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        危險(xiǎn)廢物焚燒處置的理論和實(shí)踐

        2010-11-06 06:35:50張寅璞
        關(guān)鍵詞:燃室爐排焚燒爐

        張 林,張寅璞

        (1.上海藍(lán)鳥環(huán)境科技發(fā)展有限公司,上海 200333;2.上海申嘉三和環(huán)??萍奸_發(fā)有限公司,上海 201400)

        危險(xiǎn)廢物焚燒處置的理論和實(shí)踐

        張 林1,張寅璞2

        (1.上海藍(lán)鳥環(huán)境科技發(fā)展有限公司,上海 200333;2.上海申嘉三和環(huán)??萍奸_發(fā)有限公司,上海 201400)

        危險(xiǎn)廢物的焚燒處置是按化學(xué)當(dāng)量與氧發(fā)生燃燒反應(yīng)。組合式焚燒爐(回轉(zhuǎn)窯、二燃室和爐排爐)能夠?qū)⒏鞣N危險(xiǎn)廢物進(jìn)行焚燒處置。危險(xiǎn)廢物先在回轉(zhuǎn)窯內(nèi)經(jīng)過缺氧、熱解干餾,生成的可燃?xì)怏w和廢渣分別在二燃室內(nèi)和爐排上進(jìn)行高溫燃燒和持續(xù)燃燒,使焚燒殘?jiān)臒嶙茰p率、燃燒效率和有機(jī)物的焚毀去除率等技術(shù)性能指標(biāo)達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的要求。高溫燃燒可以將煙氣中的有毒有害物質(zhì)分解,持續(xù)燃燒可使廢渣燃盡燒透。在對(duì)危險(xiǎn)廢物進(jìn)行元素成分分析的基礎(chǔ)上,進(jìn)行焚燒工藝設(shè)計(jì)、技術(shù)參數(shù)計(jì)算,并舉例說明。

        危險(xiǎn)廢物;組合式焚燒爐;工藝設(shè)計(jì);技術(shù)參數(shù)

        在危險(xiǎn)廢物的處置技術(shù)中,焚燒技術(shù)是實(shí)現(xiàn)減量化、無(wú)害化的最快捷、亦是最有效的技術(shù)。焚燒處置不僅可以有效地破壞危險(xiǎn)廢物中的有毒、有害、有機(jī)廢物,還能將焚燒產(chǎn)生的余熱回收,尤其適于處置含氯、氟、磷及汞等毒性較大的危險(xiǎn)廢物,以及那些不宜回收利用、具有一定熱值的危險(xiǎn)廢物。

        1 機(jī)理分析

        危險(xiǎn)廢物的來源復(fù)雜、種類繁多、形狀各異,不同地區(qū)、不同行業(yè)產(chǎn)生的危險(xiǎn)廢物成分相差很大。但從燃燒的角度分析,各種成分都是按化學(xué)當(dāng)量比反應(yīng)的。其完全燃燒反應(yīng)的方程式,可用下式表示:

        當(dāng)危險(xiǎn)廢物中有氟、磷存在,則可能會(huì)有氟化氫、五氧化二磷生成。

        與液態(tài)和氣態(tài)危險(xiǎn)廢物相比,固體危險(xiǎn)廢物的焚燒過程相對(duì)復(fù)雜一些。一般來說,常溫下的固體危險(xiǎn)廢物混合物,被加熱后先要將危險(xiǎn)廢物中的溶劑和水蒸發(fā)、氣化出來,這部分低燃點(diǎn)的溶劑與少量的空氣接觸后會(huì)首先燃燒;繼續(xù)受熱后,廢物中的大部分有機(jī)物會(huì)被熱解、干餾,生成各種烴類、固定碳及不完全燃燒物;這些可燃?xì)怏w,在有充足氧的條件下,進(jìn)行高溫焚燒,產(chǎn)生高溫?zé)煔?。廢渣繼續(xù)燃燒,以殘?jiān)腆w的形式排出。圖1為危險(xiǎn)廢物焚燒處置機(jī)理分析方框圖。

        圖1 危險(xiǎn)廢物焚燒機(jī)理分析

        高溫焚燒可以將煙氣中的有毒有害物質(zhì)(如聚合苯環(huán)類、多環(huán)碳?xì)浠衔锏龋┝呀猓粡U渣的充分燃燒可使其中的可燃物燃盡燒透。

        焚燒過程中產(chǎn)生的高溫?zé)煔庵饕煞质嵌趸?、水蒸氣和氮?dú)?,還有少量的二氧化硫、氯化氫,廢渣主要是各種金屬的氧化物、氫氧化物、碳酸鹽、硫酸鹽、磷酸鹽和硅酸鹽等[1]。

        2 工藝設(shè)計(jì)

