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水泥窑协同处置
水泥窑协同处置废弃物系列:哪些因素会影响废弃物的燃尽率?
废弃物在分解炉内的燃尽率会影响其最终对降低煤耗的作用。那些因素会影响废弃物在分解炉内的燃尽率呢?
 
废弃物在分解炉内的燃尽率可以简化为一个固体物质在一定体积容器内的反应程度,因此燃尽率可以表述为:
 
燃尽率= 化学反应速率×反应时间
 
因此,影响化学反应速率和反应时间的因素都会影响废弃物在分解炉的燃尽率。
 
1、影响化学反应速率的因素
 
要想识别影响化学反应速率的因素,首先要确认化学反应的类型。与煤粉的燃烧相比,废弃物含水率高、粒径大、种类多,其燃烧过程更为复杂。
 
图1 固体燃料颗粒主要燃烧路径
 
不同种类废弃物的燃烧过程,归纳如下表所示。由下表可知,由于组分的差异,废弃物燃烧过程差别较大,具体表现在含有固定碳的废弃物在惰性加热后水分干燥由颗粒内部开始,继而在保持颗粒形状不变时发生高温分解,最后是固定碳的燃烧;不含固定碳的废弃物在惰性加热后由颗粒表面开始水分干燥,继而是熔融和分解过程。
 
总体来说,当废弃物颗粒形状不变时(质量燃烧),由于反应物O2需要进入颗粒内部反应,产物CO2需要从颗粒内部扩散出去,所以废弃物的粒径(或尺寸)、孔隙率(内部的通道)就非常重要;如果说废弃物颗粒会随着燃烧的进行改变形状(表面燃烧),如分裂、缩小等,那么O2扩散到废弃物表面的速率、颗粒比表面积及自身化学反应速率就很重要。除此,在燃烧之前首先都要惰性加热,即将废弃物的温度加热到着火点,此时废弃物的含水率影响就非常大,因为首先要将这部分水分加热、蒸发。因此以下三个点是影响废弃物燃烧速率的重要因素:
 
(1)废弃物处置量
 
随着废弃物处置量的增加,一个废弃物周围必然会包围更多的废弃物,而与煤粉不同,这些废弃物并不能很好的分散出去,因此会影响到O2向废弃物表面的扩散及蒸发的水分、燃烧的产物向外的扩散;同时,更多的废弃物意味着在相同烟气热焓的前提下,废弃物燃烧前的初始温度增加较慢,在反应时间一定的情况下,必然会影响整体反应速率。另外,随着废弃物处置量的增加,当废弃物不能很好替代煤粉时,其燃烧需要的氧气及产生的烟气量必然也会增大,这要求高温风机拉风增大,废弃物在分解炉内的停留时间也会缩短。
 
(2)废弃物含水率
 
含水率的影响不必多言,只有当水分蒸发完或差不多蒸发完之后其它反应,如挥发分析出、固定碳燃烧反应才能继续。因此含水率越高,水分蒸发所需要的时间必然会越长。而水分的蒸发速率又受到了颗粒温度、烟气中水分含量、颗粒比表面积等因素影响。
 
(3)废弃物的尺寸
 
可以说,废弃物的尺寸是关键中的关键!与煤粉不同,废弃物的尺寸通常都在mm,甚至cm以上。对于质量燃烧,废弃物尺寸的增大将会严重影响O2向废弃物内部的扩散、产物CO2向外的扩散;对于表面燃烧,废弃物尺寸的增大将会降低颗粒反应比表面积,从而减少影响其燃烧速率。国外某研究采用实验规模的回转窑研究了轮胎碎片、聚丙烯、木材等燃烧过程,表明这些物质的外部表面积和颗粒厚度(或直径)是影响其燃尽速率和燃尽时间的最主要因素。
 
2、影响反应时间的因素
 
对于喂入分解炉内的废弃物来讲,若小尺寸的废弃物随烟气带走,那么其停留时间基本与烟气相当,通常在5s以内;若大尺寸的废弃物落到分解炉锥部,并在分解炉内部发生循环,那么其反应时间就受到分解炉锥部风速、分解炉结构等影响,反应时间通常在30s内;若再大尺寸的废弃物直接落入烟室,其反应时间就受到回转窑转速等影响(后面会单独讨论这种情景,其危害更大)。就前两种情景而言,5-7s或30s以内的停留时间显然对于高含水率、大尺寸的废弃物远远不够。
 
3、总结
 
(1)废弃物在分解炉内的燃尽率受到化学反应速率和反应时间的影响
 
(2)对于化学反应速率来讲,不同废弃物的反应路径差别较大,但就分解炉处置废弃物而言,废弃物处置量、废弃物含水率和废弃物的尺寸是影响其反应速率的最主要因素
 
(3)对于反应时间而言,若废弃物随烟气被带走,其停留时间在5-7s以内;若在分解炉内发生循环,通常在30s以内,这对于高含水率、大尺寸、低比表面积的废弃物来讲,反应时间远远不够
 
(4)就实际情况而言,我们希望能够增加废弃物处置量,若其它条件不变,这将以牺牲废弃物燃尽率为代价;通过进一步降低废弃物水分和尺寸的难度都非常之大(需要付出更高的经济代价),因此如何延长废弃物的反应时间是提升废弃物燃尽率的关键!
 
参考资料:Cortada Mut, Maria del Mar. Sulfur Release during Alternative fuels Combustion in Cement Rotary Kilns[D]. Technical University of Denmark, 2017.
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