危險廢物理化性質分析及兩種焚燒方式的溫度場仿真對比

華 昀 ,高術杰

(1.恩菲城市固廢(孝感)有限公司,湖北孝感 432100;2.中國恩菲工程技術有限公司,北京 100038)

0 引言

目前,我國危險廢物污染防治工作仍然面臨歷史存量高、新增產量大、區域處置能力不均衡等挑戰,危險廢物污染風險控制一直是我國環保工作的重點和難點。數據顯示,2017 年全國危險廢物產生量為6 936.9 萬t,較2016 年增長29.73%預計在2023 年將達到8 978 萬t[1]。

焚燒處置工業危險廢物具有工藝簡單、占地面積小以及處置效率高等優點。然而危險廢物種類多、性質復雜,焚燒過程二次污染嚴重,為確保焚燒爐穩定、正常運轉,危險廢物入爐前,需依據物料的元素成分、熱值、相容性等參數進行配伍,以便于焚燒系統能穩定運行。本文分析五種典型的危險廢物理化性質,綜述危險廢物焚燒過程的模擬仿真研究進展,同時采用商用軟件模擬仿真逆流回轉窯過程的溫度場分布情況,為工程化應用提供理論支持。

1 工程概況

孝感市固廢處置中心項目于2019 年9 月底動工建設,一期總投資約2.2 億元,是國家固廢重大專項示范工程,孝感市生態環境補短板工程,也是中國恩菲智能化工廠示范工程。項目占地面積約118畝,設計規模為處置危險廢物3 萬t/a,采用中國恩菲擁有自主知識產權、國際先進的“逆流回轉式焚燒爐+高溫電熔融”危廢處置工藝,最大程度達到危廢處置的“減量化、無害化、資源化”目標。孝感市固廢處置中心項目作為危險廢物及醫療廢物協同處置工程,其運營將為孝感市及周邊地區應對公共衛生突發事件提供堅強有力的保障。

本文重點分析孝感固廢處置中心的五種典型的危險廢物,包括HW01 醫療廢物、HW06 廢有機溶劑與含有機溶劑廢物、HW08 廢礦物油與含礦物油廢物、HW11 精餾殘渣、HW12 染料、涂料廢物等多種危險廢物,按照一定比例配伍后,模擬仿真該混合物的逆流焚燒溫度場分布情況。

2 危險廢物性質

2.1 醫療廢物

醫療廢物指的是醫療衛生機構在預防、醫療、保健及其它相關活動中產生的感染性廢棄物。醫療廢物由于含有較多的病原微生物和人體廢棄物,極易傳播滋生疾病,不當處理會直接或間接影響醫務人員、病人和醫院所在地的環境安全。在我國,根據國家衛生部、國家環保總局聯合印發的“衛醫發

[2003]287 號”《醫療廢物分類目錄》文件,醫療廢物被分為感染性廢物、病理性廢物、損傷性廢物、藥物性廢物、化學性廢物五大類。

根據孝感固廢處置中心的物料收運規劃,暫未接收醫療垃圾,本論文的醫療垃圾的理化性質和工業元素分析將引用其他參考文獻。張力等人[2]對35 例主要病種病例所產生的醫療廢棄物成分組成及理化特性進行了分析研究。該論文將醫療廢物分為:合成纖維類(15.3%)、生物質類(26.3%)、塑料類(43.2%)、橡膠類、無機鹽類和金屬類(15%),總計六大類。對其中四種組分的元素分析和工業分析如表1 所示。

四種樣品熱值均很高,平均約為35 000 kJ/kg,考慮到還包括無機鹽和金屬類等不含熱值的組分,采用線性平均求值方法可得,醫療廢物的平均熱值約為30 000 kJ/kg。

