危險廢物逆流式回轉(zhuǎn)窯焚燒系統(tǒng)探討

章鵬飛，吳 明

(光大環(huán)保技術(shù)研究院(南京)有限公司，江蘇 南京 211102)

1 引言

危險廢物是具有特殊危害性的一類固體廢物，對危險廢物的安全處理處置一直是全世界各國關(guān)注的問題。焚燒法是當(dāng)前危廢處置的主流熱處理技術(shù)，原理是在高溫爐膛內(nèi)使危險廢物中的有毒有害物質(zhì)深度氧化、徹底分解，高效實(shí)現(xiàn)無害化和減量化。焚燒法在國外已經(jīng)有近30年的發(fā)展歷史，技術(shù)成熟，應(yīng)用廣泛。焚燒爐型主要有：回轉(zhuǎn)窯焚燒爐、流化床焚燒爐、熱解爐、固定床焚燒爐、廢液噴射爐等。其中應(yīng)用最廣泛的是回轉(zhuǎn)窯焚燒爐，其優(yōu)點(diǎn)是適應(yīng)性強(qiáng)，可以用于處理除放射性和爆炸性廢物之外的固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)可燃危險廢物，還可以回收熱能和重金屬等。

本文以江蘇某化工園區(qū)30t/d危險廢物焚燒逆流式回轉(zhuǎn)窯項(xiàng)目為例，對逆流式回轉(zhuǎn)窯進(jìn)行研究和探討。

2 回轉(zhuǎn)窯

市場上回轉(zhuǎn)窯焚燒爐的形式并不單一，從氣固流向、燃燒模式等方面可以分為不同種類，不同種類回轉(zhuǎn)窯焚燒爐各有其優(yōu)缺點(diǎn)，根據(jù)具體廢料的特性進(jìn)行選擇。

2.1 氣固流向的選擇

根據(jù)窯內(nèi)煙氣和物料的運(yùn)動方向不同，回轉(zhuǎn)窯可以分為順流式回轉(zhuǎn)窯和逆流式回轉(zhuǎn)窯，原理見圖1。

圖1 回轉(zhuǎn)窯內(nèi)氣固流向示意

國內(nèi)危險廢物焚燒處置市場上以順流式回轉(zhuǎn)窯為主流，順流式回轉(zhuǎn)窯內(nèi)物料和煙氣的運(yùn)動方向相同，窯內(nèi)物料的干燥段、燃燒段、燃盡段相對比較明顯。主要優(yōu)勢有：窯頭進(jìn)料、進(jìn)風(fēng)以及啟動燃燒器的布置方便、設(shè)備維護(hù)方便、煙氣在窯內(nèi)停留時間較長。

逆流式回轉(zhuǎn)窯內(nèi)物料和煙氣的運(yùn)動方向相反，窯內(nèi)物料的干燥、燃燒和燃盡沒有明確分區(qū)。相比較于順流回轉(zhuǎn)窯的優(yōu)勢在于：窯內(nèi)氣固混合充分，傳熱效率高，燃燒速率更快；通過配風(fēng)調(diào)節(jié)可以使窯內(nèi)呈現(xiàn)熱解工況，窯內(nèi)溫度偏低，緩解結(jié)焦的情況；焚燒殘?jiān)梢约訜嵋淮物L(fēng)，換而言之一次風(fēng)冷卻焚燒殘?jiān)?，使得逆流回轉(zhuǎn)窯可以干式低溫出渣，減少熱損失。

2.2 燃燒模式的選擇

根據(jù)運(yùn)行時回轉(zhuǎn)窯內(nèi)的燃燒狀態(tài)和溫度，回轉(zhuǎn)窯的燃燒狀態(tài)可以分為灰渣式、熔渣式、熱解式。

灰渣式是常見的回轉(zhuǎn)窯燃燒模式，窯內(nèi)溫度在950～1100 ℃，廢物被氧化分解銷毀，回轉(zhuǎn)窯尾排出的是正常的灰渣。熔渣式回轉(zhuǎn)窯內(nèi)溫度在1200～1400 ℃，目的是徹底銷毀廢物中的有害成分，將殘?jiān)鼰冢m合處理單一的、毒性很強(qiáng)的廢物。熔渣式回轉(zhuǎn)窯的缺點(diǎn)也很明顯，窯內(nèi)維持高溫需要大量輔助燃料，運(yùn)行成本高；耐火材料、保溫材料壽命短，機(jī)械損耗及操作難度均較高；煙氣中重金屬和NOx含量高，增加后續(xù)煙氣凈化設(shè)施的壓力[1]。

