高原地区回转窑焚烧设备炉膛特征参数修正方法

2021-09-11卢卫凌

工业加热 2021年8期

卢卫凌

(中化环境控股有限公司，北京 100071)

危险废物是具有腐蚀性、易燃易爆性、化学反应性、毒性、感染性等种类中的一种或几种危险特性的固体废物，同时危险废物具有种类多、危害大、性质复杂、处理困难等特点，所以必须经过专业处理后才能进入环境[1]。焚烧法是一种比较可靠、经济和安全有效的手段，而回转窑焚烧工艺是危险废物处理中最有效的处置工艺，具有废物处理种类多、处理量大等优点[2]。我国自20世纪90年代开始，逐步开始使用回转窑焚烧系统处理危险废物，目前，全国90%以上的危险废物处置中心都采用了回转窑焚烧处理系统。

随着我国对危险废物处理的重视程度越来越高，以及我国西部地区经济的发展，西部地区的危险废物产生量逐年增多，西部地区需要的危险废物处置中心也逐渐增多。而西部地区多是海拔较高、大气压力低、大气含氧量低的高原地区，在这些地区的焚烧设备、如果设计不当，很容易出现物料处理量不足、物料燃烧不彻底、烟气流速过快、烟气在炉内停留时间过短、风机不匹配等多种问题。因此在实际工程设计中，需要根据大气压的变化对焚烧系统的计算参数进行修正。

本文简介了大气压力变化引起的大气参数变化的特点，以及对焚烧系统各计算参数的影响，提出了焚烧设备的大气压修正方法，并结合海拔高度为4 507 m的某医疗废物焚烧处置项目，进行了一些工程设计定量计算。

1 高原地区大气参数变化的特点

1.1 对大气压力的影响

由于地球引力的作用, 大气中的分子向地球表面富集，海拔高度越低，大气密度越大，大气压力也越大，海拔高度越高，大气密度越低，大气压力也越小。

大气压力与海拔高度的关系可近似用式(1)表示：

P=P0(1-0.022 569H)5.256

(1)

式中:P为高原大气压力,约101.325 kPa;P0为标准大气压力，kPa;H为海拔高度，km。

对于某项目而言，海拔高度为4 507 m，大气压力为58.9 kPa，比海平面的大气压降低了41.87%。

1.2 对大气密度的影响

根据理想气体状态方程，在温度一定的情况下, 大气压力与其密度成正比, 即

(2)

式中:ρ为大气密度，kg/m3;P为大气压力，Pa;R为气体常数;T为绝对温度,K。

由式(2)可推导出，高原地区的大气密度为

(3)

式中:P为高原地区大气压力,Pa;P0为标准大气压力,Pa;ρ0为标准大气压力下空气的密度,kg/m3；ρ为0 ℃时高原地区空气的密度,kg/m3。

由式(3)可知，大气压力与其密度成正比，大气压力越小，则密度也越小。

1.3 对大气中氧密度的影响

环绕地球的空气是多种成分气体的混合物，其主要成分的体积百分比为氮气78.08%, 氧气20.96%, 其他还有少量的氟气、二氧化碳气体，其气体成分百分比含量基本保持恒定值, 且不随大气压力的变化而变化[3]。因高海拔地区空气密度的降低, 氧气的密度也成比例地降低, 其降低幅度与空气密度相同。

对于某项目而言，空气中氧气的体积百分比不变，但氧气的密度却也随着空气密度的变化而变化，即：

(4)

1.4 对大气比热的影响

以质量单位来表示的空气比热容(kJ/(kg·℃)),随空气密度的变化很小。但以容积单位来表示时将有较大的变化, 应注意修正。

1.5 高原大气压变化对炉内容积送风量的影响

在燃烧计算中，当物料量恒定的情况下，物料完全燃烧所需的空气的质量是不变的,即标况下空气消耗量是一定的。但是工况下，等质量的空气耗量的实际体积会随大气压力的变化而变化。由于高原地区的大气压力比平原地区低,导致空气和烟气的密度下降,实际工况下大气中氧的体积浓度也随之下降[4]。如需要送入炉膛同样质量的空气或引出同样质量的烟气,其空气或烟气的体积应与当地的大气压力成反比。

若标准条件下的压力为P0,比容为υ0,在P1压力时,υ1与υ0关系为

P0Δυ0=P1·υ1

(5)

故

(6)

设定

(7)

若命C1为大气压力修正系数,则

υ1=C1Δυ0

(8)

在国内通用的热力计算标准中,热力计算所用空气量是采用容积空气量,若总风量为Qg,则

Qg=Bp(V0+ΔαV0) =Gg·υ0

(9)

当气压由P0降低时,则式(9)应为

Qg1=Ggυ1=GgC1υ0=

C1Bp(V0+ΔαV0)=C1·Qg

(10)

式中:Qg为标准压力下空气总容积量,m3/h;Gg为标准压力下所需空气质量,kg/h;Qg1为P1压力下的空气总容积量, m3/h；Bp、V0、Δ物理意义与热力计算相同。

由式(10)可知，实际空气量和烟气量的体积与标准大气压和实际大气压的比值成正比，即与大气压修正系数C1成正比。

2 回转窑焚烧系统设计及修正

2.1 回转窑焚烧系统构成

回转窑焚烧系统整条生产线包含预处理系统、焚烧系统、余热回收系统、烟气处理系统等几个部分[5]。焚烧系统主要包含回转窑、二燃室以及其他辅助系统。本文主要介绍回转窑和二燃室的设计计算以及大气压修正。

2.2 燃烧计算

某项目为医疗废物集中焚烧项目，处置量为5 t/d，约208.3 kg/h。医疗废物的设计点元素分析表如表1所示。

表1 医疗废物元素分析表 %

根据门捷列夫公式计算，物料的低位发热量估算见式(1)：

Qlow=339w(C)+1 030w(H)-109(w(O)-
w(S))-25w(M)

(11)

Qlow=18 090.1

式中：Qlow为物料低位发热量，kJ/kg。

理论单位质量危废所需的空气量为

(12)

根据工程设计经验，选择回转窑和二燃室的总空气过剩系数为1.8，回转窑内的空气过剩系数为1.2，则回转窑实际单位小时所需要的空气量为

Vk=αBV0=1.2×208.3×4.735=1 183.9

(13)

式中：Vk物料所需要实际空气里空气量，m3/kg(标准)。

通入二燃室的二次风量为

(1.8-1.2)×208.3×4.735=591.9

回转窑内单位质量危废的理论烟气产生量为

(14)

回转窑内单位质量危废的实际产烟气量为

(15)

2.3 物料平衡和热平衡

回转窑的处置废物量为约208.3 kg/h，窑内出口烟气温度为≥950 ℃，回转窑外壁温度为200 ℃。二燃室的炉内温度要保持在≥1 100 ℃，辅助燃料为轻柴油，柴油热值为42 900 kJ/kg·二燃室外壁温度为≤55 ℃。根据常规物料平衡和热平衡计算理论，回转窑和二燃室的物料平衡和热平衡计算结果见表2～表5。