基于能质平衡模型的固废处理工艺优化方法

1.本发明涉及固废处理技术领域，尤其涉及一种基于能质平衡模型的固废处理工艺优化方法。

背景技术：

2.固体废弃物的高效清洁处理是我国生态文明和美丽中国建设的重要需求。我国固体废弃物的产量十分巨大并有逐年递增的趋势。其中，有机固体废物具有较高的热值且含有有机成分，具有一定的回收利用价值。然而，在有机固体废物的实际处理过程中，受多种因素影响，其综合利用效果不佳，造成大量资源浪费，影响生态环境。而钢铁行业的除尘灰含有铁、碳、锌等有价元素，通过回转窑工艺、转底炉工艺、oxy cup工艺以及dk工艺虽然都能在一定程度上回收钢企尘泥，但是都存在不足。
3.近年来一些学者提出将有机固废与含铁固废协同处理的方法，具有较好科学性，但对于有机固废和含铁固废的协同处理，目前尚未形成规律性模型。目前的研究多是集中于有机固废燃烧特性，对含铁粉尘与有机固废的协同处理研究较少，尤其是在大规模固废协同处理方面，对协同处置多种固废的研究不够深入，缺乏有效的数据支撑，对含铁粉尘与有机固体废弃物进行大型的协同处理试验，能够为多源有机固废和含铁粉尘的资源化、减量化提供有效的理论依据。为了真实反映固废处理炉协同处理有机固废与除尘灰的实际情况，探究一种简单易行的固废处理炉能质平衡模型，该发明提出了一种处理炉内的主要反应行为的固废处理炉能质平衡计算模型。该模型计算方便，对现场处理炉的原料配比及产物预测具有重要的指导意义。

技术实现要素：

4.为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于能质平衡模型的固废处理工艺优化方法。能够在理论上通过原料物料的组成及用量，推算出产物的组成及相应产量，并设计出合适的熔剂结构以及二次燃烧率，以期通过最小的能耗实现最大的处理效益，可以为后续生产试验提供有效的数据支撑，减少试验的试错成本，提高试验的开展进度，便于对后续的基础试验研究及相应大规模工业试验进行实验规划和设计。
5.为实现上述发明目的，本发明提供了一种基于能质平衡模型的固废处理工艺优化方法，所述固废处理工艺包括将有机固废和含铁粉尘置于铁浴熔融炉中热解，得到铁水、烟气和炉渣，所述优化方法包括以下步骤：
6.s1.设定初始有机固废和含铁粉尘的投料量及对应的热解工艺参数；
7.s2.根据所述有机固废和含铁粉尘中的灰分占比，依据物料平衡原则，计算得到当前热解工艺参数下单位时间生成的炉渣量；根据炉渣量和炉渣二元碱度固定的原则，计算当前工艺条件下对应的熔剂组成及添加量；
8.s3.先预设一个二次燃烧率，并计算在该二次燃烧率预设值下炉内热解是否满足能质平衡，若平衡则该二次燃烧率预设值即为实际工艺参数；若不平衡，则更换所述二次燃
烧率的预设值，直至满足能质平衡；最后根据确定好的二次燃烧率，计算得到热解所需的耗氧量；
9.s4.根据优化后的熔剂组成及添加量、耗氧量及对应的有机固废和含铁粉尘的投料量，进行固废处理。
10.作为本发明的进一步改进，在步骤s2中，所述炉渣量w
渣
的计算公式为：
[0011][0012]
所述炉渣二元碱度的计算公式为：
[0013][0014]
作为本发明的进一步改进，在步骤s3中，所述二次燃烧率的预设值选择范围为20％-45％。
[0015]
作为本发明的进一步改进，在步骤s3中，所述能质平衡包括物料平衡和热量平衡，所述物料平衡的输入项包括有机固废用量w1、含铁粉尘用量w2、氧气用量wo、氮气用量wn和熔剂用量w
flux
；所述物料平衡的输出项包括烟气生成量w
气
、炉渣产生量w
渣
和铁水产生量w
铁
；
[0016]
所述热量平衡的输入项包括一次燃烧热q
一
和二次燃烧热q
二
；所述热量平衡的输出项包括烟气热损q
气
、炉渣热损q
渣
、炉体热损q
炉
、反应热损q
解
、升温热损q
升
和铁水热损q
铁
。
[0017]
作为本发明的进一步改进，所述氮气用量wn的计算方法为：kg；
[0018]
所述铁水产生量w
铁
的计算方法为：
[0019]w铁
×w预，fe
＝w2×
tfe
dust
％+w1×
ash％
×
tfe
ash
％；
[0020]
所述烟气生成量w
气
计算方法为：
[0021]
所述一次燃烧热量q
一
的计算方法为：q
一
＝w1×
c％
×
(1-μc)
×
9800，其中μc是铁水的含碳量，碳素燃烧生成co放热量9800kj/kg c；
[0022]
所述二次燃烧热q
二
的计算方法为：
[0023]
其中 10120是co氧化成co2放出的热，kj/kg；13440是h2氧化成h2o放出的热， kj/kg；
