO2、CH4、CnHm等氣體成分，隨溫度升高,甲烷含量逐漸增大?；聲赠i[4]根據(jù)印尼油砂的物化性質(zhì)對給定的新型油砂設(shè)計了一種新型油砂裂解爐，并搭建了小型實(shí)驗(yàn)裝置，Njagga Touray等[5]對山羊糞便的特性進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)其可作為裂解原料制生物碳，通過分析不同的因素對制碳的影響，最終得到保存時間是影響生物炭制備的次要工藝參數(shù)。Abnisa等[6]研究表明生物質(zhì)熱解油可代替化石燃料，而獲得高質(zhì)量的熱解油需要有效科學(xué)的制備方法，為此提出共熱解技術(shù)，該技術(shù)可以改善裂解油特性，提高產(chǎn)率，降低含水率等，具有重要的意義。

醫(yī)療固廢與以上一般垃圾不同，攜帶有病毒病菌，需要妥善處理。筆者以醫(yī)療固廢為研究對象，設(shè)計了一種外加熱回轉(zhuǎn)式裂解爐，在設(shè)計的裂解爐結(jié)構(gòu)參數(shù)基礎(chǔ)上，應(yīng)用CFD技術(shù)研究其溫度場、流場等，為結(jié)構(gòu)設(shè)計提供理論參考。

1 裂解工藝路線

裂解是指物料在無氧情況下高溫吸熱之后，分解生成氣體、焦油和碳渣等的化學(xué)變化過程。

醫(yī)療固廢裂解工藝流程包括前處理系統(tǒng)、熱解氣化系統(tǒng)、熱解氣凈化系統(tǒng)和焦油回收系統(tǒng)，其核心部分是熱解氣化工藝。醫(yī)療垃圾經(jīng)過消毒、運(yùn)輸、稱量后由板式輸送機(jī)輸送至分揀臺。在分揀臺上將玻璃、金屬等不可裂解的無機(jī)物被人工分揀出來回收處理，可以裂解的大塊物料經(jīng)破碎然后存入儲料倉，剩下的物料則經(jīng)過磁選機(jī)揀出未分揀出的磁性物質(zhì)，再烘干處理之后進(jìn)入儲料倉。儲料倉內(nèi)的醫(yī)療固廢由螺旋輸送機(jī)輸送至裂解爐，在高溫環(huán)境下裂解氣化產(chǎn)生氣體。氣體冷凝生成焦油，不冷凝氣體則凈化之后作為燃?xì)馔ㄈ雰夤迌Υ?，可作為燃料使用，裂解產(chǎn)生的爐渣收集之后可作為建筑材料，最終實(shí)現(xiàn)醫(yī)療垃圾的減量化、資源化和無害化要求。其工藝流程如圖1所示。

圖1 醫(yī)療垃圾熱解氣化工藝流程圖

2 裂解爐結(jié)構(gòu)

對裂解爐關(guān)鍵結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計，其結(jié)構(gòu)簡圖如圖2所示。

圖2 裂解爐結(jié)構(gòu)示意圖

回轉(zhuǎn)式裂解爐的能耗與其結(jié)構(gòu)尺寸、物料的填充率和停留時間相關(guān)。爐管內(nèi)氣、固體的流動方向可以分為順流式和逆流式兩種，逆流式筒體適用于濕度較大的物料，氣體與固體混合較好，只不過產(chǎn)生的粉塵量較多。如今大多數(shù)裂解爐為順流式，順流模式時，物料的氣化成分在爐管內(nèi)停留時間較長，因此選擇順流式結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計。

物料在爐管內(nèi)的運(yùn)動規(guī)律是：管體回轉(zhuǎn)時，由于管體在回轉(zhuǎn)過程中物料會順著爐管內(nèi)壁被帶到一個較高的高度，然后順著管壁滑落，滑落時由于爐管存在傾角，因此物料會向前移動一段距離。本爐管內(nèi)抄板型式為工業(yè)運(yùn)用廣泛的升舉式抄板，結(jié)構(gòu)如圖3所示。因其制造、安裝比較簡單，爐管內(nèi)抄板的功用是將物料揚(yáng)起使物料蓬松，換熱充分，可減少滯留層的厚度，提高傳熱系數(shù)。爐管的水平傾角是指管體的中心軸線與水平面之間的夾角，傾角大小一般根據(jù)物料完成裂解所需的停留時間確定，本裂解爐傾斜角取3°。

