高原地區(qū)回轉(zhuǎn)窯焚燒設(shè)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(xiǎn)廢物是具有腐蝕性、易燃易爆性、化學(xué)反應(yīng)性、毒性、感染性等種類(lèi)中的一種或幾種危險(xiǎn)特性的固體廢物，同時(shí)危險(xiǎn)廢物具有種類(lèi)多、危害大、性質(zhì)復(fù)雜、處理困難等特點(diǎn)，所以必須經(jīng)過(guò)專業(yè)處理后才能進(jìn)入環(huán)境[1]。焚燒法是一種比較可靠、經(jīng)濟(jì)和安全有效的手段，而回轉(zhuǎn)窯焚燒工藝是危險(xiǎn)廢物處理中最有效的處置工藝，具有廢物處理種類(lèi)多、處理量大等優(yōu)點(diǎn)[2]。我國(guó)自20世紀(jì)90年代開(kāi)始，逐步開(kāi)始使用回轉(zhuǎn)窯焚燒系統(tǒng)處理危險(xiǎn)廢物，目前，全國(guó)90%以上的危險(xiǎn)廢物處置中心都采用了回轉(zhuǎn)窯焚燒處理系統(tǒng)。

隨著我國(guó)對(duì)危險(xiǎn)廢物處理的重視程度越來(lái)越高，以及我國(guó)西部地區(qū)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，西部地區(qū)的危險(xiǎn)廢物產(chǎn)生量逐年增多，西部地區(qū)需要的危險(xiǎn)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(shè)備、如果設(shè)計(jì)不當(dāng)，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(guò)快、煙氣在爐內(nèi)停留時(shí)間過(guò)短、風(fēng)機(jī)不匹配等多種問(wèn)題。因此在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，需要根據(jù)大氣壓的變化對(duì)焚燒系統(tǒng)的計(jì)算參數(shù)進(jìn)行修正。

本文簡(jiǎn)介了大氣壓力變化引起的大氣參數(shù)變化的特點(diǎn)，以及對(duì)焚燒系統(tǒng)各計(jì)算參數(shù)的影響，提出了焚燒設(shè)備的大氣壓修正方法，并結(jié)合海拔高度為4 507 m的某醫(yī)療廢物焚燒處置項(xiàng)目，進(jìn)行了一些工程設(shè)計(jì)定量計(jì)算。

1 高原地區(qū)大氣參數(shù)變化的特點(diǎn)

1.1 對(duì)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(guān)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(biāo)準(zhǔn)大氣壓力，kPa;H為海拔高度，km。

對(duì)于某項(xiàng)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(duì)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(duì)溫度,K。

由式(2)可推導(dǎo)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(biāo)準(zhǔn)大氣壓力,Pa;ρ0為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓力下空氣的密度,kg/m3；ρ為0 ℃時(shí)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(duì)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?dú)?8.08%, 氧氣20.96%, 其他還有少量的氟氣、二氧化碳?xì)怏w，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(duì)于某項(xiàng)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(duì)大氣比熱的影響

以質(zhì)量單位來(lái)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(lái)表示時(shí)將有較大的變化, 應(yīng)注意修正。

1.5 高原大氣壓變化對(duì)爐內(nèi)容積送風(fēng)量的影響

在燃燒計(jì)算中，當(dāng)物料量恒定的情況下，物料完全燃燒所需的空氣的質(zhì)量是不變的,即標(biāo)況下空氣消耗量是一定的。但是工況下，等質(zhì)量的空氣耗量的實(shí)際體積會(huì)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(dǎo)致空氣和煙氣的密度下降,實(shí)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(zhì)量的空氣或引出同樣質(zhì)量的煙氣,其空氣或煙氣的體積應(yīng)與當(dāng)?shù)氐拇髿鈮毫Τ煞幢取?/p>

若標(biāo)準(zhǔn)條件下的壓力為P0,比容為υ0,在P1壓力時(shí),υ1與υ0關(guān)系為

P0Δυ0=P1·υ1

(5)

故

(6)

設(shè)定

(7)

若命C1為大氣壓力修正系數(shù),則

υ1=C1Δυ0

(8)

在國(guó)內(nèi)通用的熱力計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)中,熱力計(jì)算所用空氣量是采用容積空氣量,若總風(fēng)量為Qg,則

Qg=Bp(V0+ΔαV0) =Gg·υ0

(9)

當(dāng)氣壓由P0降低時(shí),則式(9)應(yīng)為

Qg1=Ggυ1=GgC1υ0=

C1Bp(V0+ΔαV0)=C1·Qg

(10)

