文_胡偉儒 李瀧 陳慶傳
1 瀚藍工業(yè)服務有限公司 2 廊坊市嘉德恒信醫(yī)療廢物集中處置有限公司
本文重點對河北某15t/d的立式旋轉熱解氣化爐醫(yī)療廢物焚燒項目的焚燒段(一燃室、二燃室、余熱鍋爐)工藝進行設備配套選型計算,為指導設備選型提供了數(shù)據(jù)支持。
熱解爐燃燒機理為靜態(tài)缺氧、分級燃燒,經(jīng)歷熱解、氣化、燃盡三個階段。熱解爐是一種間歇式焚燒爐,即通過控制爐內(nèi)空氣量,使過??諝庀禂?shù)小于1,以便廢物在缺氧的條件下被干燥、加熱和分解。熱解爐中釋放的可燃氣體隨后進入二燃室,在氧氣充足的條件下完全氧化燃燒、高溫分解。
本項目熱解氣化處理系統(tǒng)主要包括進料系統(tǒng)、立式熱解氣化爐、二次燃燒室系統(tǒng)、余熱鍋爐及余熱利用系統(tǒng)、煙氣凈化系統(tǒng)、自動控制系統(tǒng)等。具體工藝流程如圖1所示。
圖 1 項目工藝流程圖
后段煙氣凈化系統(tǒng)采用“急冷塔+脫酸塔+消石灰噴入裝置+活性炭噴入裝置+布袋除塵器+堿洗塔+煙氣加熱” 工藝對焚燒煙氣進行處理達標后,經(jīng)35m高集束式排氣筒排放。
2.2.1 醫(yī)療廢物組份分析
根據(jù)《國家危險廢物名錄(2021)》醫(yī)療廢物是編號HW01,其組分十分復雜,其中醫(yī)療機構使用的塑料多數(shù)有高密度聚乙烯(HDPE)、低密度聚乙烯(LDPE)等。
本項目屬于環(huán)京地區(qū),經(jīng)濟發(fā)展及城市治理條件較好,根據(jù)調(diào)查提出的醫(yī)療廢物各元素組成情況如表1。
表1 各元素的組成情況
可燃垃圾的燃燒特性包含元素分析、工業(yè)分析及熱值分析,通過這些數(shù)據(jù)的計算,為本項目焚燒系統(tǒng)設計輸入數(shù)據(jù)。
2.2.2 熱值特性及燃燒產(chǎn)物理論體積
項目設計的低位發(fā)熱值如下式:
設計的理論空氣量的計算式為:
煙氣設計主要參數(shù)見表2。
表2 煙氣設計主要參數(shù)
根據(jù)本項目的設計處理量為15t/d,焚燒設施需要連續(xù)24h運轉以確保煙氣連續(xù)且穩(wěn)定,為此本項目焚燒設備的每小時處理量為625kg/hr,按110%的最大處理量為687.5kg/hr。小時計算最大煙氣量(濕煙氣)為:
標態(tài)濕煙氣Qpy:Va.wg×687.5kg/hr=5895.6Nm3/hr
標態(tài)干煙氣Qpg:Vdg×687.5kg/hr=4960.71Nm3/hr
本項目采用立式旋轉熱解氣化爐為近年較多采用的醫(yī)療廢物處置爐型。該設備具有運行費用低、耐火材料維護周期長、焚燒效率高、密封性好等特點,尤其對抑制二噁英的產(chǎn)生效果顯著,尤其適合醫(yī)療廢物、生活垃圾及固態(tài)的危險廢物。
本熱解氣化爐的技術核心就是抑制二噁英的產(chǎn)生,在正常工況下,一燃室采用控氧燃燒,一燃室溫度控制在1000℃以下;過氧燃燒通過在二燃室實現(xiàn),一般溫度控制在1000℃左右,并使煙氣停留時間大于2s,能使多氯聯(lián)苯類物質(zhì)、殘?zhí)嫉韧耆紵纸?,二噁英殘留量極少。
2.3.1 一燃室設計參數(shù)
本項目采用的立式旋轉熱解氣化爐大致結構如圖2所示。爐體水套以上為耐火保溫材料,爐蓋進料口是固定的(配有水封),爐體垂直旋轉,進料通過進料口均勻投擲到爐排上,布料均勻。爐排采用偏心結構,爐排轉動時通過偏心擠壓,利于冷渣的破碎及出渣。出渣時,爐排旋轉擠壓爐渣排出,爐渣高度基本不超過爐體水套高度。這種設計使整個運行過程中爐料不會對耐火材料造成磨損,可大大提高耐火材料的使用年限。該爐體的設計規(guī)格為:Φ2.2m(內(nèi)徑); Φ3.25m(外徑);8.2m(高);4.2m(爐排頂?shù)綗煹揽诟叨龋?5.96m (爐膛內(nèi)體積);3.8m2(爐排面積)。此時:
一燃室在900℃時的煙氣量為:
一燃室的小時熱量為(設計氣化率取20%):
Qnet.ar×687.5kg/hr/1000×(1-20%)=2716.76kW;
爐膛容積熱負荷為:煙氣量/爐膛內(nèi)體積
=2716.75/15.96=170.25kW/m3;
一燃室的煙速為:煙氣量/爐排面積/3600
=21379.05/3.8/3600=1.56m/s。
結合項目經(jīng)驗及設計規(guī)范,假設爐膛的最大容積熱負荷為220kW/m3,按照現(xiàn)在一燃室的熱量驗算爐膛內(nèi)體積、內(nèi)徑:
反算爐膛內(nèi)體積=一燃室小時熱量/最大容積熱負荷=2716.76/220=13.58m3,現(xiàn)有爐膛內(nèi)體積大于反算體積,滿足要求。
