固態(tài)醫(yī)療垃圾循環(huán)流化床氣固流動(dòng)與燃燒特性數(shù)值分析及實(shí)驗(yàn).pdf

1、醫(yī)療垃圾不同程度含有多種細(xì)菌、病毒、寄生蟲和一些有害物質(zhì)，如不及時(shí)處理，將造成嚴(yán)重的環(huán)境污染，并很可能成為疫病流行的源頭。在醫(yī)療垃圾的燃燒處理技術(shù)中，有回轉(zhuǎn)窯式爐、爐排爐等，但目前仍沒有一種較成熟的燃燒技術(shù)適合固態(tài)醫(yī)療垃圾的處理。在近20多年來發(fā)展起來的循環(huán)流化床燃燒技術(shù)-高效、低污染清潔燃燒技術(shù)，其不但能達(dá)到低NOx排放、90％的脫硫效率和與煤粉爐相近的燃燒效率，而且具有燃料適應(yīng)性廣、負(fù)荷調(diào)節(jié)性能好等優(yōu)點(diǎn)。將醫(yī)療垃圾作為燃料，采用循環(huán)

2、流化床潔凈燃燒技術(shù)，可以提高垃圾的燃燒穩(wěn)定性，減小二次污染，有效開發(fā)利用廢物能，具有重要的工程實(shí)用價(jià)值。然而，目前，國內(nèi)外對(duì)醫(yī)療垃圾的干燥、熱解過程特性以及其工業(yè)成分還很少進(jìn)行系統(tǒng)的研究，并且固態(tài)醫(yī)療垃圾在循環(huán)流化床內(nèi)中燃燒過程的氣固多相流動(dòng)特性、傳熱特性、燃燒特性及反應(yīng)機(jī)理、燃燒技術(shù)參數(shù)及其對(duì)燃燒產(chǎn)物特性的影響、以及工藝系統(tǒng)還不明確，這將阻礙這一技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用。因此，結(jié)合我國固態(tài)醫(yī)療垃圾實(shí)際特性，進(jìn)行醫(yī)療垃圾循環(huán)流化床燃燒(SMW-C

3、FBC)爐內(nèi)氣固多相流動(dòng)與燃燒特性數(shù)值計(jì)算及實(shí)驗(yàn)研究，探索和弄清固態(tài)醫(yī)療垃圾在循環(huán)流化床內(nèi)氣固流動(dòng)和燃燒特性，研究開發(fā)固態(tài)醫(yī)療垃圾循環(huán)流化床潔凈燃燒技術(shù)，實(shí)現(xiàn)新能源的開發(fā)利用，將充實(shí)和推進(jìn)循環(huán)流化床流動(dòng)和燃燒的學(xué)術(shù)研究，也將促進(jìn)醫(yī)療垃圾循環(huán)流化床燃燒技術(shù)的創(chuàng)新及應(yīng)用。 于此，文中在深入分析大量的國內(nèi)外醫(yī)療垃圾處理技術(shù)現(xiàn)狀及循環(huán)流化床研究現(xiàn)狀基礎(chǔ)上，通過理論分析和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法首次較系統(tǒng)深入地探討醫(yī)療垃圾組分、工業(yè)成分及熱解及干

4、燥過程特性，弄清了醫(yī)療垃圾團(tuán)塊暫態(tài)升溫過程特性，開發(fā)了SMW-CFBC低壓燃油點(diǎn)火技術(shù)，首次較深入系統(tǒng)地研究了醫(yī)療垃圾SMW-CFBC氣固多相流動(dòng)特性、燃燒特性、溫度場特性及濃度場特性；并設(shè)計(jì)優(yōu)化SMW-CFBC裝置，同時(shí)進(jìn)行了冷態(tài)及熱態(tài)試驗(yàn)，并與數(shù)值計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了比較。 ①針對(duì)固態(tài)醫(yī)療垃圾作為循環(huán)流化床燃料的特性問題，文中應(yīng)用實(shí)驗(yàn)方法首次較系統(tǒng)深入地探討固態(tài)醫(yī)療垃圾組分，工業(yè)成分及熱解及干燥過程特性，弄清了醫(yī)療垃圾團(tuán)塊暫態(tài)升溫

