熱等離子體醫療廢物處理系統的節能分析

(山東科技大學機械電子工程學院，山東青島 266590)

1 節能分析

1.1 節能原理

醫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)汽化并進一步加熱到1 600 ℃以上的高溫時，電耗極高[2]。但如果當將水分被提前采用其他方法預熱蒸發成為蒸汽，則因為避開了能耗很高的主燃燒室內水分的汽化潛熱(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熱垃圾的方法則因為大幅度降低了垃圾中水分的汽化需熱，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系統的電能的消耗。傳統的等離子體醫療廢物處理系統，垃圾不經過預熱處理進入氣化爐后被干燥，少部分熱量來自氧化層的燃燒熱，大部分來自等離子體炬將電能轉化成的熱能，消耗大量電能。同時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化成熱能。

1.2 回轉式垃圾預熱器傳熱機理

轉動的預熱器內發生著復雜的熱量交換過程，垃圾物料與高溫空氣、煙氣間既有直接熱交換過程，也有蓄熱式傳熱過程[4]：隨著垃圾預熱器的旋轉，預熱器表面周期性地與高溫空氣、煙氣及垃圾物料接觸，內壁表面從高溫空氣與煙氣的混合氣體中吸收熱量，經過旋轉后，又傳遞給垃圾物料。同時，高溫空氣與醫療垃圾之間直接進行熱量交換[5]。

1.3 一維軸向傳熱模型

根據上文中描述的熱量傳遞過程，沿垃圾預熱器軸長方向建立一維穩態模型[6]。

則關于空氣能量守恒式為：

(1)

關于垃圾物料的能量守恒式為：

(2)

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

角標：mw為醫療垃圾物料；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為內壁面；sh為外壁面；e為外界環境。下標中的符號“→”表示兩者間的傳熱路徑；z為預熱器軸長方向。

1.4 各項換熱系數的計算

1.4.1 對流及導熱換熱系數

(3)

(4)

式中，λmw為物料導熱系數，W/(m·K)；D為預熱器內徑，(m)；R為預熱器內半徑，(m)；θ為醫療垃圾半填充角，(rad)；ω為垃圾預熱器轉速，(s-1)；αmw為醫療垃圾熱擴散率(m2/s)。

1.4.2 輻射換熱系數

預熱器內的輻射換熱主要包括高溫空氣與醫療垃圾表層間的輻射換熱[7]、高溫空氣與裸露的預熱器壁面間的輻射換熱、裸露壁面與醫療垃圾表層間的換熱、外壁面與環境的輻射換熱。發射系數分別為：

(5)

(6)

(7)

式中,υ為醫療垃圾表面與裸露內壁面面積之比。

U=(1-εa)(1-εw)(υ(1-εa)(1-εws)+

(1-υ))

(8)

(9)

2 模型計算結果與分析

試驗設備為內徑0.8 m，外徑1.2 m，長6 m的回轉式預熱器，高溫空氣與煙氣的混合氣體在預熱器內部與醫療垃圾逆流流動。試驗中，向預熱器中通入不同溫度的高溫空氣，記錄平均內壁溫度、垃圾物料的溫度并將由溫度查得的物性參數帶入模型中，則計算出各部分熱量所占總熱量的百分。

當運行穩定時，回轉式預熱器的壁溫及醫療垃圾的溫度基本保持不變。由于高溫空氣與醫療垃圾之間的換熱為系統主要換熱方式，高溫空氣與醫療垃圾之間的對流、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，當高溫空氣和醫療垃圾溫度升高時，高溫空氣和醫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，醫療垃圾在預熱階段獲得的熱量也大幅度增加。當高溫空氣溫度在850 ℃～1 050 ℃時，醫療垃圾獲得的總熱量相當于減少了17%～28.8%的等離子體炬電耗。

3 結束語

醫療垃圾不僅危害大，而且含水量高，等離子體系統處理會消耗大量電能，文中通過實驗，結合傳熱模型，計算得到利用煙氣余熱預熱醫療垃圾會減少17%～28.8%的等離子體炬電耗。