龔幸， 張銘， 王爭(zhēng)剛

（東華工程科技股份有限公司， 合肥 230024）

危險(xiǎn)廢物是具有腐蝕性、 毒性、 易燃性、 反應(yīng)性或者感染性等一種或多種危險(xiǎn)特性的固體廢物（包括液體廢物）， 會(huì)對(duì)生態(tài)環(huán)境或者人體健康造成有害影響［1］。 目前， 危險(xiǎn)廢物的處置已經(jīng)成為各級(jí)政府和公眾關(guān)注的重要議題， 引起了人們的廣泛重視［2-3］。 在危險(xiǎn)廢物處置技術(shù)方面， 目前主要有焚燒、 熱解、 安全填埋、 物化及生化處理等方法［4-6］，其目的都是實(shí)現(xiàn)危險(xiǎn)廢物的減量化、 無(wú)害化和資源化。 由于焚燒法能夠最大程度實(shí)現(xiàn)危險(xiǎn)廢物的減量化和無(wú)害化， 同時(shí)還能夠回收利用部分余熱， 因而在我國(guó)得到了廣泛應(yīng)用。 目前， 焚燒法是國(guó)際上處理危險(xiǎn)廢物的主流技術(shù)之一， 也是美國(guó)和WHO 等國(guó)家和國(guó)際組織優(yōu)先推薦使用的技術(shù)。

在危險(xiǎn)廢物焚燒類(lèi)項(xiàng)目的工程設(shè)計(jì)過(guò)程中， 物料衡算與熱量衡算（MHB）是工藝設(shè)計(jì)和設(shè)備選型的基礎(chǔ)， 常規(guī)的MHB 方法往往非常繁瑣。 ASPEN PLUS 是生產(chǎn)裝置設(shè)計(jì)、 穩(wěn)態(tài)模擬和優(yōu)化的大型通用流程模擬軟件， 在生物質(zhì)氣化、 煤化工等領(lǐng)域的工程設(shè)計(jì)中都應(yīng)用廣泛［7-8］。 本研究基于ASPEN PLUS 模擬軟件， 對(duì)危險(xiǎn)廢物焚燒工藝流程進(jìn)行模擬， 同時(shí)對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行分析和比較， 獲得危險(xiǎn)廢物焚燒的優(yōu)化工藝條件， 為工程設(shè)計(jì)和實(shí)際操作提供理論指導(dǎo)。

1 焚燒工藝

目前國(guó)內(nèi)的危險(xiǎn)廢物焚燒工藝大同小異， 其主要區(qū)別在于焚燒設(shè)備的不同， 常見(jiàn)的焚燒設(shè)備包括回轉(zhuǎn)窯、 噴射爐、 固定床和流化床等。 由于能夠同時(shí)處理固體廢物、 污泥、 有機(jī)蒸汽和液體廢物等固態(tài)、 半固態(tài)、 液態(tài)和氣態(tài)的廢物， 回轉(zhuǎn)窯焚燒工藝在危險(xiǎn)廢物處置領(lǐng)域中應(yīng)用非常廣泛， 是一種多功能的危險(xiǎn)廢物處置技術(shù)， 其工藝流程如圖1所示。

圖1 回轉(zhuǎn)窯焚燒工藝流程Fig. 1 Process flow of hazardous waste incineration using rotary kiln

回轉(zhuǎn)窯焚燒系統(tǒng)由貯存系統(tǒng)、 上料系統(tǒng)、 焚燒系統(tǒng)、 余熱利用系統(tǒng)和煙氣凈化系統(tǒng)構(gòu)成。 外來(lái)危險(xiǎn)廢物進(jìn)入貯存系統(tǒng)后， 經(jīng)過(guò)預(yù)處理和配伍后進(jìn)入上料系統(tǒng)， 經(jīng)滑道和推筒給料機(jī)進(jìn)入回轉(zhuǎn)窯內(nèi)。 危險(xiǎn)廢物在回轉(zhuǎn)窯內(nèi)部經(jīng)過(guò)60 ～120 min 的高溫焚燒， 物料被焚燒成為煙氣和灰渣。 回轉(zhuǎn)窯操作溫度在850 ～1 100 ℃之間， 高溫?zé)煔鈴幕剞D(zhuǎn)窯尾部進(jìn)入二燃室， 焚燒產(chǎn)生的灰渣從回轉(zhuǎn)窯尾部落入出渣機(jī)， 水冷后固化填埋。 高溫?zé)煔庠诙际覂?nèi)部進(jìn)一步燃燒， 溫度控制在1 100 ℃以上， 并維持2 s 以上的停留時(shí)間， 以盡可能去除煙氣中的有害成分。二燃室排出的煙氣進(jìn)入余熱鍋爐， 回收利用熱量，生產(chǎn)部分低壓蒸汽， 隨后進(jìn)入煙氣凈化系統(tǒng)， 分別經(jīng)過(guò)脫硝、 激冷、 干法脫酸、 除塵及濕法脫酸后，實(shí)現(xiàn)達(dá)標(biāo)排放。 活性炭貯倉(cāng)在袋式除塵器入口煙道上將活性炭噴入煙氣中， 去除二噁英， 被袋式除塵器分離出來(lái)的飛灰經(jīng)固化后填埋處理。