式中:Qg為 標(biāo)準(zhǔn)壓力下空氣總?cè)莘e量,m3/h;Gg為 標(biāo)準(zhǔn)壓力下所需空氣質(zhì)量,kg/h;Qg1為P1壓力下的空氣總?cè)莘e量, m3/h；Bp、V0、Δ物理意義與熱力計(jì)算相同。

由式(10)可知，實(shí)際空氣量和煙氣量的體積與標(biāo)準(zhǔn)大氣壓和實(shí)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(zhuǎn)窯焚燒系統(tǒng)設(shè)計(jì)及修正

2.1 回轉(zhuǎn)窯焚燒系統(tǒng)構(gòu)成

回轉(zhuǎn)窯焚燒系統(tǒng)整條生產(chǎn)線包含預(yù)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(gè)部分[5]。焚燒系統(tǒng)主要包含回轉(zhuǎn)窯、二燃室以及其他輔助系統(tǒng)。本文主要介紹回轉(zhuǎn)窯和二燃室的設(shè)計(jì)計(jì)算以及大氣壓修正。

2.2 燃燒計(jì)算

某項(xiàng)目為醫(yī)療廢物集中焚燒項(xiàng)目，處置量為5 t/d，約208.3 kg/h。醫(yī)療廢物的設(shè)計(jì)點(diǎn)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(mén)捷列夫公式計(jì)算，物料的低位發(fā)熱量估算見(jiàn)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(zhì)量危廢所需的空氣量為

(12)

根據(jù)工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，選擇回轉(zhuǎn)窯和二燃室的總空氣過(guò)剩系數(shù)為1.8，回轉(zhuǎn)窯內(nèi)的空氣過(guò)剩系數(shù)為1.2，則回轉(zhuǎn)窯實(shí)際單位小時(shí)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(shí)際空氣里空氣量，m3/kg(標(biāo)準(zhǔn))。

通入二燃室的二次風(fēng)量為

(1.8-1.2)×208.3×4.735=591.9

回轉(zhuǎn)窯內(nèi)單位質(zhì)量危廢的理論煙氣產(chǎn)生量為

(14)

回轉(zhuǎn)窯內(nèi)單位質(zhì)量危廢的實(shí)際產(chǎn)煙氣量為

(15)

2.3 物料平衡和熱平衡

回轉(zhuǎn)窯的處置廢物量為約208.3 kg/h，窯內(nèi)出口煙氣溫度為≥950 ℃，回轉(zhuǎn)窯外壁溫度為200 ℃。二燃室的爐內(nèi)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(jì)算理論，回轉(zhuǎn)窯和二燃室的物料平衡和熱平衡計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2～表5。

表2 回轉(zhuǎn)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(zhuǎn)窯尺寸計(jì)算

回轉(zhuǎn)窯出口煙氣溫度定為t1=950 ℃，大氣壓修正系數(shù)為

表4 回轉(zhuǎn)窯的熱平衡表 kg/h

表5 二燃室的熱平衡表 kg/h

(16)

回轉(zhuǎn)窯內(nèi)實(shí)際煙氣體積為

(17)

為保證燃燒效果，回轉(zhuǎn)窯內(nèi)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(zhuǎn)窯的截面積為

(18)

由截面積可計(jì)算出轉(zhuǎn)窯內(nèi)徑D=1.34 m，圓整后取內(nèi)徑D=1.4 m，再根據(jù)式(18)反推計(jì)算出煙氣流速為1.83 m/s，此流速符合工藝設(shè)計(jì)要求。

一般情況下，用于處理固體廢物的回轉(zhuǎn)窯，其長(zhǎng)徑比值為3.4～4.2，本次計(jì)算取上限4.2，則可計(jì)算出回轉(zhuǎn)窯長(zhǎng)度為

L=4.2D=4.2×1.4=5.88

(19)

圓整后取長(zhǎng)度L=6 m。

回轉(zhuǎn)窯內(nèi)的容積熱負(fù)荷應(yīng)控制在(4.2～104.5)×104kJ/(m3·h)[5]。根據(jù)個(gè)人經(jīng)驗(yàn)，回轉(zhuǎn)窯的容積熱負(fù)荷最好控制在(333～628)×103kJ/(m3·h)，這樣燃燒效果會(huì)更好。

根據(jù)以上計(jì)算出的回轉(zhuǎn)窯尺寸，核實(shí)容積熱負(fù)荷為

(20)

計(jì)算所得容積熱負(fù)荷滿足規(guī)范和經(jīng)驗(yàn)要求，所以回轉(zhuǎn)窯的尺寸為內(nèi)徑1.4 m，長(zhǎng)度為6 m。

為保證燃燒效果，煙氣在爐時(shí)間通常需要保證大于2 s。本項(xiàng)目的煙氣在爐時(shí)間為

(21)