[0024]
所述烟气热损q
气
的计算方法为：
[0025]
其中c
co
是co的热容，c
h2
是h2的热容，c
n2
是n2的热容，c
co2
是co2的热容，c
h2o
是h2o的热容，t是
烟气出口温度；
[0026]
所述炉渣热损q
渣
的计算方位为q
渣
＝w
渣
×c渣
，其中c
渣
是炉渣的热容；
[0027]
所述反应热损(q解)的计算方法为：
[0028]
其中，有机固废热解所需热1320kj/kg固废，石灰石分解吸热4039.6kj/kg co2，氧化铁分解吸热5144.3kj/kg，sio2分解所需热30789.9kj/kg si；脱硫热耗8300kj/kg s；
[0029]
所述升温热损q
升
的计算方法为：其中t1熔池温度，t0是氧气初始温度，c
o2
是氧气热容；
[0030]
所述铁水热损q
铁
的计算方法为：
[0031]q铁
＝w
fe
×
1240
×
10％+w2×
tfe
dust
％
×
2712，其中，炉内原先装有w
fe
铁水用于生产且一直留存，铁水比热为1240kj/kg铁，预装铁水会损失有10％的热量，喷入的含铁粉尘中的铁氧化物会被c进行直接还原fe2o3+c
→
fe+co，耗热2712kj/kg；
[0032]
所述炉体热损q
炉
的计算方法为：q
炉
＝q
入
×
10％＝(q
一
+q
二
)
×
10％，其中，整体处理炉因导热、辐射方式造成的热量损失设定在10％。
[0033]
作为本发明的进一步改进，炉渣中cao的含量w
cao
按照以下方法计算：
[0034]
其
[0035]
中，cao
dust
％是含铁粉尘中cao的质量占比，cao
ash
％是有机固废灰分中的cao在灰分中的质量占比，w
flux
是使用的熔剂质量，caco3％则是熔剂中的碳酸钙质量占比；
[0036]
sio2的含量w
sio2
按照以下方法计算：
[0037]
其中， sio
2dust
％是含铁粉尘中sio2的质量占比，sio
2ash
％是有机固废灰分中的sio2在灰分中的质量占比，sio2％则是熔剂中的sio2质量占比；
[0038]
mgo的含量w
mgo
按照以下方法计算：
[0039]wmgo
＝w2×
mgo
dust
％+w1×
ash％
×
mgo
ash
％，其中，mgo
dust
％是含
[0040]
铁粉尘中mgo的质量占比，mgo
ash
％是有机固废灰分中的mgo在灰分中的质量占比；
[0041]
al2o3的含量w
al2o3
按照以下方法计算：
[0042]
wal2o3＝w2×
al2o
3dust
％+w1×
ash％
×
al2o
3ash
％，其中，al2o
3dust
％是含
[0043]
铁粉尘中al2o3的质量占比，al2o
3ash
％是有机固废灰分中的al2o3在灰分中的质量占比；
[0044]
cas的含量w
cas
按照以下方法计算：其中，cas
dust
％是含铁粉尘中cas的质量占比，s％是有机固废中的s的质量占比；
[0045]
cacl2的含量w
cacl2
按照以下方法计算：其中，cl％是有机固废中的cl的质量占比。
[0046]
作为本发明的进一步改进，所述铁浴熔融炉包括内部盛有铁水的炉体以及与所述炉体内的上部空腔连通的氧气输送组件；所述炉体内的所述铁水的上表面含有熔渣层；所述含铁粉尘和部分所述有机固废通过喷的输出端插入所述熔渣层中；剩余所述有机固废通过炉体顶部的投料口投于所述熔渣层上方。
[0047]
作为本发明的进一步改进，在步骤s1中，所述热解工艺参数包括氮气用量、熔池温度、氧气初始温度、烟气出口温度。
[0048]
作为本发明的进一步改进，在步骤s1中，所述有机固废包括生物质、废旧塑料、橡胶；所述含铁粉尘包括电炉灰、氧化铁皮、精炼灰、除尘灰。
[0049]
作为本发明的进一步改进，所述有机固废和所述含铁粉尘的质量比为(1
‑ꢀ
5):1。
[0050]
本发明的有益效果是：
[0051]
1.本发明提供的基于能质平衡模型的固废处理工艺优化方法，通过原料物料的组成及用量，推算出产物的组成及相应产量，并设计出合适的熔剂结构以及二次燃烧率，以期通过最小的能耗实现最大的处理效益，可以为后续生产试验提供有效的数据支撑，减少试验的试错成本，提高试验的开展进度，便于对后续的基础试验研究及相应大规模工业试验进行实验规划和设计。
[0052]
2.本发明利用铁浴熔池的高温将钢铁粉尘中易挥发的金属元素与铁元素分离，实现多金属元素的高效分离与增值利用，还能够同时协同处理有机固废，使有机固废快速转化为co、h2等小分子气体，实现对有机固废和钢铁粉尘的高效资源化利用。本发明通过控制二次燃烧率范围，使得最大程度得到还原铁水的情况下，还能保证产生足够量的合成气，从而实现最大的固废处理效益。
