危废焚烧回转窑的工艺计算研究

Research on Process Calculation of Rotary Kiln for Hazardous Waste Incineration

摘要: 危险废物是指具有腐蚀性、毒性、易燃性、反应性或者感染性等一种或者几种危险特性的固体或者液体废物。回转窑焚烧处置危险废物因为对危险废物的适应能力较强，控制稳定，易于操作，技术成熟等优点，被国际上广泛采用。本文根据某危险废物焚烧项目的实际工程案例，根据危险废物配伍成分表，对回转窑的物料、热量及设备设计进行了详细的工艺计算研究，基于此对该项目进行工艺设计。

Abstract: Hazardous waste is solid or liquid waste, which has one or more hazardous properties, such as corrosive, toxic, inflammable, reactive or infectious. Rotary kiln incineration to dispose of hazardous waste is widely used internationally because of its strong adaptability to hazardous waste, stable control, easy operation, and mature technology. According to the actual engineering case of a hazardous waste incineration project and the composition table of hazardous waste, this paper conducts a detailed process calculation and research on the material, heat and equipment design of the rotary kiln, and based on this, the process design of the project is carried out.

1. 引言

危险废物是危害人类生态环境和人体健康的重要污染源之一，如不进行有效处置而随意排放，不仅对水环境、空气环境和土壤环境造成严重的影响和破坏，还会对人身的安全健康构成直接威胁，因此，对危险废物的无害化处理和最终安全处置问题已经引起各级政府和全社会的高度重视 [1]。

焚烧过程是指在高温供氧的条件下通过焚烧过程处理各种可燃性废物。危险废物的焚烧过程，通常需要借助于自身可燃物质或辅助燃料，调节适当的空气输入，在适当的高温范围内持续一定时间，实现较高的焚毁率、较低的热灼减率，最大程度地降解或分解其中的有毒有害物质，并杀死病毒细菌，同时实现较低的污染排放指标 [2]。因此，通过工艺计算并在此基础上对焚烧系统进行正确的工艺设计，并控制危险废物的焚烧过程是实现危险废物无害化、减量化和资源化的关键因素。

2. 回转窑物料平衡计算

2.1. 危险废物配伍成分表

按照近年来危险废物的源相成分及热值分析，高氮、硫、氯含量及高热值是今后危险废物特性的趋势，同时，环保对烟气排放指标的要求日渐严格，基于此，本项目工艺计算将氮、硫、氯提高到一个较高的含量，以使烟气净化措施的配置能使烟气排放指标满足国家规范《危险废物焚烧污染控制标准GB18484-2020》的要求，见表1。

Table 1. Compatibility table of hazardous wastes

表1. 危险废物配伍成分表

本项目设计焚烧量为100吨/天。根据对项目所在地危险废物产生来源的市场调查及统计分析，本项目危险废物焚烧的固液比按照9:1进行设计。

2.2. 计算实际燃烧所需空气的体积

根据完全燃烧理论公式

$\begin{array}{l}{\text{C}}_{\text{x}}{\text{H}}_{\text{y}}{\text{O}}_{\text{z}}{\text{N}}_{\text{u}}{\text{S}}_{\text{v}}{\text{CI}}_{\text{w}}{\text{F}}_{\text{p}}{\text{P}}_{\text{t}}+\left(\text{x}+0.25\text{y}-0.5\text{z}+0.5\text{u}+\text{v}-0.25\text{w}-0.25\text{p}+1.25\text{t}\right){\text{O}}_2\\ ={\text{xCO}}_2+0.5\left(\text{y}-\text{w}-\text{p}\right){\text{H}}_2\text{O}+\text{uNO}+{\text{vSO}}_2+\text{wHCL}+\text{pHF}+0.5{\text{tP}}_2{\text{O}}_5\end{array}$ (1)

基于危险废物焚烧的理论研究，回转窑内有机物是未完全燃烧的过程，其中有一部分有机物需在二燃室内进行再次升温燃烧。本项目按照70%的液废进回转窑，30%的液废进二燃室进行工艺计算设计。

