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回转窑式医院垃圾焚烧炉设计

摘　要：给出了一个回转窑式医院垃圾焚烧系统的结构简图，介绍了其工作原理；针对中小规模医院的自备焚烧炉，进行了初步设计和热力计算；讨论了回转窑式医院垃圾焚烧炉中值得研究的问题。

关键词：医院垃圾；焚烧；回转窑

1　前言

医院垃圾含大肠杆菌、沙门氏菌、绿脓杆菌、痢疾杆菌、乙肝表抗等有害细菌和病毒，细菌总数(860～1400)×104个/cm3［1］，是一种有害固体废弃物。要破坏和去除有害细菌和病毒，宜采用高温焚烧处理。沈阳、鞍山等地曾分别建成多室式医院垃圾焚烧炉［1，2］，都是以煤为辅助燃料，让煤在辅助燃烧室中气化，以煤气来保证主燃室中医院垃圾的稳定、完全燃烧。近年来，国外也开发出一些适合于有害固体废弃物处理的焚烧炉［3］，其中，回转窑(Rotary Kiln)式焚烧炉具有结构简单、造价低、运行可靠、易控制、可保证燃烧稳定、完全等优点，并可建成大、中、小型回转窑式焚烧炉，分别适合于城市医院垃圾集中焚烧、大医院自备焚烧炉、中小医院自备焚烧炉。集中焚烧可采用高自动化程度、高治污水平的设备，并可回收热能，但投资与运行费用均较贵，需政府出资建设和维持运行，适合于对环境质量要求高的经济发达的大都市；自备焚烧炉分散处理，可减轻运输的压力，投资与运行费用均较低，易被用户接受，但是否能达到焚烧的要求，则是人们关注的问题。本文对回转窑式焚烧炉进行介绍，并且对适合于中小规模的医院自备焚烧炉，进行了初步设计和热力计算。

2　回转窑式焚烧炉的结构和原理

图1给出了参考国外最先进的回转窑式焚烧技术［3］而设计的医院垃圾焚烧炉结构。其基本工艺流程是：整个焚烧系统分为2个燃烧室，实现了分级燃烧。①一燃室窑体可转动，起到输送废弃物和加强窑内热质混合的作用，转速约0.5～1.0rpm。废弃物在其中的停留时间约0.5～1.5h。加料速度控制在使窑内废弃物体积占总体积的20%。一燃室中可用适量的油或煤气作为辅助燃料，也可掺烧废油和工业可燃废液。在一燃室中发生挥发份析出、裂解、可燃气部分燃烧、残炭燃烧并燃烬等反应。②从一燃室产生的可燃气进入二燃室，在二燃室中喷入少量的辅助燃料，以维持炉内高温，保证可燃气的迅速、完全反应。③烟气从二燃室排除后，经过烟囱直接排入空气。

图1　回转窑式医院垃圾焚烧炉结构

回转窑除了用于医院垃圾焚烧外，还可用于焚烧其它固体废弃物、泥浆、固液混合物等。一些现代的回转窑系统中，在2个燃烧室间设一个旋风室，使灰渣从出渣口排出，以防止高温二燃室中的结渣。二燃室可水平或垂直布置，其中还可喷入废油和工业可燃废液。目前回转窑的平均热负荷约17MW，美国有的回转窑热负荷已达44MW。

3　设计计算与说明

3.1　医院垃圾特点

(1)热值约7000kJ/kg。

(2)堆积密度约300～500kg/m3，设计计算中取堆积密度400kg/m3。

(3)含水份40%～50%，灰10%，PH值8～9。

3.2　设计目的与要求

(1)本焚烧炉适合于中小型医院的垃圾焚烧。医院垃圾产量40～100kg/d，按日处理量100kg/d设计。

(2)焚烧后杀死全部病原及各种微生物。

(3)减重率90%，减容率85%～90%，固体废弃物灰化。

3.3　焚烧炉主要结构尺寸

(1)一燃室：内径d1=0.4m　长度L1=1.2m　体积V1=0.151m3

(2)旋风室：内径d2=0.24m　长度L2=0.9m　体积V2=0.041m3

(对小型炉可不设旋风室)