[0053]
3.本发明可用于固废处理炉能质平衡计算，该模型综合考虑了固废在处理炉内部实际反应情况，通过大量的理论分析得到固废在炉内各种反应及相应产物，并与处理炉实际环境结合起来，提出了固废处理炉的物料平衡和能量平衡计算方法。基于原料的工业分析及元素分析结果，按照处理炉内的主要反应行为，建立了固废处理炉能质平衡计算模型。该模型计算方便，对现场处理炉的原料配比及产物预测具有重要的指导意义。同时对于相应参数的修改，亦可用于其它类型替代原料的评价。
附图说明
[0054]
图1为本发明基于能质平衡模型的固废处理工艺优化方法的流程示意图。
[0055]
图2为本发明基于能质平衡模型的固废处理工艺采用的一种铁浴熔融炉的结构示意图。
[0056]
附图标记
[0057]
100、钢铁粉尘与有机固废低碳协同处理熔融炉；11-第一干燥装置；12
‑ꢀ
第一破碎
装置；13-筛分装置；21-第二干燥装置；22-第二破碎装置；23-造块装置；31-第三干燥装置；41-钢铁粉尘；42-钢铁粉尘喷吹罐；43-钢铁粉尘喷；51-有机固废颗粒；52-有机固废喷吹罐；53-有机固废喷；61-投料机构； 62-有机固废投料口；63-有机固废块体；71-炉体；711-排气口；712-出渣口； 713-出铁口；714-挡渣滑板；72-铁水；73-熔渣层；74-氧气罐；75-氧；81
‑ꢀ
汽化冷却烟道；82-除尘装置；83-尾气处理装置；84-粉尘收集仓；85-储气柜。
具体实施方式
[0058]
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合具体实施例对本发明进行详细描述。
[0059]
在此，还需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在具体实施例中仅仅示出了与本发明的方案密切相关的结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。
[0060]
另外，还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
[0061]
请参阅图1和2所示，本发明提供的固废处理炉的能质平衡模型可依赖于如图1所示的钢铁粉尘与有机固废低碳协同处理熔融炉(具体可参见专利 cn202210452266.4)，包括依次连通的进料单元、铁浴热解单元和回收单元；铁浴热解单元包括内部盛有铁水72的炉体71以及与炉体71内的上部空腔连通的氧气输送组件；进料单元包括分别连通炉体71的钢铁粉尘喷吹组件、有机固废喷吹组件以及开设于炉体71顶部的有机固废投料口62；回收单元包括与开设于炉体71肩部的排气口711相连通的烟气回收组件。
[0062]
该熔融炉还包括有机固废预处理机构和钢铁粉尘预处理机构。其中，有机固废预处理机构包括与有机固废喷吹组件相连通的筛分装置13、与有机固废投料口62相连通的造块装置23、分别与筛分装置13和造块装置23的输入端连通的第一破碎装置12和第二破碎装置22、分别与第一破碎装置12和第二破碎装置22连通的第一干燥装置11和第二干燥装置21。如此设置，对于容易破碎且便于喷吹的锯末、秸秆、稻壳、木材等生物质类有机固废，可以依次通过第一干燥装置11和第一破碎装置12进行干燥与破碎，再经过筛分装置13筛分成粒径≤6mm的有机固废颗粒51，然后通过有机固废喷吹组件直接喷吹至熔融炉内。而对于破碎难度大的有机固废或者重量过轻不易喷吹的废塑料、废橡胶、泡沫棉等有机固废，则可以依次通过第二干燥装置21 和第二破碎装置22进行干燥与初步破碎处理，再经过造块装置23进行造块，形成粒径为10～20mm的有机固废块体63，再通过投料机构61由有机固废投料口62直接投入熔融炉内。钢铁粉尘预处理机构包括第三干燥装置31，用于对钢铁粉尘41进行干燥处理。在本实施例中，各干燥装置均为流化床，在其他实施例中，可以根据实际需要进行选择与调整。通过上述方式，使用本实施例提供的钢铁粉尘与有机固废低碳协同处理熔融炉能够对不同类型的有机固废进行针对性处理，保证各类有机固废均能够有效进入熔融炉内参与反应，提高其利用效率，进而提高最终收集到的合成气的热值。
[0063]
更具体地，钢铁粉尘喷吹组件包括钢铁粉尘喷吹罐42以及输入端与钢铁粉尘喷吹罐42的输出端连通的钢铁粉尘喷43，用于将钢铁粉尘41喷入铁浴热解单元。该钢铁粉尘