1) 回转窑内固废进料量为3750 kg/h，具体成分见表2：

Table 2. Solid waste feed amount in rotary kiln

表2. 回转窑内固废进料量

2) 回转窑内液废进料量为583.33 kg/h，具体见表3：

Table 3. Feeding amount of waste liquid in rotary kiln

表3. 回转窑内废液进料量

3) 根据公式(1)，得出理论燃烧需要空气量为V_理 = 17586.443 Nm³/h，再由3.2章节回转窑的热量平衡计算得出的空气过量系数为1.388，则实际燃烧需要空气量为V_实 = 24413.954 Nm³/h，见图1。

Figure 1. Calculation table of volume of air actually required for combustion in rotary kiln

图1. 回转窑燃烧实际需要空气的体积计算表

2.3. 计算实际燃烧产生烟气的体积

回转窑燃烧产生的烟气由以下物质组成：二氧化碳、水、氮氧化物、二氧化硫、氯化氢、氟化氢、五氧化二磷、氮气、氧气及一氧化碳，

由公式(1)，计算回转窑燃烧实际产生的烟气体积，汇总如表4，成分计算见图2：

Table 4. The volume of flue gas produced by the combustion of rotary kiln (unit: Nm3/h)

表4. 回转窑燃烧产生烟气的体积(单位：Nm³/h)

Figure 2. Calculation table of flue gas composition of rotary kiln

图2. 回转窑烟气成分计算表

3. 回转窑热量平衡计算

根据门捷列夫公式，物料的低位发热量

${\text{Q}}_{\text{d}}=4.187\left(81\text{C}+246\text{H}-26\left(\text{O}-\text{S}\right)-6\text{W}\right)$ (2)

其中C、H、O、S、W，分别指入炉危险废物中碳元素、氢元素、氧元素、硫元素以及水的质量百分数。

计算入炉危险废物的低位发热量：Q_d = 16748.92 kj/kg = 4000 kcal/kg。

3.1. 回转窑散热损失计算

1) 设备尺寸计算

根据文献，回转窑的容积热负荷q_v范围为(4.2~104.5) × 10⁴ (kj/(hm³))，根据焚烧工艺设计经验，本项目设计取值为43 × 10⁴ (kj/(hm³))。

根据文献，回转窑的长径比L/D范围为3.4~4.2，其中D为回转窑内物料流通净内径，单位为m，L为回转窑的长度，单位为m，根据焚烧工艺设计经验，本项目设计取值为4。

计算回转窑的有效容积V (m³)，

V = BQ_d/q_v [3] (3)

其中B为处置量，单位为kg/h，Q_d为物料的低位发热量，单位为kj/kg，安全系数取1.05，经计算V = 178.15 m³，再根据V = π/4 * D² * L和长径比，计算得D = 3.843 m，L = 15.37 m。

根据焚烧工艺设计经验，设计耐火材料总厚度为320 mm，则回转窑窑皮内径为4.48 m。

回转窑设备设计计算表见图3。

Figure 3. Calculation table of rotary kiln equipment design

图3. 回转窑设备设计计算表

2) 回转窑外表面温度计算

根据实际工程经验，本项目耐火材料由重质耐火砖和轻质保温砖组成，其中重质耐火砖厚度δ₁按照220 mm设计，导热系数λ₁ = 1.2 W/(m℃)，轻质保温砖厚度δ₂按照100 mm设计，导热系数λ₂ = 0.42 W/(m℃)，窑皮厚度δ₃按照25 mm设计，导热系数λ₃ = 0.23 W/(m℃)，回转窑内温度通常控制在850~1100℃，本工艺计算按照1000℃。

重质耐火砖内温度t₁，轻质保温砖内温度t₂，窑皮温度t₃，环境温度t₄ = 14.7℃ (项目地年平均温度)，根据传热机理：

热通量 ${\text{q}}_{热通量}=\left({\text{t}}_1-{\text{t}}_2\right)/\left({\text{δ}}_1/\left({\text{λ}}_1\text{A}\right)\right)=\left({\text{t}}_2-{\text{t}}_3\right)/\left({\text{δ}}_2/\left({\text{λ}}_{2}A\right)\right)=\left({\text{t}}_3-{\text{t}}_4\right)/\left({\text{δ}}_3/\left({\text{λ}}_3\text{A}\right)\right)$ [4] (4)

