热等离子体医疗废物处理系统的节能分析

(山东科技大学机械电子工程学院，山东青岛 266590)

1 节能分析

1.1 节能原理

医疗垃圾含水量大约在20%～40%之间[1]，含水量较大，如果将这些水分完全依靠等离子体炬(也即电能)汽化并进一步加热到1 600 ℃以上的高温时，电耗极高[2]。但如果当将水分被提前采用其他方法预热蒸发成为蒸汽，则因为避开了能耗很高的主燃烧室内水分的汽化潜热(水分的汽化潜热比显热高的多)，就可以大幅度的降低其加热过程所需的电耗[3]。本装置采用余热回收获得高温空气直接预热垃圾的方法则因为大幅度降低了垃圾中水分的汽化需热，一定程度上降低了垃圾熔融需热和垃圾分解需热，可以极大的降低整个系统的电能的消耗。传统的等离子体医疗废物处理系统，垃圾不经过预热处理进入气化炉后被干燥，少部分热量来自氧化层的燃烧热，大部分来自等离子体炬将电能转化成的热能，消耗大量电能。同时气化熔融炉底部需要高温氛围将炉渣熔融，也需要等离子体炬将大量电能转化成热能。

1.2 回转式垃圾预热器传热机理

转动的预热器内发生着复杂的热量交换过程，垃圾物料与高温空气、烟气间既有直接热交换过程，也有蓄热式传热过程[4]：随着垃圾预热器的旋转，预热器表面周期性地与高温空气、烟气及垃圾物料接触，内壁表面从高温空气与烟气的混合气体中吸收热量，经过旋转后，又传递给垃圾物料。同时，高温空气与医疗垃圾之间直接进行热量交换[5]。

1.3 一维轴向传热模型

根据上文中描述的热量传递过程，沿垃圾预热器轴长方向建立一维稳态模型[6]。

则关于空气能量守恒式为：

(1)

关于垃圾物料的能量守恒式为：

(2)

式中，hc为对流传热系数，(W/(m2·K))；A为面积，(m2)；T为温度，(K)；ε为物体的发射率；σ为斯忒藩—玻尔兹曼常量其值为5.67×10-8W/(m2·K4)；l为沿轴长方向长度；cP为定压比热容，(kJ/(kg·K))。

角标：mw为医疗垃圾物料；tw为壁面接触的物料；cw为被覆盖的窑壁面；ws为物料表层；ew为裸露窑壁面；a为高温空气；w为内壁面；sh为外壁面；e为外界环境。下标中的符号“→”表示两者间的传热路径；z为预热器轴长方向。

1.4 各项换热系数的计算

1.4.1 对流及导热换热系数

(3)

(4)

式中，λmw为物料导热系数，W/(m·K)；D为预热器内径，(m)；R为预热器内半径，(m)；θ为医疗垃圾半填充角，(rad)；ω为垃圾预热器转速，(s-1)；αmw为医疗垃圾热扩散率(m2/s)。

1.4.2 辐射换热系数

预热器内的辐射换热主要包括高温空气与医疗垃圾表层间的辐射换热[7]、高温空气与裸露的预热器壁面间的辐射换热、裸露壁面与医疗垃圾表层间的换热、外壁面与环境的辐射换热。发射系数分别为：

(5)

(6)

(7)

式中,υ为医疗垃圾表面与裸露内壁面面积之比。

U=(1-εa)(1-εw)(υ(1-εa)(1-εws)+

(1-υ))

(8)

(9)

2 模型计算结果与分析

试验设备为内径0.8 m，外径1.2 m，长6 m的回转式预热器，高温空气与烟气的混合气体在预热器内部与医疗垃圾逆流流动。试验中，向预热器中通入不同温度的高温空气，记录平均内壁温度、垃圾物料的温度并将由温度查得的物性参数带入模型中，则计算出各部分热量所占总热量的百分。

当运行稳定时，回转式预热器的壁温及医疗垃圾的温度基本保持不变。由于高温空气与医疗垃圾之间的换热为系统主要换热方式，高温空气与医疗垃圾之间的对流、辐射换热占换热总量的比例大于90%，裸露壁面和被覆盖避免与垃圾医疗垃圾之间的换热比例小于10%。由于辐射换热与温度的四次方成正比，当高温空气和医疗垃圾温度升高时，高温空气和医疗垃圾之间的辐射换热热阻减小，辐射换热在总换热量中的比例随之升高。随着高温空气温度的升高，医疗垃圾在预热阶段获得的热量也大幅度增加。当高温空气温度在850 ℃～1 050 ℃时，医疗垃圾获得的总热量相当于减少了17%～28.8%的等离子体炬电耗。

3 结束语

医疗垃圾不仅危害大，而且含水量高，等离子体系统处理会消耗大量电能，文中通过实验，结合传热模型，计算得到利用烟气余热预热医疗垃圾会减少17%～28.8%的等离子体炬电耗。