41可以为电炉除尘灰、精炼炉布袋灰等含铁除尘灰中的一种或多种混合。有机固废喷吹组件包括有机固废喷吹罐52以及输入端与有机固废喷吹罐52的输出端连通的有机固废喷53，其中，有机固废喷吹罐52的输入端与筛分装置13的输出端连通，用于将干燥、破碎、筛分后的有机固废喷入铁浴热解单元。钢铁粉尘喷吹罐42和有机固废喷吹罐 52则分别与氮气罐相连通，用于使氮气作为钢铁粉尘和有机固废的载体。
[0064]
有机固废投料口62的顶部还和两级投料机构61相连通，该两级投料机构61包括与所述有机固废投料口62的顶部依次连通的二级投料罐和一级投料罐，用于防止投料过程中的气体泄漏。该投料机构61的输入端与造块装置 23的输出端相连通，用于将造块后的有机固废块体63通过投料机构61由有机固废投料口62直接投入熔融炉内。
[0065]
氧气输送组件包括氧气罐74以及输入端与氧气罐74的输出端连通的氧75，用于将氧气输送至炉体71内。其中，氧75的数量为四个，四个氧75均匀分布于炉体71的四周，并穿过炉体71的侧壁斜插入炉体71内部，有效避免了单个氧75导致的喷溅太高的问题。
[0066]
炉体71内预先装入了30t温度达1500℃的铁水72，铁水72的温度场非常稳定，而且铁水72能将有机固废快速裂解，在有机固废的裂解过程中，铁水72扮演着分散剂、催化剂、有害元素吸收剂、快速反应载体的重要作用。在铁水72的上表面还含有熔渣层73，可以吸收有机固废和钢铁粉尘带入炉内的s等有害元素，而且具有优秀的保温作用。
[0067]
钢铁粉尘喷43和有机固废喷53的输出端均插入该熔渣层73中，并位于熔渣层73和铁水72层的交界面处。通过这样的设置方式，既能够减少铁水72热流对喷的冲刷腐蚀，又能够使二次燃烧在熔渣层73中进行，而不是在熔渣层73上方的自由空间中，从而使燃烧热量直接被炉渣吸收，不仅具有更高的热利用效率，也使燃烧热量更容易传递给铁水72，不需要设置复杂的炉体71结构即可有效维持熔池温度和热量平衡，且进一步提高了有机固废和钢铁粉尘的反应速率，有效减少了焦油等难处理成分的产生，提高了合成气的品质，以满足实际应用的需求。与此同时，氧75的输出端设置于熔渣层73的上方，一方面能够使通过氧75喷入的氧原子进入铁水72与有机固废裂解产生的溶解碳生成co；另一方面，还能够使氧气与生成的部分co、h2发生二次燃烧释放热量来为整个熔池环境补热。
[0068]
烟气回收组件包括与排气口711的输出端依次连通的汽化冷却烟道81、除尘装置82和尾气处理装置83；其中，排气口711共有两个，相对设置于炉体71的肩部。如此设置，不仅便于烟气顺利排出，还能够使由两个排气口 711排出的高温烟气先通过汽化冷却烟道81进行初步冷却，随后烟气进入除尘装置82，收集富含易挥发金属元素的粉尘。图1中仅以一侧排气口711为例绘制了相应结构的连接示意图，另一侧排气口711的连接方式与之相同，在图1中并未示出。由于使用的有机固废种类繁多，存在含有有害元素cl的有机固废，部分cl会进入烟气，因此采用湿法除尘设备作为除尘装置82，以便通过湿法除尘将cl洗涤掉。除尘后得到的富含易挥发金属元素的粉尘将被收集在粉尘收集仓84内。同时，除尘后的尾气将通过尾气处理装置83进行脱硫脱硝处理，该尾气处理装置83可以采用活性炭处理工艺，使尾气达到超低排放标准后将其收集到储气柜85中。储气柜85里收集的合成气中富含 co和h2，具有较高的热值，可以用于钢铁企业内部的各项设备供热，也可用于发电。
[0069]
在炉体71的侧壁设有分别供炉渣和铁水72排出的出渣口712和出铁口 713，出渣口712和出铁口713都采用挡渣滑板714来控制出铁出渣，且出渣口712的位置高于铁水72的
液面，以便在每次出渣时在炉内留存一部分渣用来保温，以减少铁水72的热量损失。
[0070]
下面对上述钢铁粉尘与有机固废低碳协同处理熔融炉100的具体处理方法进行说明：
[0071]
先对待处理的有机固废按照进行分类，再根据不同的有机固废类别对其分别进行预处理，形成相应的有机固废颗粒51和有机固废块体63，然后使其分别通过有机固废喷53和有机固废投料口62进入熔融炉内参与反应。同时，钢铁粉尘41通过钢铁粉尘喷43进入炉体71中，氧气罐74中的氧气也通过氧75进入炉体71中，使钢铁粉尘41和各类有机固废在铁浴条件下进行热解反应。
[0072]
