華 昀 ,高術(shù)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(shù)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(chǎn)量大、區(qū)域處置能力不均衡等挑戰(zhàn),危險廢物污染風(fēng)險控制一直是我國環(huán)保工作的重點(diǎn)和難點(diǎn)。數(shù)據(jù)顯示,2017 年全國危險廢物產(chǎn)生量為6 936.9 萬t,較2016 年增長29.73%預(yù)計在2023 年將達(dá)到8 978 萬t[1]。

焚燒處置工業(yè)危險廢物具有工藝簡單、占地面積小以及處置效率高等優(yōu)點(diǎn)。然而危險廢物種類多、性質(zhì)復(fù)雜,焚燒過程二次污染嚴(yán)重,為確保焚燒爐穩(wěn)定、正常運(yùn)轉(zhuǎn),危險廢物入爐前,需依據(jù)物料的元素成分、熱值、相容性等參數(shù)進(jìn)行配伍,以便于焚燒系統(tǒng)能穩(wěn)定運(yùn)行。本文分析五種典型的危險廢物理化性質(zhì),綜述危險廢物焚燒過程的模擬仿真研究進(jìn)展,同時采用商用軟件模擬仿真逆流回轉(zhuǎn)窯過程的溫度場分布情況,為工程化應(yīng)用提供理論支持。

1 工程概況

孝感市固廢處置中心項(xiàng)目于2019 年9 月底動工建設(shè),一期總投資約2.2 億元,是國家固廢重大專項(xiàng)示范工程,孝感市生態(tài)環(huán)境補(bǔ)短板工程,也是中國恩菲智能化工廠示范工程。項(xiàng)目占地面積約118畝,設(shè)計規(guī)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(chǎn)權(quán)、國際先進(jìn)的“逆流回轉(zhuǎn)式焚燒爐+高溫電熔融”危廢處置工藝,最大程度達(dá)到危廢處置的“減量化、無害化、資源化”目標(biāo)。孝感市固廢處置中心項(xiàng)目作為危險廢物及醫(yī)療廢物協(xié)同處置工程,其運(yùn)營將為孝感市及周邊地區(qū)應(yīng)對公共衛(wèi)生突發(fā)事件提供堅(jiān)強(qiáng)有力的保障。

本文重點(diǎn)分析孝感固廢處置中心的五種典型的危險廢物,包括HW01 醫(yī)療廢物、HW06 廢有機(jī)溶劑與含有機(jī)溶劑廢物、HW08 廢礦物油與含礦物油廢物、HW11 精餾殘?jiān)?、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(zhì)

2.1 醫(yī)療廢物

醫(yī)療廢物指的是醫(yī)療衛(wèi)生機(jī)構(gòu)在預(yù)防、醫(yī)療、保健及其它相關(guān)活動中產(chǎn)生的感染性廢棄物。醫(yī)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(dāng)處理會直接或間接影響醫(yī)務(wù)人員、病人和醫(yī)院所在地的環(huán)境安全。在我國,根據(jù)國家衛(wèi)生部、國家環(huán)保總局聯(lián)合印發(fā)的“衛(wèi)醫(yī)發(fā)

[2003]287 號”《醫(yī)療廢物分類目錄》文件,醫(yī)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(xué)性廢物五大類。

根據(jù)孝感固廢處置中心的物料收運(yùn)規(guī)劃,暫未接收醫(yī)療垃圾,本論文的醫(yī)療垃圾的理化性質(zhì)和工業(yè)元素分析將引用其他參考文獻(xiàn)。張力等人[2]對35 例主要病種病例所產(chǎn)生的醫(yī)療廢棄物成分組成及理化特性進(jìn)行了分析研究。該論文將醫(yī)療廢物分為:合成纖維類(15.3%)、生物質(zhì)類(26.3%)、塑料類(43.2%)、橡膠類、無機(jī)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(yè)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(jī)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(yī)療廢物的平均熱值約為30 000 kJ/kg。