熱解式回轉(zhuǎn)窯內(nèi)溫度在800～950 ℃，危廢在窯內(nèi)熱解產(chǎn)生的可燃?xì)怏w進(jìn)入二燃室繼續(xù)燃燒，可以降低二燃室補(bǔ)充燃料消耗量，且煙氣量低，熱損失少，運(yùn)行成本比其余兩種回轉(zhuǎn)窯更低。缺點(diǎn)是殘?jiān)赡芊贌粡氐祝瑹嶙茰p率不達(dá)標(biāo)?？偟膩碚f，熱解式回轉(zhuǎn)窯節(jié)約能源、降低成本的優(yōu)勢明顯，有發(fā)展前景。

2.3 逆流式回轉(zhuǎn)窯設(shè)計(jì)

2.3.1 窯的尺寸設(shè)計(jì)

危險廢物回轉(zhuǎn)窯爐膛的尺寸，主要是由回轉(zhuǎn)窯允許的容積熱負(fù)荷和廢料在窯體內(nèi)所需的停留時間兩個因素決定的。通常的做法是先按爐膛允許熱負(fù)荷來確定爐膛的體積，然后按危險廢物焚燒所必須的停留時間加以校核。一般來說，危廢回轉(zhuǎn)窯的轉(zhuǎn)速為0.2～2 r/min[2]，長徑比L/D在2～10之間，傾斜角度為1～3°，停留時間為30 min～2 h，回轉(zhuǎn)窯的容積熱負(fù)荷通常為(4.2～104.5)×104kJ/(m3·h)[3]。

本項(xiàng)目的逆流式回轉(zhuǎn)窯的尺寸為內(nèi)徑φ2.07 m×6 m，長徑比為2.9；與常規(guī)順流式回轉(zhuǎn)窯不相同，逆流回轉(zhuǎn)窯傾斜角度采用4°；回轉(zhuǎn)窯容積熱負(fù)荷為36.7×104kJ/(m3·h)，與一般順流回轉(zhuǎn)窯相近。

關(guān)于固體廢物在回轉(zhuǎn)窯內(nèi)的停留時間，眾多研究者的研究成果表明影響物料在回轉(zhuǎn)窯內(nèi)的停留時間的主要因素是長徑比、傾角、轉(zhuǎn)速、物料安息角、進(jìn)料速度和窯內(nèi)壁摩擦系數(shù)等，但進(jìn)料速度、窯內(nèi)壁摩擦系數(shù)的影響較弱。Sullivan等人給出的停留時間計(jì)算公式[4]：

(1)

式中：L是窯長度(m)，D是窯內(nèi)徑(m)，θ是物料安息角(°)，n是窯轉(zhuǎn)速(r/min)，α是窯傾角(°)。

公式(1)沒有考慮窯內(nèi)特殊結(jié)構(gòu)的影響，如抄板、螺旋等結(jié)構(gòu)。本項(xiàng)目的逆流回轉(zhuǎn)窯內(nèi)窯尾設(shè)計(jì)有螺旋結(jié)構(gòu)，經(jīng)過多次窯內(nèi)填充沙子測試停留時間的試驗(yàn)，確定在計(jì)算逆流回轉(zhuǎn)窯停留時間時公式(1)需要乘上系數(shù)k，k約為2.5～4.5。經(jīng)過計(jì)算，在轉(zhuǎn)速0.2 r/min下，本項(xiàng)目逆流式回轉(zhuǎn)窯停留時間為63～112 min，與一般順流回轉(zhuǎn)窯相近。

除此之外，本項(xiàng)目逆流式回轉(zhuǎn)窯內(nèi)的煙氣流速為1.6～2 m/s，低于一般回轉(zhuǎn)窯內(nèi)煙氣流速，可以有效地緩解逆流式回轉(zhuǎn)窯內(nèi)煙氣攜帶飛灰量大的問題。

2.3.2 燃燒模式設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目的逆流式回轉(zhuǎn)窯選擇采用窯內(nèi)控制熱解的燃燒模式，回轉(zhuǎn)窯內(nèi)的過量空氣系數(shù)控制在0.7～0.8，總體來說窯內(nèi)是稍微缺氧的狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)危險廢物的部分燃燒和部分熱解氣化。因此回轉(zhuǎn)窯內(nèi)的氣體溫度維持在850～950 ℃，不至于溫度過高使窯內(nèi)物料熔融、結(jié)焦，也不至于溫度過低導(dǎo)致燃燒不完全、殘?jiān)鼰嶙茰p率不達(dá)標(biāo)。