在上述过程中，炉体71内盛有铁水72，且铁水72的上表面含有熔渣层 73，氧75的输出端位于熔渣层73的上方，钢铁粉尘喷43和有机固废喷53的输出端则均插入熔渣层73中，从而使二次燃烧在熔渣层73中进行，燃烧热量可以直接被炉渣吸收，不仅具有更高的热利用效率，燃烧热量更容易传递给铁水72，在有效维持熔池温度和热量平衡的同时也进一步提高了有机固废和钢铁粉尘的反应速率。经热解反应产出的富含易挥发金属元素的粉尘和富含co、h2的合成气则通过烟气回收组件进行回收。
[0073]
通过上述方式，钢铁粉尘与有机固废低碳协同处理熔融炉100能够实现对有机固废和钢铁粉尘41的协同处理，并对产物进行有效收集和再利用，实现了对多种固废的高效资源化利用。
[0074]
基于上述熔融炉的处理过程，本发明提供了一种基于能质平衡模型的固废处理工艺优化方法，对其热解工艺参数进行优化，主要包括两个循环计算：熔剂结构计算和二次燃烧率计算。
[0075]
(1)熔剂结构计算：采用渣量和炉渣二元碱度固定的原则，结合固废灰分，计算当前工艺条件下合适的熔剂结构和添加量。
[0076]
(2)二次燃烧率计算：在炉内热平衡的基础上，控制二次燃烧率，计算处理炉耗氧量和烟气量。
[0077]
所述固废处理工艺包括将有机固废和含铁粉尘置于铁浴熔融炉中热解，得到铁水、烟气和炉渣。所述优化方法具体包括以下步骤：
[0078]
s1.设定初始有机固废和含铁粉尘的投料量及对应的热解工艺参数；
[0079]
s2.根据所述有机固废和含铁粉尘中的灰分占比，依据物料平衡原则，计算得到当前热解工艺参数下单位时间生成的炉渣量；根据炉渣量和炉渣二元碱度固定的原则，计算当前工艺条件下对应的熔剂组成及添加量；
[0080]
s3.先预设一个二次燃烧率，并计算在该二次燃烧率预设值下炉内热解是否满足能质平衡，若平衡则该二次燃烧率预设值即为实际工艺参数；若不平衡，则更换所述二次燃烧率的预设值，直至满足能质平衡；最后根据确定好的二次燃烧率，计算得到热解所需的耗氧量；所述二次燃烧率的预设值选择范围为20％-45％；
[0081]
s4.根据优化后的熔剂组成及添加量、耗氧量及对应的有机固废和含铁粉尘的投料量，进行固废处理。
[0082]
如此操作，利用铁浴熔池的高温将钢铁粉尘中易挥发的金属元素与铁元素分离，实现多金属元素的高效分离与增值利用，还能够同时协同处理有机固废，使有机固废快速转化为co、h2等小分子气体，实现对有机固废和钢铁粉尘的高效资源化利用。本发明通过控
制二次燃烧率范围，使得最大程度得到还原铁水的情况下，还能保证产生足够量的合成气，从而实现最大的固废处理效益。
[0083]
固废处理炉能质平衡模型主要建立在固废工业分析和元素分析两个数据上；其中工业分析包括4个子项，即灰分含量及组成(a)、空气干燥基水含量 (m
ar
)、挥发分(v)、固定碳(fc)；元素分析包括6个子项，即c元素含量、h元素含量、o元素含量、n元素含量、s元素含量、cl元素含量。
[0084]
固废处理炉的能质平衡是指在铁浴处理炉生产的物料平衡和热量平衡；为此，建立了物料平衡和热量平衡；物料平衡表分为输入和输出两项，所述物料平衡的输入项包括有机固废用量w1、含铁粉尘用量w2、氧气用量wo、氮气用量 wn和熔剂用量w
flux
；所述物料平衡的输出项包括烟气生成量w
气
、炉渣产生量 w
渣
和铁水产生量w
铁
；
[0085]
热量平衡表分为输入和输出两项，所述热量平衡的输入项包括一次燃烧热 q
一
和二次燃烧热q
二
；所述热量平衡的输出项包括烟气热损q
气
、炉渣热损q 渣
、炉体热损q
炉
、反应热损q
解
、升温热损q
升
和铁水热损q
铁
。
[0086]w输入
＝w
输出
[0087]q输入
＝q
输出
[0088]
其中，w
输入
＝w1+w2+wn+wo+w
flux
，w
输出
＝w
气
+w
渣
+w
铁
，
[0089]q输入
＝q
一
+q
二
，q
输出
＝q
气
+q
渣
+q
炉
+q
解
+q
升
+q
铁
[0090]
通过模型计算出不同原料配比下的二次燃烧率、熔剂种类及用量，计算出不同原料配比下的产物量，对比产物量及相应消耗可以为相应生产操作提供理论依据，并依次判断原料配比是否合适；据此，可以实现原料配比的优化选择。
[0091]
所述炉渣量w
渣
的计算公式为：
[0092][0093]
所述炉渣二元碱度的计算公式为：
[0094][0095]
根据物料的灰分占比可以算出每小时处理炉内可生成的渣量，其中固废的灰分中除zno会在高温下还原气化进入烟气，铁会进入铁水，其余部分将进入渣中，同时为调节炉渣成分会加入石灰石，同时吸收cl与s元素全部进入渣中。为使有足够的cao来吸收cl及s，同时使炉渣的二元碱度达到1.2，根据物质平衡输入项判断是否需要额外的加入石灰石或硅石。
[0096]