圖3 升舉式抄板示意圖

根據(jù)吳挺[7]的實(shí)驗(yàn)研究，醫(yī)療垃圾在裂解30 min左右時，裂解產(chǎn)氣速率開始急劇下降，產(chǎn)氣總量趨于穩(wěn)定，物料基本完成了裂解整個過程，依據(jù)其研究物料停留時間取30 min。筒體轉(zhuǎn)速為1 r/min，回轉(zhuǎn)筒體在回轉(zhuǎn)時，轉(zhuǎn)速通常為0.4～10 r/min范圍內(nèi)，筒體外徑的圓周速度不能超過1 m/s。

物料在筒體內(nèi)的填充率是爐管截面上物料截面積占整個截面積的比例。物料的填充率φ一般取0.1～0.2，最大不超過0.25，為保證物料充分裂解，填充率取φ=0.1。醫(yī)療垃圾裂解過程主要分為3個階段:脫水階段、有機(jī)物降解階段、緩慢失重階段。每個階段失重率分別為5%、65%、5%。在裂解過程中，物料裂解損失排出爐管外的質(zhì)量約占總質(zhì)量的65%。本裂解爐醫(yī)療垃圾處理量為500 kg/h，物料G入=0.5 t/h，G出=0.175 t/h，得到平均值Gm=0.337 5 t/h，物料容重γ=0.14 t/m3。筒體的直徑為1.0 m，長15.7 m，爐管兩端由拖輪支撐，其中中間加熱段長度為9 m，爐管管壁厚為12 mm，在爐管支撐處和齒圈固定處，管壁厚取18 mm。

傳動裝置需要滿足裂解爐工作的要求，首先需要足夠的傳動功率，其次運(yùn)行與操作簡單，易于維修。其結(jié)構(gòu)布置采用電機(jī)-帶傳動-減速器-鏈傳動-齒輪傳動路線，如圖4所示。

圖4 裂解爐結(jié)構(gòu)示意圖

3 裂解爐傳熱數(shù)值模擬分析

在設(shè)計的裂解爐爐管與爐膛結(jié)構(gòu)與工藝參數(shù)基礎(chǔ)上，對裂解爐爐膛與爐管內(nèi)的物料傳熱情況進(jìn)行模擬分析。

3.1 幾何模型與網(wǎng)格劃分

裂解爐結(jié)構(gòu)主要分為兩部分，爐膛和裂解爐管。爐膛作為傳熱區(qū)域，其結(jié)構(gòu)影響了熱風(fēng)在爐膛內(nèi)流動與傳熱，熱量的利用率與保溫，以及物料裂解的狀態(tài)與穩(wěn)定性。將設(shè)計的裂解爐設(shè)備簡化，取其爐膛與受熱段裂解爐管部分結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究。簡化后的裂解爐三維模型結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 簡化裂解爐三維結(jié)構(gòu)

設(shè)計的裂解爐系統(tǒng)每小時的熱量輸入量為5.77×106kJ，由熱風(fēng)爐燃燒后產(chǎn)生的熱風(fēng)提供。熱風(fēng)入口與熱風(fēng)爐出口對接，其直徑與熱風(fēng)爐出口直徑一致，尾氣出口直徑為324 mm。爐膛長度與加熱段爐管長度一致，爐膛下半部分高1 m，寬1 m，上半部分直徑為1.5 m，裂解爐結(jié)構(gòu)剖切面如圖6所示。

圖6 簡化裂解爐剖切面

裂解爐網(wǎng)格劃分主要包括爐膛流域、爐管、物料3部分網(wǎng)格的劃分。爐膛流域較大且形狀較為規(guī)則，沒有特殊的形狀，因此劃分的網(wǎng)格單元較大，網(wǎng)格數(shù)量為95萬左右，爐管采用較小的網(wǎng)格單元劃分，網(wǎng)格數(shù)量為78萬。為了保證計算的精確程度，對熱風(fēng)入口與出口進(jìn)行網(wǎng)格加密，使其能夠達(dá)到計算要求并且符合實(shí)際。網(wǎng)格劃分如圖7所示，整體網(wǎng)格數(shù)量為221萬，網(wǎng)格平均質(zhì)量為0.85。

圖7 裂解爐模型網(wǎng)格劃分

3.2 數(shù)學(xué)模型和邊界條件

3.2.1 數(shù)學(xué)模型與求解

在本研究中，因?yàn)樯婕盁崃康膫鬟f，首先需要開啟能量方程；氣相湍流模型選擇standardk-ε模型；沒有涉及化學(xué)反應(yīng)，僅在氣體與固體間存在傳熱；在保證準(zhǔn)確性時，為了減少計算量，輻射換熱模型選擇P1輻射模型；對流傳熱采用熱對流?？紤]到本研究中均采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，離散格式選擇QUICK格式；為了提高計算精度并且使計算收斂，分離求解器選擇SIMPLEC算法。