5、過程特性。醫(yī)療垃圾的主要成分中有機(jī)物約占71％，無機(jī)物約29％；醫(yī)療垃圾水分含量26～35％，灰分0.9～8％，熱值11447～14724kJ/kg；影響垃圾的干燥特性的因素依次為溫度、時(shí)間、厚度(含尺寸)和風(fēng)速；醫(yī)療垃圾在350℃時(shí)揮發(fā)分開始析出，700℃揮發(fā)份基本析出完畢。要使垃圾團(tuán)塊在垃圾潔凈燃燒爐內(nèi)換熱過程中升溫速度最快，垃圾團(tuán)塊擬呈球形體，特征尺寸應(yīng)盡量小，且垃圾層應(yīng)不斷翻動(dòng)，以保證垃圾團(tuán)塊不斷處于高溫?zé)煔饬骷訜釥顟B(tài)，保證垃圾

6、充分燃盡。醫(yī)療垃圾熱解過程中停留時(shí)間、熱解溫度、氣化率三者間的存在最佳關(guān)聯(lián)式。 ②針對(duì)醫(yī)療垃圾點(diǎn)火啟動(dòng)比較困難的問題，首次提出并開發(fā)了有漸擴(kuò)切向槽的低壓燃油噴嘴(獲中國專利，No.ZL.022422765)。提出并建立的浙擴(kuò)切向槽旋流低壓燃油噴嘴的三維流動(dòng)數(shù)學(xué)模型，采用k-ε/RNG封閉模型，應(yīng)用SIMPLE數(shù)值方法研究切向槽不同漸擴(kuò)角度對(duì)噴嘴內(nèi)流場的流動(dòng)特性，低壓下，研究得到較佳的有漸擴(kuò)切向槽的旋流霧化噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)為：n=3～

7、4，L≤2.5，θ=5～6°，a/b≈1.2和Rx/rb≥2.5。其工作壓力、霧化效果、節(jié)油率、射流剛度、燃燒效率、穩(wěn)定性等性能指標(biāo)優(yōu)于國內(nèi)外公開的其它燃油霧化噴嘴。該低壓燃油噴嘴已應(yīng)用到SMW-CFBC低壓燃油點(diǎn)火技術(shù)中。 ③提出不同的密相區(qū)形狀，分區(qū)段建立SMW-CFBC三維數(shù)學(xué)模型，然后建立描述SMW-CFBC整體數(shù)學(xué)模型進(jìn)行醫(yī)療垃圾在SMW-CFBC內(nèi)氣固多相流動(dòng)及燃燒特性研究。數(shù)值分析固態(tài)醫(yī)療垃圾在SMW-CFBC燃燒

8、時(shí)，首次采用關(guān)聯(lián)矩模型和PDF模型相結(jié)合的模型來確定存在組分濃度脈動(dòng)、溫度和反應(yīng)度脈動(dòng)情況下紊流燃燒速率，同時(shí)，考慮垃圾顆粒的揮發(fā)析出反應(yīng)所引起的變質(zhì)量對(duì)流體或氣相中湍流的作用，顆粒變質(zhì)量過程對(duì)氣相中湍流反應(yīng)的影響；有反應(yīng)的顆粒相自身的影響問題；湍流對(duì)顆粒反應(yīng)的影響。并且，在進(jìn)行垃圾顆粒的總體模擬時(shí)，在多流體模型基礎(chǔ)上，引入顆粒經(jīng)歷效應(yīng)，即將垃圾顆粒在SMW-CFBC中兩相流中把垃圾顆?？傎|(zhì)量變化率及Daf垃圾質(zhì)量變化率的有關(guān)式子及常微

