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回轉窯式醫院垃圾焚燒爐設計

摘　要：給出了一個回轉窯式醫院垃圾焚燒系統的結構簡圖，介紹了其工作原理；針對中小規模醫院的自備焚燒爐，進行了初步設計和熱力計算；討論了回轉窯式醫院垃圾焚燒爐中值得研究的問題。

關鍵詞：醫院垃圾；焚燒；回轉窯

1　前言

醫院垃圾含大腸桿菌、沙門氏菌、綠膿桿菌、痢疾桿菌、乙肝表抗等有害細菌和病毒，細菌總數(860～1400)×104個/cm3［1］，是一種有害固體廢棄物。要破壞和去除有害細菌和病毒，宜采用高溫焚燒處理。沈陽、鞍山等地曾分別建成多室式醫院垃圾焚燒爐［1，2］，都是以煤為輔助燃料，讓煤在輔助燃燒室中氣化，以煤氣來保證主燃室中醫院垃圾的穩定、完全燃燒。近年來，國外也開發出一些適合于有害固體廢棄物處理的焚燒爐［3］，其中，回轉窯(Rotary Kiln)式焚燒爐具有結構簡單、造價低、運行可靠、易控制、可保證燃燒穩定、完全等優點，并可建成大、中、小型回轉窯式焚燒爐，分別適合于城市醫院垃圾集中焚燒、大醫院自備焚燒爐、中小醫院自備焚燒爐。集中焚燒可采用高自動化程度、高治污水平的設備，并可回收熱能，但投資與運行費用均較貴，需政府出資建設和維持運行，適合于對環境質量要求高的經濟發達的大都市；自備焚燒爐分散處理，可減輕運輸的壓力，投資與運行費用均較低，易被用戶接受，但是否能達到焚燒的要求，則是人們關注的問題。本文對回轉窯式焚燒爐進行介紹，并且對適合于中小規模的醫院自備焚燒爐，進行了初步設計和熱力計算。

2　回轉窯式焚燒爐的結構和原理

圖1給出了參考國外最先進的回轉窯式焚燒技術［3］而設計的醫院垃圾焚燒爐結構。其基本工藝流程是：整個焚燒系統分為2個燃燒室，實現了分級燃燒。①一燃室窯體可轉動，起到輸送廢棄物和加強窯內熱質混合的作用，轉速約0.5～1.0rpm。廢棄物在其中的停留時間約0.5～1.5h。加料速度控制在使窯內廢棄物體積占總體積的20%。一燃室中可用適量的油或煤氣作為輔助燃料，也可摻燒廢油和工業可燃廢液。在一燃室中發生揮發份析出、裂解、可燃氣部分燃燒、殘炭燃燒并燃燼等反應。②從一燃室產生的可燃氣進入二燃室，在二燃室中噴入少量的輔助燃料，以維持爐內高溫，保證可燃氣的迅速、完全反應。③煙氣從二燃室排除后，經過煙囪直接排入空氣。

圖1　回轉窯式醫院垃圾焚燒爐結構

回轉窯除了用于醫院垃圾焚燒外，還可用于焚燒其它固體廢棄物、泥漿、固液混合物等。一些現代的回轉窯系統中，在2個燃燒室間設一個旋風室，使灰渣從出渣口排出，以防止高溫二燃室中的結渣。二燃室可水平或垂直布置，其中還可噴入廢油和工業可燃廢液。目前回轉窯的平均熱負荷約17MW，美國有的回轉窯熱負荷已達44MW。

3　設計計算與說明

3.1　醫院垃圾特點

(1)熱值約7000kJ/kg。

(2)堆積密度約300～500kg/m3，設計計算中取堆積密度400kg/m3。

(3)含水份40%～50%，灰10%，PH值8～9。

3.2　設計目的與要求

(1)本焚燒爐適合于中小型醫院的垃圾焚燒。醫院垃圾產量40～100kg/d，按日處理量100kg/d設計。

(2)焚燒后殺死全部病原及各種微生物。

(3)減重率90%，減容率85%～90%，固體廢棄物灰化。

3.3　焚燒爐主要結構尺寸

(1)一燃室：內徑d1=0.4m　長度L1=1.2m　體積V1=0.151m3

(2)旋風室：內徑d2=0.24m　長度L2=0.9m　體積V2=0.041m3

(對小型爐可不設旋風室)