        根據(jù)《危險(xiǎn)廢物焚燒污染控制標(biāo)準(zhǔn)》(GB18484-2001)的要求,僅使用回轉(zhuǎn)窯不能滿足焚燒殘?jiān)臒嶙茰p率、燃燒效率和有機(jī)物的焚毀去除率等焚燒爐技術(shù)性能指標(biāo)的要求。

        由回轉(zhuǎn)窯、二次燃燒室及爐排爐組合而成的組合式焚燒爐,在保留了回轉(zhuǎn)窯的適應(yīng)能力強(qiáng)、運(yùn)行穩(wěn)定可靠的基礎(chǔ)上,通過應(yīng)用二燃室對(duì)煙氣進(jìn)行高溫焚燒、爐排爐對(duì)廢渣進(jìn)行持續(xù)焚燒,使危險(xiǎn)廢物的燃燒效率、有機(jī)物的焚毀去除率和焚燒殘?jiān)臒嶙茰p率可滿足國(guó)標(biāo)的要求,減少了二英和一氧化碳的排放,達(dá)到無(wú)害化處置的目的。

        組合式焚燒爐的工藝流程是:危險(xiǎn)廢物先從回轉(zhuǎn)窯的頭部連續(xù)進(jìn)入窯頭開始加熱,在缺氧的狀態(tài)下氣化;隨著窯體的轉(zhuǎn)動(dòng),危險(xiǎn)廢物被移動(dòng)到溫度較高的中部,開始熱解,低燃點(diǎn)的物質(zhì)開始燃燒;接著移動(dòng)到窯尾,溫度進(jìn)一步升高,危險(xiǎn)廢物裂解為一氧化碳等可燃?xì)怏w和廢渣。在回轉(zhuǎn)窯內(nèi),通過對(duì)廢料進(jìn)行反復(fù)翻轉(zhuǎn)與持續(xù)推進(jìn)[2]以及低燃點(diǎn)氣體的燃燒,使危險(xiǎn)廢物基本完全分解為可燃?xì)怏w和廢渣。在二燃室內(nèi),可燃?xì)怏w與過量空氣完全燃燒,迅速升高溫度,使聚合苯環(huán)類有機(jī)物高溫分解為二氧化碳等無(wú)機(jī)物;在爐排上,廢渣與加入的爐排風(fēng),進(jìn)行持續(xù)燃燒,使廢渣燃盡。圖2為組合式焚燒爐的工藝流程圖。

        圖2 組合式焚燒爐工藝流程

        回轉(zhuǎn)窯的旋轉(zhuǎn)和少量空氣的加入,可以使有機(jī)物分解,并控制溫度,避免窯內(nèi)“結(jié)焦”;二燃室過量空氣的加入,可以提高危險(xiǎn)廢物的燃燒效率、有機(jī)物的焚毀去除率,滿足國(guó)標(biāo)的要求;爐排風(fēng)的加入可以使焚燒廢渣燃盡。冷卻風(fēng)是用于窯尾密封的冷卻。為防止有毒有害氣體的逸出,焚燒爐內(nèi)應(yīng)保持微負(fù)壓狀態(tài)運(yùn)行。

        3 主要技術(shù)參數(shù)

        3.1 熱力計(jì)算

        物料平衡與熱平衡的計(jì)算是以危險(xiǎn)廢物中的碳、氫、硫等可燃元素和空氣中氧的化學(xué)反應(yīng)方程式為依據(jù)的,并假定焚燒所需空氣為干空氣、所需空氣和生成的煙氣均為理想氣體,空氣量以1kg的危險(xiǎn)廢物為計(jì)算基礎(chǔ)。

        理論空氣量的計(jì)算公式為:

        當(dāng)過量空氣系數(shù)α>1且完全燃燒時(shí),實(shí)際煙氣的成分只比理論煙氣(α=1)多出一項(xiàng):過剩空氣。

        實(shí)際煙氣焓為理論煙氣焓、過量空氣焓和飛灰焓之和,理論煙氣焓為CO2、SO2、N2和H2O的焓之和,各成分的理論焓為各成分在θ溫度下的容積比焓與各成分的煙氣量之積。

        3.2 選型計(jì)算

        危險(xiǎn)廢物在回轉(zhuǎn)窯內(nèi)的停留時(shí)間計(jì)算公式[2]為:

        式中:t —廢料的停留時(shí)間,一般為30~120min;

        24和324—分別為經(jīng)驗(yàn)系數(shù);

        θ — 廢料的自然傾角,一般在25~50度之間;

        n — 窯的轉(zhuǎn)速,一般取1~3r/min;

        α — 窯體的水平傾角,一般取1.0~3.0度;

        L/Di— 回轉(zhuǎn)窯的長(zhǎng)徑比,一般取3.0~5.0。

        回轉(zhuǎn)窯和二燃室有效容積V容的計(jì)算公式[2]為:

        式中:B — 危險(xiǎn)廢物的處置量,kg/h;