3.2.2 邊界條件

數(shù)值模擬主要分為兩部分，即熱風(fēng)在爐膛內(nèi)的流動狀態(tài)與爐膛內(nèi)的溫度分布狀況，爐膛內(nèi)湍動使?fàn)t膛內(nèi)的溫度分布很復(fù)雜，溫度場的分布情況影響爐管內(nèi)的醫(yī)療物料的裂解情況。由于物料裂解在600 ℃左右，因此爐管內(nèi)物料的溫度分布與裂解爐結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性有重要聯(lián)系。模擬的邊界條件如表1所示。熱風(fēng)入口采用速度入口，由于入口與熱風(fēng)爐出口連接，故入口熱風(fēng)的溫度、速度和熱風(fēng)爐輸出的熱風(fēng)一致，尾氣溫度在300 ℃左右，采用壓力型出口，爐膛內(nèi)布置有耐火磚和耐火棉，存在一定的熱量損失，故將壁面溫度設(shè)置為80 ℃。爐管的傳熱系數(shù)設(shè)為70 W/(m·k)，物料裂解的熱量來源于熱風(fēng)爐提供的熱風(fēng)，計算物料裂解所需熱量，通過熱平衡計算得所需熱量為7.21×106kJ/h。

表1 裂解數(shù)值模擬邊界條件

3.3 計算結(jié)果分析

建立完數(shù)學(xué)模型與邊界條件后，通過Fluent計算得到爐膛內(nèi)的流場與溫度分布，然后將計算結(jié)果作為負(fù)荷代入到爐管、物料受熱模擬分析中，得到爐管、物料受熱情況。

3.3.1 爐膛內(nèi)速度場分析

圖8～圖11分別為裂解爐位于x=0.85 m，y=6.75 m截面的主相速度云圖與速度矢量圖。根據(jù)圖10可知，由于流體進(jìn)入爐膛后截面積突然增大，熱風(fēng)產(chǎn)生了噴騰效應(yīng)，伴隨著噴騰的熱風(fēng)在爐膛內(nèi)湍動，高溫流體在爐膛內(nèi)完成了換熱過程，尾氣流出時，平均流速與入口相近。根據(jù)圖8可知，熱風(fēng)流速較為均勻，熱風(fēng)入口流速最高，在進(jìn)入爐膛內(nèi)湍動之后各個區(qū)域速度基本一致。

圖8 爐膛x=0.85 m截面速度(m/s)云圖

圖9 爐膛x=0.85 m截面速度(m/s)矢量圖

圖10 爐膛y=6.75 m截面速度(m/s)云圖

圖11 爐膛y=6.75 m截面速度(m/s)矢量圖

3.3.2 爐膛內(nèi)溫度場分析

圖12和圖13分別為裂解爐在x=0.85 m，y=6.75 m截面的溫度云圖。從圖12和圖13可知，爐膛內(nèi)熱風(fēng)噴騰入口段溫度最高，接近熱風(fēng)爐提供的熱風(fēng)溫度，在爐膛底部與壁面碰撞之后流體擴(kuò)散變得十分混亂，高溫區(qū)域集中在爐膛下半部分，其溫度隨著爐膛高度的變化也逐漸降低，但混合程度變得更好。

圖12 爐膛x=0.85m截面的溫度(℃)云圖

圖13 爐膛y=6.75 m截面溫度(℃)云圖

3.3.3 爐管與物料溫度分析

將流體的溫度場作為固體熱分析[8]的邊界條件代入到物料熱分析中。爐管表面溫度云圖如圖14所示，物料溫度云圖如圖15所示。物料整體達(dá)到了裂解所需溫度，溫度范圍在650～810 ℃之間。從圖15中可知，中間溫度相較于兩邊溫度較低，溫度分布存在一定的梯度，整體溫度滿足物料裂解條件。

圖14 爐管表面溫度(℃)

圖15 物料中間切面溫度(℃)云圖

4 結(jié)論

(1)設(shè)計了外加熱回轉(zhuǎn)式裂解爐結(jié)構(gòu)，以物料停留時間30 min為初始參數(shù)進(jìn)行爐管的設(shè)計，最終確定爐管傾角、爐管長徑比、拉板型式、物料填充率等結(jié)構(gòu)參數(shù)。

(2)爐膛內(nèi)的溫度場分布合理，同時傳熱情況滿足了物料的裂解要求，因此所設(shè)計的裂解爐結(jié)構(gòu)可滿足物料裂解要求，結(jié)構(gòu)設(shè)計合理。