立式旋轉(zhuǎn)熱解氣化爐醫(yī)療廢物焚燒工藝配套設(shè)計(jì)實(shí)踐

文_胡偉儒 李瀧 陳慶傳

1 瀚藍(lán)工業(yè)服務(wù)有限公司 2 廊坊市嘉德恒信醫(yī)療廢物集中處置有限公司

1 工程背景概述

本文重點(diǎn)對(duì)河北某15t/d的立式旋轉(zhuǎn)熱解氣化爐醫(yī)療廢物焚燒項(xiàng)目的焚燒段（一燃室、二燃室、余熱鍋爐）工藝進(jìn)行設(shè)備配套選型計(jì)算，為指導(dǎo)設(shè)備選型提供了數(shù)據(jù)支持。

2 工藝流程與設(shè)計(jì)參數(shù)

2.1 項(xiàng)目工藝流程

熱解爐燃燒機(jī)理為靜態(tài)缺氧、分級(jí)燃燒，經(jīng)歷熱解、氣化、燃盡三個(gè)階段。熱解爐是一種間歇式焚燒爐，即通過(guò)控制爐內(nèi)空氣量，使過(guò)?？諝庀禂?shù)小于1，以便廢物在缺氧的條件下被干燥、加熱和分解。熱解爐中釋放的可燃?xì)怏w隨后進(jìn)入二燃室，在氧氣充足的條件下完全氧化燃燒、高溫分解。

本項(xiàng)目熱解氣化處理系統(tǒng)主要包括進(jìn)料系統(tǒng)、立式熱解氣化爐、二次燃燒室系統(tǒng)、余熱鍋爐及余熱利用系統(tǒng)、煙氣凈化系統(tǒng)、自動(dòng)控制系統(tǒng)等。具體工藝流程如圖1所示。

圖 1 項(xiàng)目工藝流程圖

后段煙氣凈化系統(tǒng)采用“急冷塔+脫酸塔+消石灰噴入裝置+活性炭噴入裝置+布袋除塵器+堿洗塔+煙氣加熱” 工藝對(duì)焚燒煙氣進(jìn)行處理達(dá)標(biāo)后，經(jīng)35m高集束式排氣筒排放。

2.2 項(xiàng)目熱工理論計(jì)算

2.2.1 醫(yī)療廢物組份分析

根據(jù)《國(guó)家危險(xiǎn)廢物名錄（2021）》醫(yī)療廢物是編號(hào)HW01，其組分十分復(fù)雜，其中醫(yī)療機(jī)構(gòu)使用的塑料多數(shù)有高密度聚乙烯（HDPE）、低密度聚乙烯（LDPE）等。

本項(xiàng)目屬于環(huán)京地區(qū)，經(jīng)濟(jì)發(fā)展及城市治理?xiàng)l件較好，根據(jù)調(diào)查提出的醫(yī)療廢物各元素組成情況如表1。

表1 各元素的組成情況

可燃垃圾的燃燒特性包含元素分析、工業(yè)分析及熱值分析，通過(guò)這些數(shù)據(jù)的計(jì)算，為本項(xiàng)目焚燒系統(tǒng)設(shè)計(jì)輸入數(shù)據(jù)。

2.2.2 熱值特性及燃燒產(chǎn)物理論體積

項(xiàng)目設(shè)計(jì)的低位發(fā)熱值如下式：

設(shè)計(jì)的理論空氣量的計(jì)算式為：

煙氣設(shè)計(jì)主要參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 煙氣設(shè)計(jì)主要參數(shù)

根據(jù)本項(xiàng)目的設(shè)計(jì)處理量為15t/d，焚燒設(shè)施需要連續(xù)24h運(yùn)轉(zhuǎn)以確保煙氣連續(xù)且穩(wěn)定，為此本項(xiàng)目焚燒設(shè)備的每小時(shí)處理量為625kg/hr，按110%的最大處理量為687.5kg/hr。小時(shí)計(jì)算最大煙氣量（濕煙氣）為：

標(biāo)態(tài)濕煙氣Qpy：Va.wg×687.5kg/hr=5895.6Nm3/hr

標(biāo)態(tài)干煙氣Qpg：Vdg×687.5kg/hr=4960.71Nm3/hr

2.3 工藝主要設(shè)備設(shè)計(jì)參數(shù)

本項(xiàng)目采用立式旋轉(zhuǎn)熱解氣化爐為近年較多采用的醫(yī)療廢物處置爐型。該設(shè)備具有運(yùn)行費(fèi)用低、耐火材料維護(hù)周期長(zhǎng)、焚燒效率高、密封性好等特點(diǎn)，尤其對(duì)抑制二噁英的產(chǎn)生效果顯著，尤其適合醫(yī)療廢物、生活垃圾及固態(tài)的危險(xiǎn)廢物。