q_热通量：单位面积的热损失(W/m²)；

q_热通量 = Σξt/Σξ(δ/λ) = 1839.19 W/m²，t₁ = 1000℃，t₂ = 662.81℃，t₃ = 224.91℃。

3) 回转窑散热损失的计算。

首先计算窑皮对流传热系数：

窑皮钢板黑度ε取0.28，室外风速v = 2.1 m/s (项目地平均风速)，沿风速方向的宽度D = 4.48 m，长度L = 15.37 m。

根据对流传热系数计算公式：

${\text{a}}_{\text{R}}=5.67\epsilon \left({\left({\text{t}}_3+273\right)}^3+{\left({\text{t}}_3+273\right)}^2*\left({\text{t}}_4+273\right)+\left({\text{t}}_3+273\right)*{\left({\text{t}}_4+273\right)}^2+{\left({\text{t}}_4+273\right)}^3\right)*{10}^{\left(-8\right)}$ (5)

计算得a_R = 4.124 w/(m²k)；

再次计算窑皮辐射传热系数：

根据辐射传热系数 ${\text{a}}_{\text{c}}=\left(5.93-0.015*{\text{t}}_4\right)*{\text{v}}^{0.8}/{\text{D}}^{0.2}$ (6)

计算得a_c = 7.657 w/(m²k)；

对流加辐射传热系数a_t = a_R + a_c = 11.782 w/(m²k)。

根据回转窑的热损失 ${\text{Q}}_{热损失}\left(\text{kJ}/\text{h}\right)=3.14*\text{L}*\text{D}*{\text{a}}_{\text{t}}*\left({\text{t}}_3-{\text{t}}_4\right)*3.6*1.6$ (7)

计算得Q_热损失 = 3086208.43 kJ/h。

回转窑散热量计算见图4。

Figure 4. Calculation of heat dissipation of rotary kiln

图4. 回转窑散热量计算

3.2. 回转窑的热量平衡计算

根据运行经验：设定回转窑操作压力−50 pa，窑尾烟气出口温度1000℃；

计算物料带入热量Q_物料 = BQ_d = 44310761.15 kJ/h；

计算空气带入热量Q_空气 = V_实H_空气 = 405881.98 kJ/h；其中H_空气为空气的焓值，单位为kJ/Nm³，查锅炉设计手册，经插值计算，当地温度下空气的焓值为20.025 kJ/Nm³，详见图5。

灰渣热损失(由二燃室部分计算得出) Q_灰渣 = m_灰渣λ_灰渣 = 611492.77 kJ/h，其中λ_灰渣为空气的焓值，单位为kJ/kg，查文献，λ_灰渣值为1 kJ/kg，详见图6。

回转窑的热损失Q_热损失 = 3086208.43 kJ/h，已由3.1章节计算得出；

由回转窑的热量平衡公式：Q_物料 + Q_空气 == Q_烟气 + Q_热损失+ Q_灰渣 (8)

则烟气带走热量Q_烟气 = 44310761.15 kJ/h (由空气过量系数迭代计算得出)；假定空气过量并迭代计算，得出空气过量系数为1.388。并将此数值用来计算2.2章节实际燃烧需要空气量为V_实 = 24413.954 Nm³/h，见图7。

Figure 5. Temperature and enthalpy values of different substances

图5. 不同物质的温焓值

Figure 6. Calculation of the amount of ash and slag at the kiln tail

图6. 窑尾灰渣量计算

Figure 7. Iterative calculation of heat in rotary kiln

图7. 回转窑热量的迭代计算

4. 结语

危险废物的焚烧处置是按化学当量与氧发生燃烧反应，组合式焚烧炉(回转窑 + 二燃室)能够将各种危险废物进行焚烧处置 [5]。通过危废焚烧回转窑的工艺计算，可以确定回转窑的设备尺寸、回转窑助燃风的风量以及焚烧后的烟气量，进而可以指导整个回转窑焚烧线焚烧系统(回转窑 + 二燃室)的设备设计、工艺设计、工艺系统设计，以及为后端余热利用系统、烟气净化处理系统的设备及工艺设计提供准确的烟气量及烟气成分数据。实际运行时辅以“3T + 1E”的原则对焚烧系统进行控制，使焚烧残渣的热灼减率、燃烧效率和有机物的焚毁去除率等技术性能指标达到国家和地方标准的要求。