2 ASPEN PLUS 模型建立

2.1 模型建立

“回轉(zhuǎn)窯-二燃室”是回轉(zhuǎn)窯燃燒系統(tǒng)的核心，危險(xiǎn)廢物的充分燃燒是其無(wú)害化處置的關(guān)鍵。 采用ASPEN PLUS 軟件對(duì)危險(xiǎn)廢物焚燒過(guò)程進(jìn)行模擬，在使用該軟件建立模型時(shí)， 設(shè)定假設(shè)條件： 回轉(zhuǎn)窯與二燃室無(wú)壓力降且內(nèi)部處于穩(wěn)態(tài)， 其參數(shù)與時(shí)間無(wú)關(guān)； 危險(xiǎn)廢物中的C、 H、 O、 N、 S 全部轉(zhuǎn)化成氣相； 危險(xiǎn)廢物反應(yīng)速度很快， 能夠快速達(dá)到平衡， 且其中的灰分不參與反應(yīng)。

根據(jù)危險(xiǎn)廢物燃燒效率高、 反應(yīng)接近平衡的特點(diǎn)， 本研究采用反應(yīng)平衡模型并應(yīng)用Gibbs 自由能最小化的方法進(jìn)行模擬， 將危險(xiǎn)廢物焚燒過(guò)程分為裂解和燃燒2 個(gè)過(guò)程。 裂解過(guò)程采用DECOMP模塊， 燃燒過(guò)程采用BURN 模塊， 裂解產(chǎn)生的熱量導(dǎo)入BURN 模塊。 同時(shí)將燃燒過(guò)程分為2 個(gè)BURN模塊， 分別用來(lái)模擬回轉(zhuǎn)窯和二燃室， 并采用SSPLIT 模塊模擬回轉(zhuǎn)窯排渣過(guò)程， 建立的模型如圖2 所示。

圖2 回轉(zhuǎn)窯焚燒工藝ASPEN PLUS 模擬流程Fig. 2 Simulated process of hazardous waste incineration using rotary kiln based on ASPEN PLUS

2.2 模型輸入值

ASPEN PLUS 模型建立之后， 還需要輸入模型相關(guān)參數(shù)才能進(jìn)行計(jì)算并得到結(jié)果。 本研究模擬計(jì)算的危險(xiǎn)廢物的處理量為1 250 kg／h， 折算成處理量為30 t／d， 回轉(zhuǎn)窯與焚燒爐的操作壓力為0.1 MPa。

危險(xiǎn)廢物由于來(lái)源和類(lèi)別不同， 一般組成比較復(fù)雜， 以某設(shè)計(jì)項(xiàng)目配伍之后的元素分析和工業(yè)分析結(jié)果為基礎(chǔ)進(jìn)行模擬計(jì)算， 結(jié)果如表1、 表2所示。

表1 元素分析結(jié)果Tab. 1 Results of elemental analysis

表2 工業(yè)分析結(jié)果Tab. 2 Results of industrial analysis

3 結(jié)果與討論

3.1 熱值與煙氣溫度的關(guān)系

危險(xiǎn)廢物熱值高， 焚燒過(guò)程中產(chǎn)生的熱量也就大， 二燃室出口煙氣的溫度也會(huì)增加， 因此， 危險(xiǎn)廢物的熱值大小直接影響到煙氣的出口溫度。 通過(guò)模擬不同熱值危險(xiǎn)廢物的焚燒過(guò)程， 得到不同的煙氣溫度， 結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖3 煙氣出口溫度隨危險(xiǎn)廢物熱值變化情況Fig. 3 Variation of outlet smoke temperature along with heat value of hazardous waste

分析模擬計(jì)算結(jié)果可以得到， 當(dāng)危險(xiǎn)廢物的干基熱值從16 MJ／kg 變化至26 MJ／kg， 煙氣的出口溫度也從797 ℃升高至1 268 ℃， 二者幾乎呈線(xiàn)性關(guān)系。 在實(shí)際生產(chǎn)中， 煙氣溫度一般控制在850 ～1 250 ℃， 如果溫度過(guò)低， 會(huì)導(dǎo)致廢物燃燒不充分，不滿(mǎn)足危險(xiǎn)廢物無(wú)害化處置的要求， 而煙氣溫度過(guò)高， 則會(huì)超過(guò)焚燒設(shè)備的耐受范圍， 不利于設(shè)備的長(zhǎng)期使用。 根據(jù)模擬計(jì)算結(jié)果， 結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程的溫度控制要求， 危險(xiǎn)廢物配伍之后的干基熱值宜在16 ～26 MJ／kg。 當(dāng)危險(xiǎn)廢物熱值過(guò)低時(shí)， 則需要噴入部分柴油或天然氣作為補(bǔ)充燃料， 以確保危險(xiǎn)廢物的焚燒效果。