本熱解氣化爐的技術(shù)核心就是抑制二噁英的產(chǎn)生，在正常工況下，一燃室采用控氧燃燒，一燃室溫度控制在1000℃以下；過(guò)氧燃燒通過(guò)在二燃室實(shí)現(xiàn)，一般溫度控制在1000℃左右，并使煙氣停留時(shí)間大于2s，能使多氯聯(lián)苯類物質(zhì)、殘?zhí)嫉韧耆紵纸?，二噁英殘留量極少。

2.3.1 一燃室設(shè)計(jì)參數(shù)

本項(xiàng)目采用的立式旋轉(zhuǎn)熱解氣化爐大致結(jié)構(gòu)如圖2所示。爐體水套以上為耐火保溫材料，爐蓋進(jìn)料口是固定的（配有水封），爐體垂直旋轉(zhuǎn)，進(jìn)料通過(guò)進(jìn)料口均勻投擲到爐排上，布料均勻。爐排采用偏心結(jié)構(gòu)，爐排轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)通過(guò)偏心擠壓，利于冷渣的破碎及出渣。出渣時(shí)，爐排旋轉(zhuǎn)擠壓爐渣排出，爐渣高度基本不超過(guò)爐體水套高度。這種設(shè)計(jì)使整個(gè)運(yùn)行過(guò)程中爐料不會(huì)對(duì)耐火材料造成磨損，可大大提高耐火材料的使用年限。該爐體的設(shè)計(jì)規(guī)格為：Φ2.2m（內(nèi)徑）； Φ3.25m（外徑）；8.2m（高）；4.2m（爐排頂?shù)綗煹揽诟叨龋?5.96m （爐膛內(nèi)體積）；3.8m2（爐排面積）。此時(shí)：

一燃室在900℃時(shí)的煙氣量為：

一燃室的小時(shí)熱量為（設(shè)計(jì)氣化率取20%）：

Qnet.ar×687.5kg/hr/1000×（1-20%）=2716.76kW；

爐膛容積熱負(fù)荷為：煙氣量/爐膛內(nèi)體積

=2716.75/15.96=170.25kW/m3；

一燃室的煙速為：煙氣量/爐排面積/3600

=21379.05/3.8/3600=1.56m/s。

結(jié)合項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)及設(shè)計(jì)規(guī)范，假設(shè)爐膛的最大容積熱負(fù)荷為220kW/m3，按照現(xiàn)在一燃室的熱量驗(yàn)算爐膛內(nèi)體積、內(nèi)徑：

反算爐膛內(nèi)體積=一燃室小時(shí)熱量/最大容積熱負(fù)荷=2716.76/220=13.58m3，現(xiàn)有爐膛內(nèi)體積大于反算體積，滿足要求。

反算爐膛內(nèi)徑=2.03m，現(xiàn)有爐排內(nèi)徑為2.2m大于反算內(nèi)徑，設(shè)計(jì)滿足要求。

2.3.2 二燃室設(shè)計(jì)參數(shù)

高溫混合氣體從熱解氣化爐（一燃室）頂排出的從二燃室頂進(jìn)入，高溫混合煙氣沿切向進(jìn)入二燃室，并通過(guò)二次補(bǔ)風(fēng)，在高溫過(guò)氧狀態(tài)下將有機(jī)氣體燃燼，同時(shí)在二燃室筒形結(jié)構(gòu)形成的渦流作用下使部分灰份得以沉降。

主體為一筒形立式結(jié)構(gòu)，設(shè)有煙氣進(jìn)口、二次風(fēng)入口、燃燒器噴火口、煙氣出口、沉積飛灰清理門等。而當(dāng)入爐廢物熱值過(guò)低時(shí)，通過(guò)自動(dòng)控制的燃燒器的間歇工作，確保燃燒溫度＞1000℃，煙氣停留時(shí)間大于2s。

二燃室的設(shè)計(jì)規(guī)格為：Φ2.4m（內(nèi)徑）； Φ3.8m（外徑）；12m（高）；8.53m（煙道頂?shù)藉仩t煙道高度）；38.57m3（爐膛內(nèi)體積）；4.52m3爐膛底部面積）。此時(shí)：

二燃室在1100℃時(shí)的煙氣量Vg為：Mp×Qp×(273+TGT)/273=1×4960.71×(273+1100)/273=25024.24m3/hr；

二 燃 室 的 總 熱 量 為：Qnet.ar×687.5kg/hr/1000= 3395.96kW；

爐膛容積熱負(fù)荷為：煙氣量/爐膛內(nèi)體積=3395.96/48.79=69.61kW/m3；

二燃室的煙速為：煙氣量/爐排面積/3600=25024.24/4.52/3600=1.54m/s；

二燃室的煙氣通過(guò)時(shí)間：高度/煙速=8.53/1.54=5.55s（1000℃停留時(shí)間大于2s）。

結(jié)合項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)及設(shè)計(jì)規(guī)范，假設(shè)爐膛的最大容積熱負(fù)荷為100kW/m3，按照現(xiàn)在二燃室的熱量驗(yàn)算爐膛內(nèi)體積、內(nèi)徑：