2.2 廢有機(jī)溶劑與含廢有機(jī)溶劑廢物

廢有機(jī)溶劑是在生產(chǎn)、調(diào)配及使用過程中產(chǎn)生的廢液,應(yīng)用范圍廣、使用量大。由于沒有改變物理性質(zhì),仍然保留著有機(jī)溶劑的揮發(fā)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(jī)溶劑,以苯、甲苯、二甲苯為代表,具有血液毒性,可導(dǎo)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(dǎo)致脂肪肝和肝細(xì)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(jīng)毒物,可引起中樞神經(jīng)損傷;(5)醇類溶劑,以甲醇最常見,具有較強(qiáng)毒性,對神經(jīng)系統(tǒng)影響最大,還能損害人的視力。

表2 廢有機(jī)溶劑(HW06)的理化性質(zhì)表

根據(jù)實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)分析,廢有機(jī)溶劑的鹵族元素含量差別較大,通常需要控制其直接進(jìn)入回轉(zhuǎn)窯內(nèi)。一般廢有機(jī)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(zhuǎn)窯內(nèi)進(jìn)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(chǔ)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(huán)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(shù)比較少的烴類物質(zhì),多數(shù)是不飽和烴,主要成分有C15 -C36 的烷烴、多環(huán)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(zhì)。

2.4 精餾殘?jiān)?/h3>

精餾或蒸餾殘?jiān)话憧梢岳斫鉃橥ㄟ^精餾或蒸餾分離操作獲得有用產(chǎn)品或中間產(chǎn)品的同時,塔釜會殘余一定量的高沸點(diǎn)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?jiān)鳛檎吵斫範(fàn)钗锘蚬虘B(tài)物,大多含有芳烴、酚、醛、酸、醇等易揮發(fā)組分。

表3 廢礦物油(HW08)的理化性質(zhì)表

表4 所收集的精餾殘?jiān)饕獊碜杂袡C(jī)化工行業(yè),有固態(tài)、液態(tài),也有固液混合狀態(tài),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?jiān)?HW11)的理化性質(zhì)表

2.5 染料、涂料廢物

染料、涂料廣泛應(yīng)用于汽車、家電、五金、建材等表面涂裝,其廢物產(chǎn)生數(shù)量和總量在所有危險廢物中均占有較大比例,根據(jù)人們的習(xí)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(zhì)進(jìn)行分析。

由表5 可知,不同工藝產(chǎn)生的漆渣,其中的水分和灰分相差很大,水分最高含量可達(dá)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(chǎn)生的鹽類濃度不高。

表5 染料、涂料廢物(HW12)的理化性質(zhì)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(zhuǎn)窯內(nèi)流動方向的不同,回轉(zhuǎn)窯可分為順流式回轉(zhuǎn)窯和逆流式回轉(zhuǎn)窯兩種。順流回轉(zhuǎn)窯操作維護(hù)方便,有利于廢物的進(jìn)料及前置處理,煙氣停留時間較長;而逆流回轉(zhuǎn)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(xué)計算軟件,可以對兩種回轉(zhuǎn)窯在燃燒過程的溫度分布進(jìn)行數(shù)值模擬,為回轉(zhuǎn)窯的優(yōu)化設(shè)計提供重要依據(jù)。

3.1 順流回轉(zhuǎn)窯的模擬仿真

危險廢物在順流回轉(zhuǎn)窯的窯內(nèi)預(yù)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(zhuǎn)動來促進(jìn)物料在窯內(nèi)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(zhuǎn)窯內(nèi)的物料不斷翻轉(zhuǎn)并緩慢向窯尾運(yùn)動過程中,完成烘干、揮發(fā)、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(yù)熱、揮發(fā)分析出、揮發(fā)分燃燒和焦炭燃燒幾個部分。廢物燃燒過程的數(shù)值計算主要是聯(lián)合氣固兩相流流場、揮發(fā)分氣體反應(yīng)模型以及碳的異相反應(yīng)模型進(jìn)行耦合求解[8]。