9、分方程轉(zhuǎn)變成歐拉坐標(biāo)系中偏微分方程進(jìn)行求解。 在密相區(qū)形狀為球體形、橢球體形、高度較小的爐膛混合得更充分，更有利于燃料與氧化劑混合，垃圾顆粒在爐內(nèi)的運(yùn)動(dòng)時(shí)間增加，可提高垃圾顆粒的燃盡度，可強(qiáng)化燃燒。在流化風(fēng)速為2～3m/s時(shí)，直徑在大于3.5mm的醫(yī)療垃圾顆粒，隨煙氣上升到一定高度后，落回密相區(qū)，而直徑小于3.5mm的顆粒隨煙氣一同進(jìn)入分離器。分離器可以捕集直徑大于0.025mm的顆粒，直徑小于0.025mm的顆粒由出氣管排出。

10、 SMW-CFBC爐內(nèi)溫度在750～1000℃內(nèi)變動(dòng)，爐內(nèi)CO2在8％～12％內(nèi)變動(dòng)，NOx在115ppm～280ppm內(nèi)變動(dòng)，SOx在104ppm～142ppm內(nèi)變動(dòng)，HCL在104ppm～182ppm內(nèi)變動(dòng)，一次風(fēng)量增加，爐內(nèi)SOx、CO2上升，HCL、NOx下降；在相同的一次風(fēng)量情況下，密相區(qū)為橢球形時(shí)HCL、SOx、CO2、NOx比方形稍低，z值越大截面的HCL、SOx、CO2、NOx濃度減小。在爐膛高度減小時(shí)密相區(qū)HC

11、L、SOx、CO2、NOx濃度梯度變化較大。最大HCL、SOx、CO2、NOx不是在爐膛正中心部位，且隨著一次風(fēng)量的改變，HCL、SOx、CO2、NOx最大位置發(fā)生移動(dòng)。HCL、SOx、CO2最大值出現(xiàn)在密相度區(qū)，NOx最大值出現(xiàn)在稀密過度區(qū)，當(dāng)結(jié)構(gòu)發(fā)生改變時(shí)，爐膛中心處單元HCL、SOx、CO2、NOx變化曲線發(fā)生改變。在爐膛高度減小時(shí)密相區(qū)HCL、SOx、CO2、NOx濃度梯度變化較大。 醫(yī)療垃圾在SMW-CFBC內(nèi)燃燒過程

12、中，垃圾顆粒運(yùn)動(dòng)特性、粒徑、升溫特性與過?？諝庀禂?shù)、顆粒入爐初始位置及粒徑大小關(guān)系較大，直徑0.1mm的SMW顆粒在0.1s內(nèi)其溫度將從30℃升至900℃，直徑0.1mm的SMW顆粒在爐內(nèi)變徑速率為0.25mm/s。 ④根據(jù)理論計(jì)算結(jié)果，文中從風(fēng)室、布風(fēng)板、風(fēng)帽、爐膛、分離器到返料裝置，進(jìn)行了50kg/hSMW-CFBC裝置優(yōu)化設(shè)計(jì)。根據(jù)優(yōu)化設(shè)計(jì)的裝置，進(jìn)行了布風(fēng)板及料層阻力特性實(shí)驗(yàn)、冷態(tài)壓力、研究爐膛溫度、配風(fēng)等對(duì)醫(yī)療垃圾燃燒

13、穩(wěn)定性的影響，通過調(diào)節(jié)運(yùn)行參數(shù)，如風(fēng)量、輔助燃料量等，測量煙氣有害物質(zhì)的濃度，研究二次污染物的排放特性，并與數(shù)值計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了比較。醫(yī)療垃圾在SMW-CFBC氣固流動(dòng)及燃燒特性數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合，表明數(shù)值計(jì)算中所建的數(shù)學(xué)模型和計(jì)算方法是正確合理的。 ⑤醫(yī)療垃圾焚燒爐SMW-CFBC密相區(qū)結(jié)構(gòu)采用球體形、橢球體形，其它部分采用方形適合醫(yī)療垃圾燃燒，在入爐燃料50kg/h時(shí)，爐膛高度在2.9m，一次風(fēng)量為200m3/h，流化風(fēng)速