反算爐膛內(nèi)徑=2.03m,現(xiàn)有爐排內(nèi)徑為2.2m大于反算內(nèi)徑,設計滿足要求。
2.3.2 二燃室設計參數(shù)
高溫混合氣體從熱解氣化爐(一燃室)頂排出的從二燃室頂進入,高溫混合煙氣沿切向進入二燃室,并通過二次補風,在高溫過氧狀態(tài)下將有機氣體燃燼,同時在二燃室筒形結構形成的渦流作用下使部分灰份得以沉降。
主體為一筒形立式結構,設有煙氣進口、二次風入口、燃燒器噴火口、煙氣出口、沉積飛灰清理門等。而當入爐廢物熱值過低時,通過自動控制的燃燒器的間歇工作,確保燃燒溫度>1000℃,煙氣停留時間大于2s。
二燃室的設計規(guī)格為:Φ2.4m(內(nèi)徑); Φ3.8m(外徑);12m(高);8.53m(煙道頂?shù)藉仩t煙道高度);38.57m3(爐膛內(nèi)體積);4.52m3爐膛底部面積)。此時:
二燃室在1100℃時的煙氣量Vg為:Mp×Qp×(273+TGT)/273=1×4960.71×(273+1100)/273=25024.24m3/hr;
二 燃 室 的 總 熱 量 為:Qnet.ar×687.5kg/hr/1000= 3395.96kW;
爐膛容積熱負荷為:煙氣量/爐膛內(nèi)體積=3395.96/48.79=69.61kW/m3;
二燃室的煙速為:煙氣量/爐排面積/3600=25024.24/4.52/3600=1.54m/s;
二燃室的煙氣通過時間:高度/煙速=8.53/1.54=5.55s(1000℃停留時間大于2s)。
結合項目經(jīng)驗及設計規(guī)范,假設爐膛的最大容積熱負荷為100kW/m3,按照現(xiàn)在二燃室的熱量驗算爐膛內(nèi)體積、內(nèi)徑:
反算爐膛內(nèi)體積=二燃室總熱量/最大容積熱負荷=3395.96/100=33.95m3,現(xiàn)有爐膛內(nèi)體積大于反算體積,滿足要求。
反算爐膛內(nèi)徑=1.91m,現(xiàn)有爐排內(nèi)徑為2.4m大于反算內(nèi)徑,設計滿足要求。
醫(yī)療廢物經(jīng)熱解氣化爐處理后,產(chǎn)生的高溫煙氣中蘊含可觀的熱能,可利用余熱鍋爐進行熱能回收。本項目余熱鍋爐設計參數(shù)為:煙氣鍋爐入口溫度約1100℃、煙氣鍋爐出口溫度約500℃、額定蒸發(fā)量3t/h、壓力最大1.0MPa、溫度183℃,最大煙氣量為8000Nm3/h,其產(chǎn)生的蒸汽可用醫(yī)療廢物用于對外供熱使用。
高溫尾氣進入余熱鍋爐系統(tǒng),利用焚燒后產(chǎn)生的高溫煙氣降溫所釋放出的熱量用來加熱水使之蒸發(fā),節(jié)約能耗創(chuàng)造一定的經(jīng)濟效益,同時降低尾氣溫度。余熱鍋爐產(chǎn)生的蒸汽可用進行利用。
根據(jù)煙氣數(shù)據(jù)對余熱鍋爐最大蒸發(fā)量進行復核經(jīng)過計算負荷余熱鍋爐的相關選型參數(shù)如表3所示。
表3 余熱鍋爐設計參數(shù)表
經(jīng)核算確定,本項目余熱鍋爐設計最大額定蒸發(fā)量為3t/h。
尾氣處理為傳統(tǒng)的急冷、脫酸塔+干法脫酸+布袋除塵器+堿洗塔+煙氣再熱器組成,確保煙氣達標排放。
項目于2022年3月初投入運行,由于受新冠肺炎疫情影響,投運期以來醫(yī)療廢物熱值較高,多數(shù)為防護服、核酸檢測試劑、隔離點生活廢物等,每日處理醫(yī)療廢物約7t。處理能力僅達到原設計處理能力15t/d的50%左右。
盡管處理量僅達到設計處理量的一半,但得益于立式旋轉熱解氣化爐(一燃室)的布料均勻,密封性好,同時爐壓較低,空氣擾動少,系統(tǒng)運行的煙氣煙塵含量低。同時由于垃圾進入一燃室內(nèi)是向下垂直移動與一次風方向相反,廢物使排渣的熱損失量小,整個對垃圾自身熱能的利用率,大大降低了二燃室的輔助燃料量,減輕了處理成本。
項目的煙氣污染物主要限值及檢測實測值如表4。
表4 煙氣主要污染物限值及實測值
本文通過對立式旋轉熱解氣化爐主要設備工藝設計時的設計參數(shù)進行計算并校核,為同類項目設備選型提供了計算思路及數(shù)據(jù)支持。
立式旋轉熱解氣化爐作為本系統(tǒng)中關鍵工藝設備,其在長周期穩(wěn)定運營,可靠穩(wěn)定的溫度控制,較低的運行成本比較突出,可見將在疫情時代發(fā)揮更大的作用,為抗疫工作中的醫(yī)療廢物處置工作保駕護航。
隨著該焚燒工藝技術在新項目、新固廢領域的落地,該設備新、老問題將有更多可選的解決方案。對于上述提出的解決方案將有更多項目機會進行推敲、討論及驗證,期待不斷完善醫(yī)療廢物處理體系。