反算爐膛內(nèi)體積=二燃室總熱量/最大容積熱負(fù)荷=3395.96/100=33.95m3，現(xiàn)有爐膛內(nèi)體積大于反算體積，滿足要求。

反算爐膛內(nèi)徑=1.91m，現(xiàn)有爐排內(nèi)徑為2.4m大于反算內(nèi)徑，設(shè)計(jì)滿足要求。

2.4 余熱鍋爐設(shè)計(jì)參數(shù)

醫(yī)療廢物經(jīng)熱解氣化爐處理后，產(chǎn)生的高溫?zé)煔庵刑N(yùn)含可觀的熱能，可利用余熱鍋爐進(jìn)行熱能回收。本項(xiàng)目余熱鍋爐設(shè)計(jì)參數(shù)為：煙氣鍋爐入口溫度約1100℃、煙氣鍋爐出口溫度約500℃、額定蒸發(fā)量3t/h、壓力最大1.0MPa、溫度183℃，最大煙氣量為8000Nm3/h，其產(chǎn)生的蒸汽可用醫(yī)療廢物用于對(duì)外供熱使用。

高溫尾氣進(jìn)入余熱鍋爐系統(tǒng)，利用焚燒后產(chǎn)生的高溫?zé)煔饨禍厮尫懦龅臒崃坑脕?lái)加熱水使之蒸發(fā)，節(jié)約能耗創(chuàng)造一定的經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)降低尾氣溫度。余熱鍋爐產(chǎn)生的蒸汽可用進(jìn)行利用。

根據(jù)煙氣數(shù)據(jù)對(duì)余熱鍋爐最大蒸發(fā)量進(jìn)行復(fù)核經(jīng)過(guò)計(jì)算負(fù)荷余熱鍋爐的相關(guān)選型參數(shù)如表3所示。

表3 余熱鍋爐設(shè)計(jì)參數(shù)表

經(jīng)核算確定，本項(xiàng)目余熱鍋爐設(shè)計(jì)最大額定蒸發(fā)量為3t/h。

2.5 尾氣處理設(shè)備

尾氣處理為傳統(tǒng)的急冷、脫酸塔+干法脫酸+布袋除塵器+堿洗塔+煙氣再熱器組成，確保煙氣達(dá)標(biāo)排放。

3 運(yùn)行效果

3.1 項(xiàng)目運(yùn)行處理情況

項(xiàng)目于2022年3月初投入運(yùn)行，由于受新冠肺炎疫情影響，投運(yùn)期以來(lái)醫(yī)療廢物熱值較高，多數(shù)為防護(hù)服、核酸檢測(cè)試劑、隔離點(diǎn)生活廢物等，每日處理醫(yī)療廢物約7t。處理能力僅達(dá)到原設(shè)計(jì)處理能力15t/d的50%左右。

3.2 項(xiàng)目運(yùn)行效果

盡管處理量?jī)H達(dá)到設(shè)計(jì)處理量的一半，但得益于立式旋轉(zhuǎn)熱解氣化爐（一燃室）的布料均勻，密封性好，同時(shí)爐壓較低，空氣擾動(dòng)少，系統(tǒng)運(yùn)行的煙氣煙塵含量低。同時(shí)由于垃圾進(jìn)入一燃室內(nèi)是向下垂直移動(dòng)與一次風(fēng)方向相反，廢物使排渣的熱損失量小，整個(gè)對(duì)垃圾自身熱能的利用率，大大降低了二燃室的輔助燃料量，減輕了處理成本。

項(xiàng)目的煙氣污染物主要限值及檢測(cè)實(shí)測(cè)值如表4。

表4 煙氣主要污染物限值及實(shí)測(cè)值

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)立式旋轉(zhuǎn)熱解氣化爐主要設(shè)備工藝設(shè)計(jì)時(shí)的設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算并校核，為同類項(xiàng)目設(shè)備選型提供了計(jì)算思路及數(shù)據(jù)支持。

立式旋轉(zhuǎn)熱解氣化爐作為本系統(tǒng)中關(guān)鍵工藝設(shè)備，其在長(zhǎng)周期穩(wěn)定運(yùn)營(yíng)，可靠穩(wěn)定的溫度控制，較低的運(yùn)行成本比較突出，可見(jiàn)將在疫情時(shí)代發(fā)揮更大的作用，為抗疫工作中的醫(yī)療廢物處置工作保駕護(hù)航。

隨著該焚燒工藝技術(shù)在新項(xiàng)目、新固廢領(lǐng)域的落地，該設(shè)備新、老問(wèn)題將有更多可選的解決方案。對(duì)于上述提出的解決方案將有更多項(xiàng)目機(jī)會(huì)進(jìn)行推敲、討論及驗(yàn)證，期待不斷完善醫(yī)療廢物處理體系。