3.2 預(yù)熱空氣對(duì)煙氣溫度的影響

入爐空氣溫度對(duì)二燃室煙氣出口溫度存在直接影響， 也會(huì)對(duì)余熱鍋爐的蒸汽產(chǎn)量產(chǎn)生影響。 本研究采用不同的入爐空氣溫度對(duì)焚燒過(guò)程進(jìn)行模擬，為更直觀地了解入爐空氣溫度對(duì)煙氣出口溫度的影響， 回轉(zhuǎn)窯與二燃室兩處入爐空氣溫度保持一致，模擬計(jì)算結(jié)果如圖4 所示。

圖4 煙氣出口溫度隨入口空氣溫度變化情況Fig. 4 Variation of outlet smoke temperature alonge with temperature of transported air

根據(jù)模擬結(jié)果， 隨著入爐空氣溫度從25 ℃升高至85 ℃， 出口煙氣的溫度從1 123 ℃升高至1 165℃， 二者幾乎成線(xiàn)性關(guān)系。 煙氣溫度升高， 鍋爐的產(chǎn)汽量也會(huì)隨之增加， 因此， 焚燒裝置有余熱蒸汽或廢熱的情況下， 對(duì)入爐空氣進(jìn)行加熱處理， 可以提高鍋爐的產(chǎn)汽量， 也能提升焚燒裝置的能量利用效率。

3.3 氣固比與煙氣含氧量的關(guān)系

在焚燒過(guò)程中， 入爐空氣量的多少直接影響到焚燒過(guò)程效果， 當(dāng)入爐空氣量過(guò)小， 危險(xiǎn)廢物可能會(huì)燃燒不完全， 而入爐空氣量過(guò)大， 不僅會(huì)降低二燃室煙氣的出口溫度， 同時(shí)還會(huì)導(dǎo)致后續(xù)余熱回收系統(tǒng)和煙氣凈化系統(tǒng)的處置負(fù)荷增加， 不利于生產(chǎn)。 在實(shí)際生產(chǎn)中， 為了給焚燒爐提供合適的入爐空氣量， 一般將二燃室煙氣出口的含氧量控制在6%～10%。 由于二燃室出口煙氣的含氧量往往取決于入爐空氣的總量， 因此， 在模擬計(jì)算時(shí)， 維持入爐危險(xiǎn)廢物總量不變， 通過(guò)調(diào)整入爐空氣總量來(lái)考察煙氣出口溫度變化， 其中， 回轉(zhuǎn)窯空氣量與二燃室空氣量之比按2 ∶3 進(jìn)行輸入， 模擬結(jié)果如圖5 所示。

本研究采用氣固比（入爐空氣總量與危險(xiǎn)廢物質(zhì)量之比）來(lái)評(píng)估空氣量對(duì)焚燒過(guò)程的影響， 從模擬計(jì)算結(jié)果可知， 當(dāng)氣固比從6 變化到16 時(shí)， 煙氣含氧量從1.2% 逐漸升高至12.9%， 且在氣固比較低的條件下， 空氣量增加， 對(duì)于提高含氧量的趨勢(shì)越明顯。 結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)需要和模擬結(jié)果， 焚燒過(guò)程的氣固比維持在8 ～12 之間， 可以使得焚燒過(guò)程處于相對(duì)較優(yōu)的狀態(tài)。

圖5 氣固比與出口煙氣含氧量的關(guān)系Fig. 5 Relationship between gas-solid ratio and oxygen content of outlet smoke

4 結(jié)語(yǔ)

回轉(zhuǎn)窯焚燒是目前我國(guó)廣泛應(yīng)用的危險(xiǎn)廢物處置技術(shù)， 利用ASPEN PLUS 軟件建立了焚燒處置危險(xiǎn)廢物的模型， 并進(jìn)行了模擬計(jì)算， 計(jì)算結(jié)果表明： ①危險(xiǎn)廢物配伍之后， 干基熱值宜在16 ～26 MJ／kg 之間； ②在有余熱的情況， 應(yīng)盡可能提高入爐空氣的溫度， 可以提高焚燒裝置的能量利用效率； ③危險(xiǎn)廢物的焚燒過(guò)程在優(yōu)化狀態(tài)時(shí)， 氣固比在8 ～12 之間。 本研究的模擬計(jì)算結(jié)果能夠?yàn)楣こ淘O(shè)計(jì)和實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程提供理論支持和技術(shù)參考。