固态医疗垃圾循环流化床气固流动与燃烧特性数值分析及实验

发布时间：2020-09-03 18:12

　　医疗垃圾不同程度含有多种细菌、病毒、寄生虫和一些有害物质，如不及时处理，将造成严重的环境污染，并很可能成为疫病流行的源头。在医疗垃圾的燃烧处理技术中，有回转窑式炉、炉排炉等，但目前仍没有一种较成熟的燃烧技术适合固态医疗垃圾的处理。在近20多年来发展起来的循环流化床燃烧技术—高效、低污染清洁燃烧技术，其不但能达到低NOx排放、90％的脱硫效率和与煤粉炉相近的燃烧效率，而且具有燃料适应性广、负荷调节性能好等优点。将医疗垃圾作为燃料，采用循环流化床洁净燃烧技术，可以提高垃圾的燃烧稳定性，减小二次污染，有效开发利用废物能，具有重要的工程实用价值。然而，目前，国内外对医疗垃圾的干燥、热解过程特性以及其工业成分还很少进行系统的研究，并且固态医疗垃圾在循环流化床内中燃烧过程的气固多相流动特性、传热特性、燃烧特性及反应机理、燃烧技术参数及其对燃烧产物特性的影响、以及工艺系统还不明确，这将阻碍这一技术的开发应用。因此，结合我国固态医疗垃圾实际特性，进行医疗垃圾循环流化床燃烧（SMW-CFBC）炉内气固多相流动与燃烧特性数值计算及实验研究，探索和弄清固态医疗垃圾在循环流化床内气固流动和燃烧特性，研究开发固态医疗垃圾循环流化床洁净燃烧技术，实现新能源的开发利用，将充实和推进循环流化床流动和燃烧的学术研究，也将促进医疗垃圾循环流化床燃烧技术的创新及应用。于此，文中在深入分析大量的国内外医疗垃圾处理技术现状及循环流化床研究现状基础上，通过理论分析和实验相结合的方法首次较系统深入地探讨医疗垃圾组分、工业成分及热解及干燥过程特性，弄清了医疗垃圾团块暂态升温过程特性，开发了SMW-CFBC低压燃油点火技术，首次较深入系统地研究了医疗垃圾SMW-CFBC气固多相流动特性、燃烧特性、温度场特性及浓度场特性；并设计优化SMW-CFBC装置，同时进行了冷态及热态试验，并与数值计算结果进行了比较。 ① 针对固态医疗垃圾作为循环流化床燃料的特性问题，文中应用实验方法首次较系统深入地探讨固态医疗垃圾组分，工业成分及热解及干燥过程特性，弄清了医疗垃圾团块暂态升温过程特性。医疗垃圾的主要成分中有机物约占71％，无机物约29％；医疗垃圾水分含量26～35％，灰分0.9～8％，热值11447~14724kJ/kg；影响垃圾的干燥特性的因素依次为温度、时间、厚度（含尺寸）和风速；医疗垃圾在350℃时挥发分开始析出，700℃挥发份基本析出完毕。要使垃圾团块在垃圾洁净燃烧炉内换热过程中升温速度最快，垃圾团块拟呈球形体，特征尺寸应尽量小，且垃圾层应不断翻动，以保证垃圾团块不断处于高温烟气流加热状态，保证 WP=6 垃圾充分燃尽。医疗垃圾热解过程中停留时间、热解温度、气化率三者间的存在最佳关联式。 ② 针对医疗垃圾点火启动比较困难的问题，首次提出并开发了有渐扩切向槽的低压燃油喷嘴（获中国专利，No. ZL.022422765）。提出并建立的浙扩切向槽旋流低压燃油喷嘴的三维流动数学模型，采用k-(/RNG封闭模型，应用SIMPLE数值方法研究切向槽不同渐扩角度对喷嘴内流场的流动特性，低压下，研究得到较佳的有渐扩切向槽的旋流雾化喷嘴结构参数为：n=3～4，L≤2.5，θ=5～6°，a/b≈1.2和Rx/rb≥2.5。其工作压力、雾化效果、节油率、射流刚度、燃烧效率、稳定性等性能指标优于国内外公开的其它燃油雾化喷嘴。该低压燃油喷嘴已应用到SMW-CFBC低压燃油点火技术中。 ③ 提出不同的密相区形状，分区段建立SMW-CFBC三维数学模型，然后建立描述SMW-CFBC整体数学模型进行医疗垃圾在SMW-CFBC内气固多相流动及燃烧特性研究。数值分析固态医疗垃圾在SMW-CFBC燃烧时，首次采用关联矩模型和PDF模型相结合的模型来确定存在组分浓度脉动、温度和反应度脉动情况下紊流燃烧速率，同时，考虑垃圾颗粒的挥发析出反应所引起的变质量对流体或气相中湍流的作用，颗粒变质量过程对气相中湍流反应的影响；有反应的颗粒相自身的影响问题；湍流对颗粒反应的影响。并且，在进行垃圾颗粒的总体模拟时，在多流体模型基础上，引入颗粒经历效应，即将垃圾颗粒在SMW-CFBC中两相流中把垃圾颗粒总质量变化率及Daf垃圾质量变化率的有关式子及常微分方程转变成欧拉坐标系中偏微分方程进行求解。在密相区形状为球体形、椭球体形、高度较小的炉膛混合得更充分，更有利于燃料与氧化剂混合，垃圾颗粒在炉内的运动时间增加，可提高垃圾颗粒的燃尽度，可强化燃烧。在流化风速为2～3m/s时，直径在大于3.5mm的医疗垃圾颗粒，随烟气上升到一定高度后，落回密相区，而直径小于3.5mm的颗粒随烟气一同进入分离器。分离器可以捕集直径大于0.025mm的颗粒，直径小于0.025mm的颗粒由出气管排出。 SMW-CFBC炉内温度在750~1000℃内变动，炉内CO2在8%~12%内变动，NOX在115ppm~280ppm内变动，SOX在104ppm~142ppm内变动，HCL在104ppm~182ppm内变动，一次风量增加，炉内SOX、CO2上升，HCL、NOX下降；在相同的一次风量情况下，密相区为椭球形时HCL、SOX、CO2、NOX比方形稍低，z值越大截面的HCL、SOX、CO2、NOX浓度减小。在炉膛高度减小时密相区HCL、SOX、CO2、NOX浓度梯度变化较大。最大HCL、SOX、CO2
【学位单位】：重庆大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2003
【中图分类】：X799.5
【部分图文】：