馬攀[8]、李春雨[9]等人利用專業(yè)軟件模擬了順流焚燒爐的溫度場分布,發(fā)現(xiàn):回轉(zhuǎn)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(jìn)入回轉(zhuǎn)窯后依次經(jīng)歷水分蒸發(fā)、熱解、揮發(fā)分析出和燃燒的過程,剛進(jìn)入窯內(nèi)的危險廢物溫度較低,而且水分蒸發(fā)和有機(jī)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(fā)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?zé)煔夂蜖t腔的對流輻射換熱作用下,溫度逐漸升高。窯內(nèi)最高溫度出現(xiàn)在窯的中部位置,大約為1 170 ℃。另外,漏風(fēng)及投入窯頭燃燒器均對溫度場產(chǎn)生影響。

3.2 逆流回轉(zhuǎn)窯的模擬仿真

固體物料在沿回轉(zhuǎn)窯內(nèi)軸向運(yùn)動的過程中發(fā)生了加熱、干燥、物理混合和化學(xué)反應(yīng)等現(xiàn)象,逆流灰渣式回轉(zhuǎn)窯的特點(diǎn)是,回轉(zhuǎn)窯與二燃室并排布置,待焚燒的危險廢物入爐后即與高溫?zé)煔饨佑|,危廢顆粒從回轉(zhuǎn)窯入口向出口運(yùn)動的過程中,物料在窯內(nèi)翻動,自由空間里的氣體則與顆粒逆向運(yùn)動。

干燥段明顯縮短,再配以控氧技術(shù),使高分子物質(zhì)裂解成小分子物質(zhì),減少生成二噁英前驅(qū)物質(zhì)。產(chǎn)生的可燃?xì)怏w進(jìn)入二燃室充分燃燒,既能夠利用熱值,又降低污染物的產(chǎn)生。

危險廢物的燃燒過程是一個包括水分析出、揮發(fā)份析出、固定碳燃燒的復(fù)雜物理化學(xué)過程,本章節(jié)利用商業(yè)軟件,對危險廢物在確定尺寸的“回轉(zhuǎn)窯+二燃室”焚燒系統(tǒng)內(nèi)的燃燒過程進(jìn)行模擬,通過調(diào)整送風(fēng)和改變輔助燃燒手段,對不同工況下焚燒系統(tǒng)內(nèi)的煙氣流速、溫度分布和氣態(tài)產(chǎn)物組分分布特性進(jìn)行研究,實(shí)現(xiàn)對回轉(zhuǎn)窯焚燒爐的運(yùn)行優(yōu)化和指導(dǎo)作用。

根據(jù)表1～5 的試驗(yàn)數(shù)據(jù),可假設(shè)危險廢物工業(yè)成分如表6 所示,揮發(fā)分成分如表7 所示,設(shè)計的化學(xué)反應(yīng)包括:

表6 危險廢物工業(yè)成分(wt%)

表7 揮發(fā)份成分(wt%)

危險廢物在進(jìn)入回轉(zhuǎn)窯后,發(fā)生了復(fù)雜的燃燒和物料運(yùn)輸、反應(yīng)過程,使得回轉(zhuǎn)窯內(nèi)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(jīng)過了固相到半固態(tài)(或液相)的變化,隨著化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行,有機(jī)物數(shù)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(jié)果顯示溫度大概在900 ℃左右;當(dāng)物料翻滾輸送至窯尾處時,爐渣的溫度繼續(xù)降低,由于回轉(zhuǎn)窯的熱灼減率普遍低于5%,此處的物料成分主要是無機(jī)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(zhuǎn)窯溫度場模擬仿真

4 結(jié)論

(1)對五種典型危險廢物的理化性質(zhì)分析可知,醫(yī)療垃圾的熱值最高,其次分別是廢礦物油、廢有機(jī)溶劑、染料涂料廢物和精餾殘?jiān)?結(jié)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(jù)理化性質(zhì)、工業(yè)成分和揮發(fā)分成分分析,設(shè)計危險廢物焚燒的化學(xué)反應(yīng)過程,分別對兩種危險廢物焚燒工藝的模擬仿真結(jié)果對比,發(fā)現(xiàn)順流回轉(zhuǎn)窯的最高溫度在中部,大約1 170～1 230 ℃,而逆流回轉(zhuǎn)窯的最高溫度在窯頭,最高溫度約為1 200℃。