炉渣中cao的含量w
cao
按照以下方法计算：
[0097]
其
[0098]
中，cao
dust
％是含铁粉尘中cao的质量占比，cao
ash
％是有机固废灰分中的 cao在灰分中的质量占比，w
flux
是使用的熔剂质量，caco3％则是熔剂中的碳酸钙质量占比；
[0099]
sio2的含量w
sio2
按照以下方法计算：
[0100]
其中， sio
2dust
％是含铁粉尘中sio2的质量占比，sio
2ash
％是有机固废灰分中的sio2在灰分中的质量占比，sio2％则是熔剂中的sio2质量占比；
[0101]
mgo的含量w
mgo
按照以下方法计算：
[0102]wmgo
＝w2×
mgo
dust
％+w1×
ash％
×
mgo
ash
％，其中，mgo
dust
％是含
[0103]
铁粉尘中mgo的质量占比，mgo
ash
％是有机固废灰分中的mgo在灰分中的质量占比；
[0104]
al2o3的含量w
al2o3
按照以下方法计算：
[0105]
其中，al2o
3dust
％是含铁粉尘中al2o3的质量占比，al2o
3ash
％是有机固废灰分中的al2o3在灰分中的质量占比；
[0106]
cas的含量w
cas
按照以下方法计算：其中，cas
dust
％是含铁粉尘中cas的质量占比，s％是有机固废中的s的质量占比；
[0107]
cacl2的含量w
cacl2
按照以下方法计算：其中，cl％是有机固废中的cl的质量占比。
[0108]
固废处理炉能质平衡模型中的w
zno
按照以下方法计算： w
zno
＝w2×
zno
dust
％，其中zno
dust
％是含铁粉尘中的zno的质量占比。
[0109]
所述氮气用量wn的计算方法为：kg；
[0110]
所述铁水产生量w
铁
的计算方法为：
[0111]w铁
×w预，fe
＝w2×
tfe
dust
％+w1×
ash％
×
tfe
ash
％；
[0112]
所述烟气生成量w
气
计算方法为：
[0113]
所述一次燃烧热量q
一
的计算方法为：q
一
＝w1×
c％
×
(1-μc)
×
9800，其中μc是铁水的含碳量，碳素燃烧生成co放热量9800kj/kg c；
[0114]
所述二次燃烧热q
二
的计算方法为：
[0115]
其中 10120是co氧化成co2放出的热，kj/kg；13440是h2氧化成h2o放出的热， kj/kg；
[0116]
所述烟气热损q
气
的计算方法为：
[0117]
其中c
co
是co的热容，c
h2
是h2的热容，c
n2
是n2的热容，c
co2
是co2的热容，c
h2o
是h2o的热容，t是烟气出口温度；
[0118]
所述炉渣热损q
渣
的计算方位为q
渣
＝w
渣
×c渣
，其中c
渣
是炉渣的热容；
[0119]
所述反应热损(q解)的计算方法为：
[0120]
其中，有机固废热解所需热1320kj/kg固废，石灰石分解吸热4039.6kj/kg co2，氧化铁分解吸热5144.3kj/kg，sio2分解所需热30789.9kj/kg si，脱硫热耗8300kj/kg s；
[0121]
所述升温热损q
升
的计算方法为：其中t1熔池温度，t0是氧气初始温度，c
o2
是氧气热容；
[0122]
所述铁水热损q
铁
的计算方法为：
[0123]q铁
＝w
fe
×
1240
×
10％+w2×
tfe
dust
％
×
2712，其中，炉内原先装有w
fe
铁水用于生产且一直留存，铁水比热为1240kj/kg铁，预装铁水会损失有10％的热量，喷入的含铁粉尘中的铁氧化物会被c进行直接还原fe2o3+c
→
fe+co，耗热2712kj/kg；
[0124]
所述炉体热损q
炉
的计算方法为：q
炉
＝q
入
×
10％＝(q
一
+q
二
)
×
10％，其中，整体处理炉因导热、辐射方式造成的热量损失设定在10％。
[0125]
可根据不同固废的化学成分对其平衡计算公式进行修正，根据不同的原料情况及配比，该模型可直接运用于不同原料的能质平衡模型构建。
[0126]
表1本发明能质平衡输入和输出项
[0127]
[0128][0129]
表2本发明涉及到的参数解析
[0130]
[0131]
[0132][0133]
实施例1
[0134]
按下述表中的有机固废和含铁粉尘成分表，采用本发明所述的优化方法进行热解工艺设计。有机固废和含铁粉尘协同处理时的质量配比为7:3，计算所用的含铁固废主要是电炉除尘灰和精炼炉除尘灰的混合物，混合比例为1:1，其成分如表3所示。有机固废为生物质、pvc等废弃塑料及冰箱填充棉等混合有机固废，生物质、废塑料、填充棉的混合比例为1:1:1，其中废塑料的成分为塑料管等物质的成分均值，其成分如表4所示，灰分成分如表5所示。
