水泥窯協(xié)同處置廢棄物系列：哪些因素會影響廢棄物的燃盡率？

固廢網(wǎng)訊:廢棄物在分解爐內(nèi)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(nèi)的燃盡率呢？

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

燃盡率= 化學(xué)反應(yīng)速率×反應(yīng)時間

因此，影響化學(xué)反應(yīng)速率和反應(yīng)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(xué)反應(yīng)速率的因素

要想識別影響化學(xué)反應(yīng)速率的因素，首先要確認化學(xué)反應(yīng)的類型。與煤粉的燃燒相比，廢棄物含水率高、粒徑大、種類多，其燃燒過程更為復(fù)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，由于組分的差異，廢棄物燃燒過程差別較大，具體表現(xiàn)在含有固定碳的廢棄物在惰性加熱后水分干燥由顆粒內(nèi)部開始，繼而在保持顆粒形狀不變時發(fā)生高溫分解，最后是固定碳的燃燒；不含固定碳的廢棄物在惰性加熱后由顆粒表面開始水分干燥，繼而是熔融和分解過程。

總體來說，當(dāng)廢棄物顆粒形狀不變時（質(zhì)量燃燒），由于反應(yīng)物O2需要進入顆粒內(nèi)部反應(yīng)，產(chǎn)物CO2需要從顆粒內(nèi)部擴散出去，所以廢棄物的粒徑（或尺寸）、孔隙率（內(nèi)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，那么O2擴散到廢棄物表面的速率、顆粒比表面積及自身化學(xué)反應(yīng)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(fā)。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，這些廢棄物并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(fā)的水分、燃燒的產(chǎn)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(yīng)時間一定的情況下，必然會影響整體反應(yīng)速率。另外，隨著廢棄物處置量的增加，當(dāng)廢棄物不能很好替代煤粉時，其燃燒需要的氧氣及產(chǎn)生的煙氣量必然也會增大，這要求高溫風(fēng)機拉風(fēng)增大，廢棄物在分解爐內(nèi)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(dāng)水分蒸發(fā)完或差不多蒸發(fā)完之后其它反應(yīng)，如揮發(fā)分析出、固定碳燃燒反應(yīng)才能繼續(xù)。因此含水率越高，水分蒸發(fā)所需要的時間必然會越長。而水分的蒸發(fā)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(guān)鍵中的關(guān)鍵！與煤粉不同，廢棄物的尺寸通常都在mm，甚至cm以上。對于質(zhì)量燃燒，廢棄物尺寸的增大將會嚴重影響O2向廢棄物內(nèi)部的擴散、產(chǎn)物CO2向外的擴散；對于表面燃燒，廢棄物尺寸的增大將會降低顆粒反應(yīng)比表面積，從而減少影響其燃燒速率。國外某研究采用實驗規(guī)模的回轉(zhuǎn)窯研究了輪胎碎片、聚丙烯、木材等燃燒過程，表明這些物質(zhì)的外部表面積和顆粒厚度（或直徑）是影響其燃盡速率和燃盡時間的最主要因素。

2、影響反應(yīng)時間的因素

對于喂入分解爐內(nèi)的廢棄物來講，若小尺寸的廢棄物隨煙氣帶走，那么其停留時間基本與煙氣相當(dāng)，通常在5s以內(nèi)；若大尺寸的廢棄物落到分解爐錐部，并在分解爐內(nèi)部發(fā)生循環(huán)，那么其反應(yīng)時間就受到分解爐錐部風(fēng)速、分解爐結(jié)構(gòu)等影響，反應(yīng)時間通常在30s內(nèi)；若再大尺寸的廢棄物直接落入煙室，其反應(yīng)時間就受到回轉(zhuǎn)窯轉(zhuǎn)速等影響（后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(nèi)的停留時間顯然對于高含水率、大尺寸的廢棄物遠遠不夠。

3、總結(jié)

（1）廢棄物在分解爐內(nèi)的燃盡率受到化學(xué)反應(yīng)速率和反應(yīng)時間的影響

（2）對于化學(xué)反應(yīng)速率來講，不同廢棄物的反應(yīng)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(yīng)速率的最主要因素

（3）對于反應(yīng)時間而言，若廢棄物隨煙氣被帶走，其停留時間在5-7s以內(nèi)；若在分解爐內(nèi)發(fā)生循環(huán)，通常在30s以內(nèi)，這對于高含水率、大尺寸、低比表面積的廢棄物來講，反應(yīng)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(jīng)濟代價），因此如何延長廢棄物的反應(yīng)時間是提升廢棄物燃盡率的關(guān)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.

原標題:水泥窯協(xié)同處置廢棄物系列 之三：哪些因素會影響廢棄物的燃盡率？