洁净燃烧,回转窑,垃圾,筒体

构示意见图 1.1，其特点是将垃圾投入连续、缓慢转动能够实现垃圾与空气的良好接触和均匀充分的燃烧。由于窑体要绕其轴线旋转，在窑体两端必须安装密封在恶劣的操作条件下，很难做到完好密封，结果使空洁净燃烧炉内的氧气含量，这意味着热量的损耗，倘浓度的灰尘烟雾，结果产生难于处理的二次污染。转窑洁净燃烧炉必须在负压条件下操作运行，由于机压下运行，窑内未燃烧的废气将溢出炉外。对于一定洁净燃烧装置产生更多的烟气量，并且含有高浓度的标准，回转窑洁净燃烧炉将安装最大的污染控制装置合，能够在洁净燃烧各种垃圾时，保持洁净燃烧温度性。另外，回转窑也可以处理体积较大的废物，对于图 1.1 回转窑式洁净燃烧炉Fig.1.1 Turning kiln incinerator

垃圾焚烧炉,炉排

3 单颗粒垃圾团块在循环流化床内的非稳态传热特性分析排的主要型式之一是往复推饲炉排，其中应用最广泛的应数单级或多级布置的顺推倾斜往复炉排(图 1.2)。滚动炉排(图 1.3)和往复炉排的拨火作用强，比较适用于低热值、高灰分的城市垃圾的焚烧。这种焚烧炉需要复杂的传动部件，传动部件极易出现故障，因而使得其运行可靠性大打折扣。

洁净燃烧

③ 控制风式洁净燃烧炉这种洁净燃烧炉一般具有模式结构、工厂组装测试的特点，正常包括热解区（一次洁净燃烧区）、二次洁净燃烧区、给料系统、烟囱、燃烧器及燃烧控制系统。1. 垃圾给料 2. 炉排 3. 炉排台阶 4. 炉膛 5. 燃烬区 6. 一次风室 7. 出渣灰井图1.2 顺推倾斜往复炉排垃圾焚烧炉Fig.1.2 Moving flake incinerator1. 垃圾给料 2. 滚动炉排 3. 一次风室 4. 渣井 5. 炉膛 6. 燃烬室图 1.3 滚动炉排垃圾焚烧炉Fig.1.3 Rolling flake incinerator

【引证文献】