[0135]
表3计算用含铁粉尘灰成分(％)
[0136] tfepbcaosio2mgoal2o3电炉灰35.560.55412.73.911.060.464精炼灰7.840.024465.01.9510.10.813混合除尘灰21.70.2988.662.935.580.64
[0137]
表4计算用有机固废成分(％)
[0138] 灰分chons皮带14.8869.866.5428.4670.140.111塑料管085.1014.794.1970.110塑料绳5.96379.8313.8933.9270.300.014电线21.1834.247.5917.130.130.02圆泡棉0.5664.736.5521.177.000混合料8.5266.759.879.351.540.03
[0139]
表5计算用有机固废灰分成分(％)
[0140] sio2caoal2o3mgofe2o3k2ona2ozno混合料38.5722.3926.8511.090.630.290.150.016
[0141]
根据上述能质平衡的优化方法，进行计算，得到如下结果，其中，最终确定的二次燃烧率为31％。
[0142]
表6按照计算模型计算的物料平衡表和能量平衡表：
[0143][0144]
表7合成气成分(％)
[0145][0146]
表8按照计算模型计算的热量平衡表
[0147][0148]
通过计算结果得到，1t的喷吹物料为例，其中包含了700kg的有机固废和 300kg除尘灰，一共需要有70nm3的氮气作为喷吹载气吹入处理炉，同时要有 615.2nm3的氧气参与炉内的加热，加入60kg的硅石作为熔剂造渣，可以产出 1729nm3的合成气，同时有303kg的炉渣和70kg的铁水产生。本发明得到的合成气低位热值为7.99mj/nm3。
[0149]
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。

技术特征：

1.一种基于能质平衡模型的固废处理工艺优化方法，其特征在于，所述固废处理工艺包括将有机固废和含铁粉尘置于铁浴熔融炉中热解，得到铁水、烟气和炉渣，所述优化方法包括以下步骤：s1.设定初始有机固废和含铁粉尘的投料量及对应的热解工艺参数；s2.根据所述有机固废和含铁粉尘中的灰分占比，依据物料平衡原则，计算得到当前热解工艺参数下单位时间生成的炉渣量；根据炉渣量和炉渣二元碱度固定的原则，计算当前工艺条件下对应的熔剂组成及添加量；s3.先预设一个二次燃烧率，并计算在该二次燃烧率预设值下炉内热解是否满足能质平衡，若平衡则该二次燃烧率预设值即为实际工艺参数；若不平衡，则更换所述二次燃烧率的预设值，直至满足能质平衡；最后根据确定好的二次燃烧率，计算得到热解所需的耗氧量；s4.根据优化后的熔剂组成及添加量、耗氧量及对应的有机固废和含铁粉尘的投料量，进行固废处理。2.根据权利要求1所述的基于能质平衡模型的固废处理工艺优化方法，其特征在于，在步骤s2中，所述炉渣量w
渣
的计算公式为：所述炉渣二元碱度的计算公式为：3.根据权利要求1所述的基于能质平衡模型的固废处理工艺优化方法，其特征在于，在步骤s3中，所述二次燃烧率的预设值选择范围为20％-45％。4.根据权利要求1所述的基于能质平衡模型的固废处理工艺优化方法，其特征在于，在步骤s3中，所述能质平衡包括物料平衡和热量平衡，所述物料平衡的输入项包括有机固废用量w1、含铁粉尘用量w2、氧气用量w
o
、氮气用量w
n
和熔剂用量w
flux
；所述物料平衡的输出项包括烟气生成量w
气
、炉渣产生量w
渣
和铁水产生量w
铁
；所述热量平衡的输入项包括一次燃烧热q
一
和二次燃烧热q
二
；所述热量平衡的输出项包括烟气热损q
气
、炉渣热损q
渣
、炉体热损q
炉
、反应热损q
解
、升温热损q
升
和铁水热损q
铁
。5.根据权利要求4所述的基于能质平衡模型的固废处理工艺优化方法，其特征在于，所述氮气用量w
n
的计算方法为：kg；所述铁水产生量w
铁
的计算方法为：w
铁
×
w
预，fe
＝w2×
tfe
dust
％+w1×
ash％
×
tfe
ash
％；
所述烟气生成量w
气
计算方法为：所述一次燃烧热量q
一
的计算方法为：q
一
＝w1×
c％
×
(1-μ
c
)
×
9800，其中μ
c
是铁水的含碳量，碳素燃烧生成co放热量9800kj/kg c；所述二次燃烧热q