式中：t為煙氣停留時(shí)間，s;L為回轉(zhuǎn)窯長(zhǎng)度，m；w為煙氣流速，m/s。

由計(jì)算結(jié)果可知，煙氣停留時(shí)間可以滿足燃燒效果的需求。

固體廢物在回轉(zhuǎn)窯內(nèi)的停留時(shí)間可用下式估算

(22)

式中：θ為固體停留時(shí)間，min;L為回轉(zhuǎn)窯長(zhǎng)度，m；D為回轉(zhuǎn)窯內(nèi)徑，m；N為回轉(zhuǎn)窯轉(zhuǎn)速，0.1～1 r/min；S為窯傾斜度，m/m，S=tanα，α為轉(zhuǎn)窯傾斜角度，取1.5°。

轉(zhuǎn)速分別取0.1和1兩個(gè)極限數(shù)據(jù)計(jì)算，可得固體廢物在爐停留時(shí)間為27.2～272.1 min。

物料的在窯停留時(shí)間通常控制在60～90 min，所以通過(guò)調(diào)整回轉(zhuǎn)窯轉(zhuǎn)速，可以保證固體廢物的在爐時(shí)間，使得廢物能夠得到充分燃燒。

2.5 二燃室尺寸計(jì)算

根據(jù)熱平衡計(jì)算，二燃室應(yīng)補(bǔ)充的二次風(fēng)量為591.9 m3/h(標(biāo)準(zhǔn))，空氣預(yù)熱溫度為150 ℃，煙氣量為1 969.86 m3/h(標(biāo)準(zhǔn))，煙氣溫度為1 165 ℃。同回轉(zhuǎn)窯計(jì)算方案相同，計(jì)算可得：

二燃室內(nèi)徑1.5m，有效高度6 m，煙氣流速2.81 m，煙氣停留時(shí)間2.14 s，容積熱負(fù)荷368.15×103kJ/(m3·h)，計(jì)算結(jié)果符合規(guī)范要求。

2.6 風(fēng)機(jī)選擇

選擇風(fēng)機(jī)時(shí)應(yīng)盡量使風(fēng)機(jī)常年在較高效率范圍內(nèi)運(yùn)行，同時(shí)，必須按當(dāng)?shù)卮髿鈮汉蛯?shí)際運(yùn)行溫度，對(duì)廠家配套得或從風(fēng)機(jī)樣本中選用得風(fēng)機(jī)風(fēng)量、風(fēng)壓及功率進(jìn)行校核計(jì)算，根據(jù)計(jì)算結(jié)果來(lái)選擇風(fēng)機(jī)。

2.6.1 鼓風(fēng)機(jī)的風(fēng)量計(jì)算見(jiàn)下式

(23)

式中：Qg為 鼓風(fēng)機(jī)的風(fēng)量，m3/h；V為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)額定工況下的實(shí)際空氣量m3/h；t為進(jìn)入風(fēng)機(jī)的空氣溫度，℃；b為當(dāng)?shù)卮髿鈮海琸Pa。

2.6.2 鼓風(fēng)機(jī)的風(fēng)壓

鼓風(fēng)機(jī)的風(fēng)壓計(jì)算見(jiàn)式

(24)

由式(3)和式(7)可推導(dǎo)出

(25)

式中：Pg為 鼓風(fēng)機(jī)的風(fēng)壓，Pa；∑Δp為未進(jìn)行當(dāng)?shù)卮髿鈮盒拚娘L(fēng)道總阻力，Pa；t為進(jìn)入風(fēng)機(jī)的空氣溫度，℃；tg為鼓風(fēng)機(jī)銘牌上標(biāo)出的介質(zhì)溫度，℃，通常為20 ℃；ρL為進(jìn)入風(fēng)機(jī)的空氣密度，kg/m3；b為當(dāng)?shù)卮髿鈮海琸Pa。

3 結(jié) 論

高原地區(qū)大氣壓及氧含量的變化，對(duì)回轉(zhuǎn)窯焚燒系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參數(shù)造成了較大的影響，通過(guò)大氣壓修正后，回轉(zhuǎn)窯焚燒系統(tǒng)的各項(xiàng)工藝參數(shù)是能夠滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求的。

本文僅簡(jiǎn)單介紹了回轉(zhuǎn)窯、二燃室、風(fēng)機(jī)的大氣壓修正，整個(gè)回轉(zhuǎn)窯焚燒處置生產(chǎn)線上的其他設(shè)備也可根據(jù)同樣原理進(jìn)行大氣壓修正，這樣經(jīng)過(guò)修正后的設(shè)備型號(hào)及參數(shù)才能滿足高原地區(qū)運(yùn)行的需求。