水泥窯協同處置廢棄物系列:哪些因素會影響廢棄物的燃盡率?

2020-12-06 北極星環保網

北極星固廢網訊:廢棄物在分解爐內的燃盡率會影響其最終對降低煤耗的作用。那些因素會影響廢棄物在分解爐內的燃盡率呢？

廢棄物在分解爐內的燃盡率可以簡化為一個固體物質在一定體積容器內的反應程度，因此燃盡率可以表述為:

燃盡率= 化學反應速率×反應時間

因此，影響化學反應速率和反應時間的因素都會影響廢棄物在分解爐的燃盡率。

1、影響化學反應速率的因素

要想識別影響化學反應速率的因素，首先要確認化學反應的類型。與煤粉的燃燒相比，廢棄物含水率高、粒徑大、種類多，其燃燒過程更為複雜。

圖1 固體燃料顆粒主要燃燒路徑

不同種類廢棄物的燃燒過程，歸納如下表所示。由下表可知，由於組分的差異，廢棄物燃燒過程差別較大，具體表現在含有固定碳的廢棄物在惰性加熱後水分乾燥由顆粒內部開始，繼而在保持顆粒形狀不變時發生高溫分解，最後是固定碳的燃燒；不含固定碳的廢棄物在惰性加熱後由顆粒表面開始水分乾燥，繼而是熔融和分解過程。

總體來說，當廢棄物顆粒形狀不變時（質量燃燒），由於反應物O2需要進入顆粒內部反應，產物CO2需要從顆粒內部擴散出去，所以廢棄物的粒徑（或尺寸）、孔隙率（內部的通道）就非常重要；如果說廢棄物顆粒會隨著燃燒的進行改變形狀（表面燃燒），如分裂、縮小等，那麼O2擴散到廢棄物表面的速率、顆粒比表面積及自身化學反應速率就很重要。除此，在燃燒之前首先都要惰性加熱，即將廢棄物的溫度加熱到著火點，此時廢棄物的含水率影響就非常大，因為首先要將這部分水分加熱、蒸發。因此以下三個點是影響廢棄物燃燒速率的重要因素：

（1）廢棄物處置量

隨著廢棄物處置量的增加，一個廢棄物周圍必然會包圍更多的廢棄物，而與煤粉不同，這些廢棄物並不能很好的分散出去，因此會影響到O2向廢棄物表面的擴散及蒸發的水分、燃燒的產物向外的擴散；同時，更多的廢棄物意味著在相同煙氣熱焓的前提下，廢棄物燃燒前的初始溫度增加較慢，在反應時間一定的情況下，必然會影響整體反應速率。另外，隨著廢棄物處置量的增加，當廢棄物不能很好替代煤粉時，其燃燒需要的氧氣及產生的煙氣量必然也會增大，這要求高溫風機拉風增大，廢棄物在分解爐內的停留時間也會縮短。

（2）廢棄物含水率

含水率的影響不必多言，只有當水分蒸發完或差不多蒸發完之後其它反應，如揮發分析出、固定碳燃燒反應才能繼續。因此含水率越高，水分蒸發所需要的時間必然會越長。而水分的蒸發速率又受到了顆粒溫度、煙氣中水分含量、顆粒比表面積等因素影響。

（3）廢棄物的尺寸

可以說，廢棄物的尺寸是關鍵中的關鍵！與煤粉不同，廢棄物的尺寸通常都在mm，甚至cm以上。對於質量燃燒，廢棄物尺寸的增大將會嚴重影響O2向廢棄物內部的擴散、產物CO2向外的擴散；對於表面燃燒，廢棄物尺寸的增大將會降低顆粒反應比表面積，從而減少影響其燃燒速率。國外某研究採用實驗規模的迴轉窯研究了輪胎碎片、聚丙烯、木材等燃燒過程，表明這些物質的外部表面積和顆粒厚度（或直徑）是影響其燃儘速率和燃盡時間的最主要因素。

2、影響反應時間的因素

對於餵入分解爐內的廢棄物來講，若小尺寸的廢棄物隨煙氣帶走，那麼其停留時間基本與煙氣相當，通常在5s以內；若大尺寸的廢棄物落到分解爐錐部，並在分解爐內部發生循環，那麼其反應時間就受到分解爐錐部風速、分解爐結構等影響，反應時間通常在30s內；若再大尺寸的廢棄物直接落入煙室，其反應時間就受到迴轉窯轉速等影響（後面會單獨討論這種情景，其危害更大）。就前兩種情景而言，5-7s或30s以內的停留時間顯然對於高含水率、大尺寸的廢棄物遠遠不夠。

3、總結

（1）廢棄物在分解爐內的燃盡率受到化學反應速率和反應時間的影響

（2）對於化學反應速率來講，不同廢棄物的反應路徑差別較大，但就分解爐處置廢棄物而言，廢棄物處置量、廢棄物含水率和廢棄物的尺寸是影響其反應速率的最主要因素

（3）對於反應時間而言，若廢棄物隨煙氣被帶走，其停留時間在5-7s以內；若在分解爐內發生循環，通常在30s以內，這對於高含水率、大尺寸、低比表面積的廢棄物來講，反應時間遠遠不夠

（4）就實際情況而言，我們希望能夠增加廢棄物處置量，若其它條件不變，這將以犧牲廢棄物燃盡率為代價；通過進一步降低廢棄物水分和尺寸的難度都非常之大（需要付出更高的經濟代價），因此如何延長廢棄物的反應時間是提升廢棄物燃盡率的關鍵！

參考資料：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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