二
的计算方法为：其中10120是co氧化成co2放出的热，kj/kg；13440是h2氧化成h2o放出的热，kj/kg；所述烟气热损q
气
的计算方法为：其中c
co
是co的热容，c
h2
是h2的热容，c
n2
是n2的热容，c
co2
是co2的热容，c
h2o
是h2o的热容，t是烟气出口温度；所述炉渣热损q
渣
的计算方位为q
渣
＝w
渣
×
c
渣
，其中c
渣
是炉渣的热容；所述反应热损(q解)的计算方法为：其中，有机固废热解所需热1320kj/kg固废，石灰石分解吸热4039.6kj/kg co2，氧化铁分解吸热5144.3kj/kg，sio2分解所需热30789.9kj/kg si，脱硫热耗8300kj/kg s；所述升温热损q
升
的计算方法为：其中t1熔池温度，t0是氧气初始温度，c
o2
是氧气热容；所述铁水热损q
铁
的计算方法为：q
铁
＝w
fe
×
1240
×
10％+w2×
tfe
dust
％
×
2712，其中，炉内原先装有w
fe
铁水用于生产且一直留存，铁水比热为1240kj/kg铁，预装铁水会损失有10％的热量，喷入的含铁粉尘中的铁氧化物会被c进行直接还原fe2o3+c
→
fe+co，耗热2712kj/kg；所述炉体热损q
炉
的计算方法为：q
炉
＝q
入
×
10％＝(q
一
+q
二
)
×
10％，其中，整体处理炉因导热、辐射方式造成的热量损失设定在10％。6.根据权利要求2所述的基于能质平衡模型的固废处理工艺优化方法，其特征在于，炉渣中cao的含量w
cao
按照以下方法计算：其中，cao
dust
％是含铁粉尘中cao的质量占比，cao
ash
％是有机固废灰分中的cao在灰分中的质量占比，w
flux
是使用的熔剂质量，caco3％则是熔剂中的碳酸钙质量占比；sio2的含量w
sio2
按照以下方法计算：
其中，sio
2dust
％是含铁粉尘中sio2的质量占比，sio
2ash
％是有机固废灰分中的sio2在灰分中的质量占比，sio2％则是熔剂中的sio2质量占比；mgo的含量w
mgo
按照以下方法计算：w
mgo
＝w2×
mgo
dust
％+w1×
ash％
×
mgo
ash
％，其中，mgo
dust
％是含铁粉尘中mgo的质量占比，mgo
ash
％是有机固废灰分中的mgo在灰分中的质量占比；al2o3的含量w
al2o3
按照以下方法计算：其中，al2o
3dust
％是含铁粉尘中al2o3的质量占比，al2o
3ash
％是有机固废灰分中的al2o3在灰分中的质量占比；cas的含量w
cas
按照以下方法计算：其中，cas
dust
％是含铁粉尘中cas的质量占比，s％是有机固废中的s的质量占比；cacl2的含量w
cacl2
按照以下方法计算：其中，cl％是有机固废中的cl的质量占比。7.根据权利要求1所述的基于能质平衡模型的固废处理工艺优化方法，其特征在于，所述铁浴熔融炉包括内部盛有铁水的炉体以及与所述炉体内的上部空腔连通的氧气输送组件；所述炉体内的所述铁水的上表面含有熔渣层；所述含铁粉尘和部分所述有机固废通过喷的输出端插入所述熔渣层中；剩余所述有机固废通过炉体顶部的投料口投于所述熔渣层上方。8.根据权利要求7所述的基于能质平衡模型的固废处理工艺优化方法，其特征在于，在步骤s1中，所述热解工艺参数包括氮气用量、熔池温度、氧气初始温度、烟气出口温度。9.根据权利要求1所述的基于能质平衡模型的固废处理工艺优化方法，其特征在于，在步骤s1中，所述有机固废包括生物质、废旧塑料、橡胶中的一种或多种；所述含铁粉尘包括电炉灰、氧化铁皮、精炼灰、除尘灰中的一种或多种。10.根据权利要求9所述的基于能质平衡模型的固废处理工艺优化方法，其特征在于，所述有机固废和所述含铁粉尘的质量比为(1-5):1。

技术总结

本发明提供了一种基于能质平衡模型的固废处理工艺优化方法，根据有机固废和含铁粉尘中的灰分占比，依据物料平衡原则，计算得到当前热解工艺参数下炉渣量；根据炉渣量和炉渣二元碱度固定的原则，计算当前工艺条件下对应的熔剂组成及添加量。通过预设二次燃烧率，并计算在该二次燃烧率预设值下炉内热解是否满足能质平衡，以确定最佳的二次燃烧率，进而计算得到热解所需的耗氧量。本发明能够最大程度得到还原铁水的情况下，还能产生足够量的合成气，通过最小的能耗实现最大的处理效益，可以为后续生产试验提供有效的数据支撑，减少试验的试错成本，提高试验的开展进度，便于对后续的基础试验研究及相应大规模工业试验进行实验规划和设计。验规划和设计。验规划和设计。