2.2 廢有機溶劑與含廢有機溶劑廢物

廢有機溶劑是在生產、調配及使用過程中產生的廢液,應用范圍廣、使用量大。由于沒有改變物理性質,仍然保留著有機溶劑的揮發性、易燃性、脂溶性和毒性[3]:(1)重金屬,例如Ni、Cu、Pb 等;(2)芳香烴類有機溶劑,以苯、甲苯、二甲苯為代表,具有血液毒性,可導致白血病;(3)鹵代烴類,四氯化碳、氯乙烯、四氟乙烯等,具有肝腎毒性,可導致脂肪肝和肝細胞壞死、腎功能減退;(4)脂肪烴類,以正乙烷最具代表性,屬于低毒類神經毒物,可引起中樞神經損傷;(5)醇類溶劑,以甲醇最常見,具有較強毒性,對神經系統影響最大,還能損害人的視力。

表2 廢有機溶劑(HW06)的理化性質表

根據實驗室數據分析,廢有機溶劑的鹵族元素含量差別較大,通常需要控制其直接進入回轉窯內。一般廢有機溶劑是可燃燒的,可直接作為燃料燃燒,通常采用噴射槍送入回轉窯內進行燃燒處置。

2.3 廢礦物油與含礦物油廢物

對礦物油常用基礎油和添加劑的組成成分分析[4],確定了礦物油類廢物中可能存在的污染物成分,并將其分成3 類,分別是芳香烴類(苯、乙苯、甲苯、二甲苯、三甲苯、乙烯基甲苯、苯乙烯)、多環芳烴類(萘、苊烯、苊、芴、菲、蒽、熒蒽、芘等)和重金屬類污染物。

礦物油主要是含碳原子數比較少的烴類物質,多數是不飽和烴,主要成分有C15 -C36 的烷烴、多環芳烴(PAHs)、烯烴、苯系物、酚類等。廢礦物油回收利用占比75.5%[5],不適合回收的廢礦物油基本采用焚燒處置。由上表可以看出,廢礦物油熱值較高,鹵素元素含量低,是非常好的焚燒物質。

2.4 精餾殘渣

精餾或蒸餾殘渣一般可以理解為通過精餾或蒸餾分離操作獲得有用產品或中間產品的同時,塔釜會殘余一定量的高沸點組分,這些組分大多顏色較深,且具有明顯的刺激性氣味。精餾殘渣作為粘稠焦狀物或固態物,大多含有芳烴、酚、醛、酸、醇等易揮發組分。

表3 廢礦物油(HW08)的理化性質表

表4 所收集的精餾殘渣主要來自有機化工行業,有固態、液態,也有固液混合狀態,熱值大致分布在1 000～6 000 kcal/kg,含有的鹵族元素含量因來源不同相差較大。

表4 精餾殘渣(HW11)的理化性質表

2.5 染料、涂料廢物

染料、涂料廣泛應用于汽車、家電、五金、建材等表面涂裝,其廢物產生數量和總量在所有危險廢物中均占有較大比例,根據人們的習慣稱呼,主要的廢物包括漆渣、廢水處理污泥、廢油墨油漆、廢溶劑等[6],其中漆渣占較大比例,本文主要對漆渣的理化性質進行分析。

由表5 可知,不同工藝產生的漆渣,其中的水分和灰分相差很大,水分最高含量可達約75%,熱值大致約為2 000～6 000 kcal/kg;油漆渣的鹵族元素含量不高,在焚燒的過程中產生的鹽類濃度不高。

表5 染料、涂料廢物(HW12)的理化性質表

3 危險廢物焚燒過程的模擬仿真

按照煙氣與物料在回轉窯內流動方向的不同,回轉窯可分為順流式回轉窯和逆流式回轉窯兩種。順流回轉窯操作維護方便,有利于廢物的進料及前置處理,煙氣停留時間較長;而逆流回轉窯可提供較好的氣、固混合及接觸,傳熱效率高,可增加其燃燒速度[7]。

借助流體力學計算軟件,可以對兩種回轉窯在燃燒過程的溫度分布進行數值模擬,為回轉窯的優化設計提供重要依據。

3.1 順流回轉窯的模擬仿真

危險廢物在順流回轉窯的窯內預熱、燃燒以及燃燼等各個階段,具有較為顯著的特征。物料借助窯的轉動來促進物料在窯內攪拌混合,使物料在燃燒的過程中與助燃空氣充分接觸,回轉窯內的物料不斷翻轉并緩慢向窯尾運動過程中,完成烘干、揮發、分解、氧化燃燒、燃燼和排渣的過程。