(3)二燃室：內徑d3=0.6m　長度L3=1.2m　體積V3=0.339m3

(4)一燃室傾角6.5°。

3.4　焚燒爐主要運行參數

(1)回轉窯轉速：0.5～5rpm(可調)。

(2)回轉窯進料速度：使爐內垃圾體積控制在20%V1左右。

(3)固體廢棄物在一燃室中停留時間為0.5～1.5h。

(4)可燃氣在二燃室中停留時間為1～3s。

(5)處理速度：12kg/h，日運行約8h。

3.5　焚燒爐主要熱力參數

(1)一燃室設計爐溫：950℃。

(2)爐溫系數：0.75。

(3)一燃室過量空氣系數為0.5～2.5(可調)。

(4)設一燃室輔助燃料為油，取油的熱值35000kJ/kg，燃油量0.07～0.08kg/kg。

(5)一燃室熱負荷17kW，容積熱負荷113kW/m3。

(6)二燃室設計爐溫≥1000℃。

(7)二燃室空氣系數為1.2～2.0(可調)。

(8)二燃室輔助燃料為油，燃油量0.03～0.05kg/kg。

(9)二燃室熱負荷22kW，容積熱負荷65kW/m3。

(10)總耗油量為0.10～0.13kg/kg，日耗油量10～13kg。

3.6　煙風系統

(1)由離心式鼓風機送風。風機型號：No.2.8，轉速2900rpm，全壓951Pa，流量1330m3/s。

(2)風機電機：型號Y90S—2，功率1.5kW。

(3)為簡化系統，節省造價，空氣不預熱。

(4)采用煙囪自然排煙，煙囪內徑150～200mm，高15～20m。由于余熱未被利用，排煙溫度大于300℃，當煙囪為20m高時，抽力大于110Pa。

3.7　爐窯轉動裝置

(1)只有一燃室轉動，旋風室、二燃室不動。

(2)一燃室端蓋不動，爐體轉動。

(3)一燃室爐體由膠輥帶動，轉速可調。

(4)驅動電機功率3kW。

3.8　總體設計

(1)一燃室、旋風室、二燃室金屬重分別約為60、30、80kg。

(2)占地約2.5×2=5m2(二燃室、鼓風機均側面布置)。

(3)爐體高度約2m(不包括煙囪高度)。

4　值得研究的問題

回轉窯在建材工業中已有較多的應用，在機械制造方面已取得了許多成功的經驗。但是，對于醫院垃圾這種特殊的燃料，在回轉窯中的傳熱與燃燒機理尚有待深入的研究。可研究的問題有：

(1)如何利用燃燒后的高溫煙氣加熱入爐垃圾。這涉及到二燃室的位置或煙氣再循環等問題，在以后的改型設計中可考慮這方面的問題。

(2)回轉窯中的傳熱機理。包括：氣固間輻射與對流傳熱；氣體與窯內壁之間的輻射與對流傳熱；窯壁與固體間的輻射與導熱。由于固體在水平斷面上混合得較好，可假設固體的流型趨近于柱塞流［4］。氣固間對流傳熱可用湍流經驗公式計算；氣固間輻射可根據對氣體空間的有效輻射率與吸收率來計算；窯壁與固體間的傳熱是一個周期性的過程，較難計算。只有在對這類問題定量研究的基礎上，才能使設計精確、優化。

(3)煙氣中污染物的含量。是否因為焚燒產生較多的SO2、NOx、H2S、HCl、二口　惡咽、呋喃等污染物，這有待實踐的驗證。在二燃室中采用輔助燃料，正是為了保證高溫，避免二口　惡咽、呋喃等污染物的排放。

5　結束語

(1)最常見的垃圾焚燒爐——馬丁爐的關鍵技術是，為了使垃圾在爐內翻動，要有耐高溫、耐腐蝕、可傳動的爐排，回轉窯爐與之相比，沒有爐排，可節省投資。

(2)另一種常見的垃圾焚燒爐——固定床(Fixed Hearth)，又稱控制氧量燃燒(Controlled Air Oxidation，簡稱CAO)，盡管省略了爐排，但垃圾在爐內不能翻動，與CAO相比，回轉窯內垃圾可以翻動，有利于熱質傳遞，增強燃燒。

(3)文中設計的回轉窯焚燒系統，可適合于中、小規模醫院的自備垃圾焚燒爐。

作者單位：(華南理工大學，廣州　510640)

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