(3)二燃室：内径d3=0.6m　长度L3=1.2m　体积V3=0.339m3

(4)一燃室倾角6.5°。

3.4　焚烧炉主要运行参数

(1)回转窑转速：0.5～5rpm(可调)。

(2)回转窑进料速度：使炉内垃圾体积控制在20%V1左右。

(3)固体废弃物在一燃室中停留时间为0.5～1.5h。

(4)可燃气在二燃室中停留时间为1～3s。

(5)处理速度：12kg/h，日运行约8h。

3.5　焚烧炉主要热力参数

(1)一燃室设计炉温：950℃。

(2)炉温系数：0.75。

(3)一燃室过量空气系数为0.5～2.5(可调)。

(4)设一燃室辅助燃料为油，取油的热值35000kJ/kg，燃油量0.07～0.08kg/kg。

(5)一燃室热负荷17kW，容积热负荷113kW/m3。

(6)二燃室设计炉温≥1000℃。

(7)二燃室空气系数为1.2～2.0(可调)。

(8)二燃室辅助燃料为油，燃油量0.03～0.05kg/kg。

(9)二燃室热负荷22kW，容积热负荷65kW/m3。

(10)总耗油量为0.10～0.13kg/kg，日耗油量10～13kg。

3.6　烟风系统

(1)由离心式鼓风机送风。风机型号：No.2.8，转速2900rpm，全压951Pa，流量1330m3/s。

(2)风机电机：型号Y90S—2，功率1.5kW。

(3)为简化系统，节省造价，空气不预热。

(4)采用烟囱自然排烟，烟囱内径150～200mm，高15～20m。由于余热未被利用，排烟温度大于300℃，当烟囱为20m高时，抽力大于110Pa。

3.7　炉窑转动装置

(1)只有一燃室转动，旋风室、二燃室不动。

(2)一燃室端盖不动，炉体转动。

(3)一燃室炉体由胶辊带动，转速可调。

(4)驱动电机功率3kW。

3.8　总体设计

(1)一燃室、旋风室、二燃室金属重分别约为60、30、80kg。

(2)占地约2.5×2=5m2(二燃室、鼓风机均侧面布置)。

(3)炉体高度约2m(不包括烟囱高度)。

4　值得研究的问题

回转窑在建材工业中已有较多的应用，在机械制造方面已取得了许多成功的经验。但是，对于医院垃圾这种特殊的燃料，在回转窑中的传热与燃烧机理尚有待深入的研究。可研究的问题有：

(1)如何利用燃烧后的高温烟气加热入炉垃圾。这涉及到二燃室的位置或烟气再循环等问题，在以后的改型设计中可考虑这方面的问题。

(2)回转窑中的传热机理。包括：气固间辐射与对流传热；气体与窑内壁之间的辐射与对流传热；窑壁与固体间的辐射与导热。由于固体在水平断面上混合得较好，可假设固体的流型趋近于柱塞流［4］。气固间对流传热可用湍流经验公式计算；气固间辐射可根据对气体空间的有效辐射率与吸收率来计算；窑壁与固体间的传热是一个周期性的过程，较难计算。只有在对这类问题定量研究的基础上，才能使设计精确、优化。

(3)烟气中污染物的含量。是否因为焚烧产生较多的SO2、NOx、H2S、HCl、二口　恶咽、呋喃等污染物，这有待实践的验证。在二燃室中采用辅助燃料，正是为了保证高温，避免二口　恶咽、呋喃等污染物的排放。

5　结束语

(1)最常见的垃圾焚烧炉——马丁炉的关键技术是，为了使垃圾在炉内翻动，要有耐高温、耐腐蚀、可传动的炉排，回转窑炉与之相比，没有炉排，可节省投资。

(2)另一种常见的垃圾焚烧炉——固定床(Fixed Hearth)，又称控制氧量燃烧(Controlled Air Oxidation，简称CAO)，尽管省略了炉排，但垃圾在炉内不能翻动，与CAO相比，回转窑内垃圾可以翻动，有利于热质传递，增强燃烧。

(3)文中设计的回转窑焚烧系统，可适合于中、小规模医院的自备垃圾焚烧炉。

作者单位：(华南理工大学，广州　510640)

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