廢料的燃燒過程主要包括廢物預熱、揮發分析出、揮發分燃燒和焦炭燃燒幾個部分。廢物燃燒過程的數值計算主要是聯合氣固兩相流流場、揮發分氣體反應模型以及碳的異相反應模型進行耦合求解[8]。

馬攀[8]、李春雨[9]等人利用專業軟件模擬了順流焚燒爐的溫度場分布,發現:回轉窯窯頭的溫度較低,沿軸線方向逐漸升高。該溫度場的分布主要是廢物進入回轉窯后依次經歷水分蒸發、熱解、揮發分析出和燃燒的過程,剛進入窯內的危險廢物溫度較低,而且水分蒸發和有機物熱解都是吸熱過程,使得窯頭位置溫度相對較低,隨著揮發分的析出和著火燃燒,使得窯體上部分溫度逐漸升高,在高溫煙氣和爐腔的對流輻射換熱作用下,溫度逐漸升高。窯內最高溫度出現在窯的中部位置,大約為1 170 ℃。另外,漏風及投入窯頭燃燒器均對溫度場產生影響。

3.2 逆流回轉窯的模擬仿真

固體物料在沿回轉窯內軸向運動的過程中發生了加熱、干燥、物理混合和化學反應等現象,逆流灰渣式回轉窯的特點是,回轉窯與二燃室并排布置,待焚燒的危險廢物入爐后即與高溫煙氣接觸,危廢顆粒從回轉窯入口向出口運動的過程中,物料在窯內翻動,自由空間里的氣體則與顆粒逆向運動。

干燥段明顯縮短,再配以控氧技術,使高分子物質裂解成小分子物質,減少生成二噁英前驅物質。產生的可燃氣體進入二燃室充分燃燒,既能夠利用熱值,又降低污染物的產生。

危險廢物的燃燒過程是一個包括水分析出、揮發份析出、固定碳燃燒的復雜物理化學過程,本章節利用商業軟件,對危險廢物在確定尺寸的“回轉窯+二燃室”焚燒系統內的燃燒過程進行模擬,通過調整送風和改變輔助燃燒手段,對不同工況下焚燒系統內的煙氣流速、溫度分布和氣態產物組分分布特性進行研究,實現對回轉窯焚燒爐的運行優化和指導作用。

根據表1～5 的試驗數據,可假設危險廢物工業成分如表6 所示,揮發分成分如表7 所示,設計的化學反應包括:

表6 危險廢物工業成分(wt%)

表7 揮發份成分(wt%)

危險廢物在進入回轉窯后,發生了復雜的燃燒和物料運輸、反應過程,使得回轉窯內部的溫度變化較大。窯頭罩的溫度最高,溫度范圍大約1 100～1 200 ℃,局部瞬時溫度甚至更高,入料的危險廢物顆粒經過了固相到半固態(或液相)的變化,隨著化學反應的進行,有機物數量的降低,物料表面的溫度也逐漸降低。在窯體的中間部分,模擬結果顯示溫度大概在900 ℃左右;當物料翻滾輸送至窯尾處時,爐渣的溫度繼續降低,由于回轉窯的熱灼減率普遍低于5%,此處的物料成分主要是無機物,溫度大概在400～500 ℃左右,而有窯尾罩排出的爐渣溫度低于300 ℃。

圖1 逆流回轉窯溫度場模擬仿真

4 結論

(1)對五種典型危險廢物的理化性質分析可知,醫療垃圾的熱值最高,其次分別是廢礦物油、廢有機溶劑、染料涂料廢物和精餾殘渣;結合熱值大小和污染物含量可知,廢礦物油是在幾種危險廢物中對焚燒性能最為有利。

(2)根據理化性質、工業成分和揮發分成分分析,設計危險廢物焚燒的化學反應過程,分別對兩種危險廢物焚燒工藝的模擬仿真結果對比,發現順流回轉窯的最高溫度在中部,大約1 170～1 230 ℃,而逆流回轉窯的最高溫度在窯頭,最高溫度約為1 200℃。