        Qfn— 危險(xiǎn)廢物的低位發(fā)熱量,kcal/ kg;

        q容— 燃燒室的容積熱負(fù)荷,kcal/m3?h。

        4 應(yīng)用實(shí)例

        以長(zhǎng)三角地區(qū)某危險(xiǎn)廢物集中處置中心為例,對(duì)焚燒系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)和設(shè)備造型進(jìn)行計(jì)算[3、4]。假設(shè)危險(xiǎn)廢物混合物的熱值為3000kcal/kg,處置能力為24t/d,在過量空氣系數(shù)α為1.80的條件下,二燃室排煙中的氧氣含量約為9.3%(干氣)。

        危險(xiǎn)廢物混合物的元素成分詳見表1所示;表2為二燃室出口的煙氣濃度分析;表3為組合式焚燒爐的熱力參數(shù)。

        表1 危險(xiǎn)廢物混合物元素分析表

        表2 煙氣濃度分析

        (2)二燃室

        若二燃室的容積熱負(fù)荷為1×105kcal/m3?h,高徑比為4,則二燃室的有效容積約為30m3,二燃室的有效內(nèi)徑約為2.2m,高約為8.5m,煙氣的流速和停留時(shí)間分別約為2.5m/s、3.4s。

        (3)爐排

        設(shè)爐排的長(zhǎng)和寬度分別為1.8m和1.4m,推桿行程為100mm,往復(fù)周期為10min,則傾斜式往復(fù)爐排的有效面積約為2.5m2,廢渣的移動(dòng)速度和停留時(shí)間分別10mm/min、3.0h。

        5 結(jié)語(yǔ)

        在運(yùn)行控制過程中,應(yīng)注意控制回轉(zhuǎn)窯內(nèi)的溫度低于1000℃,以免窯內(nèi)結(jié)焦。因?yàn)橛行┪kU(xiǎn)廢物的灰熔點(diǎn)在1100℃左右,當(dāng)窯內(nèi)溫度超過1000℃,會(huì)發(fā)生熔融現(xiàn)象。

        在正常生產(chǎn)工況下,如危險(xiǎn)廢物混合物的熱值能穩(wěn)定在3000kcal/kg左右,則不用輔助燃料;若熱值低于2200kcal/kg,則需啟動(dòng)燃燒器。窯頭燃燒器的主要作用是烘爐與啟動(dòng),窯尾燃燒器的主要作用是提高二燃室的溫度。

        根據(jù)現(xiàn)有項(xiàng)目的檢測(cè)結(jié)果,焚燒殘?jiān)臒嶙茰p率<3%,燃燒效率>99.95%,焚毀去除率>99.99%,煙氣中一氧化碳、二英類的排放濃度分別<60mg/m3、<0.1TEQng/m3。

        表3 組合式焚燒爐的熱力參數(shù)

        焚燒系統(tǒng)主要設(shè)備是以回轉(zhuǎn)窯、二燃室和爐排為主的組合型焚燒爐,此外,還有緊急排放煙囪和各種風(fēng)機(jī)等配套設(shè)備,下面就分別以這三種主要設(shè)備為例進(jìn)行選型計(jì)算。

        (1)回轉(zhuǎn)窯

        若回轉(zhuǎn)窯的容積熱負(fù)荷為1×105kcal/m3?h,轉(zhuǎn)速為0.4r/min[5],物料的自然堆角為40度[6],窯體的傾斜角為2度,長(zhǎng)徑比為4[5],則回轉(zhuǎn)窯的有效容積約為30m3,廢料的停留時(shí)間約為57min,長(zhǎng)約為8.5m,廢料的移動(dòng)速度約為0.15m/min,回轉(zhuǎn)窯的有效內(nèi)徑約為2.2m,煙氣的流速和停留時(shí)間分別約為0.5m/s、18.8s。

        [1]趙由才,宋立杰,張華.固體廢物污染控制與資源化(實(shí)用環(huán)境工程手冊(cè))[K].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2002,5.

        [2]朱德宗,孔繁臣,黃卓武.化工回轉(zhuǎn)窯設(shè)計(jì)規(guī)定[S].化工部,1994,11.

        [3]陳學(xué)俊,陳聽寬.鍋爐原理(上冊(cè))[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1991.

        [4]馮德凱,沈幼庭,楊瑞昌.鍋爐原理及計(jì)算[M].北京:科學(xué)出版社,2003,7.

        [5]陳敬軍.危險(xiǎn)廢物回轉(zhuǎn)窯焚燒爐的工藝設(shè)計(jì)[J].有色冶金設(shè)計(jì)與研究,2007,3.

        [6]《回轉(zhuǎn)窯》編寫組.回轉(zhuǎn)窯(設(shè)計(jì)使用與維修)[M].北京:冶金工業(yè)出版社,1977,1.

        Theory and Practice on Incineration and Disposal of Hazardous Wastes

        ZHANG Lin, ZHANG Yin-pu

        X705

        A

        1006-5377(2010)11-0036-03

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