窯內(nèi)燃燒的過程主要是：危險廢物首先在窯頭停留一段時間，在爐膛高溫輻射作用下發(fā)生干燥和少量分解反應(yīng)；隨后廢料進(jìn)入回轉(zhuǎn)窯前部，與氧含量低的煙氣接觸和混合，主要發(fā)生熱解反應(yīng)，少量燃燒反應(yīng)，產(chǎn)生含大量可燃?xì)怏w的煙氣從窯頭進(jìn)入二燃室繼續(xù)燃燒；廢料到回轉(zhuǎn)窯中后部后，在窯內(nèi)與一次風(fēng)充分混合，殘余碳劇烈燃燒，達(dá)到完全燃盡，殘?jiān)鼜母G尾排出。

3 二燃室

不同于傳統(tǒng)順流式回轉(zhuǎn)窯系統(tǒng)中直筒式二燃室結(jié)構(gòu)，本項(xiàng)目逆流式回轉(zhuǎn)窯系統(tǒng)采用的是曲折煙道式二燃室，二燃室尺寸為內(nèi)徑φ1.3 m×28.6 m，屬于“細(xì)長”型結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)形式見示意圖2。

圖2 曲折煙道式二燃室示意圖

燃燒過程中 “3T+E”原則可實(shí)現(xiàn)物料的完全燃燒，確保危險廢物中有害組分充分分解，從而在源頭上控制酸性氣體和二噁英的生成，全面控制煙氣排放的二次污染。逆流式回轉(zhuǎn)窯系統(tǒng)的二燃室的設(shè)計(jì)過程中充分考慮了“3T+E”原則。

(1)溫度。由于回轉(zhuǎn)窯中采用的是控制熱解技術(shù)，窯內(nèi)熱解產(chǎn)生了大量可燃性氣體進(jìn)入二燃室，與二次風(fēng)混合后充分燃燒，保證二燃室內(nèi)溫度達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)要求(≥1100 ℃)，還可以達(dá)到不補(bǔ)燃或少補(bǔ)燃的目的。

(2)湍流度。二燃室內(nèi)湍流度大小與煙氣流速和爐膛結(jié)構(gòu)直接相關(guān)，表征的是可燃性氣體與二次風(fēng)的混合程度。湍流度越大，表明流場越紊亂，可燃?xì)怏w與二次風(fēng)混合的越充分，有助于有害成分和二噁英的徹底焚毀。本項(xiàng)目二燃室內(nèi)設(shè)計(jì)煙氣流速為10～11 m/s，高流速和曲折煙道式設(shè)計(jì)保證二燃室內(nèi)產(chǎn)生強(qiáng)烈湍流。

(3)停留時間。由二燃室的總長度和內(nèi)部煙氣流速計(jì)算出二燃室內(nèi)停留時間是2.6～2.86 s，滿足國家標(biāo)準(zhǔn)要求的>2 s。

(4)過量空氣。過量空氣系數(shù)大，燃燒充分，但供風(fēng)量較大，產(chǎn)生的煙氣量大，后續(xù)煙氣處理負(fù)荷增大；反之則燃燒不完全，有害物質(zhì)分解不徹底[5]。本項(xiàng)目二燃室內(nèi)過量空氣系數(shù)取1.1～1.2，維持二燃室出口煙氣的氧含量在7%～9%。

4 運(yùn)行狀況

本項(xiàng)目屬于為化工園區(qū)配套建設(shè)的危險廢物處置項(xiàng)目，設(shè)計(jì)的焚燒系統(tǒng)處置能力為30 t/d(1250 kg/h)，整套焚燒系統(tǒng)24 h連續(xù)運(yùn)行，廢物的低位熱值為3500 kcal/kg，危險廢物混合物元素成分見表1。

本項(xiàng)目危險廢物焚燒工藝單元主要包括進(jìn)料系統(tǒng)、焚燒系統(tǒng)、余熱利用系統(tǒng)以及煙氣凈化與排放系統(tǒng)。該工程采用“進(jìn)料機(jī)構(gòu)+逆流式回轉(zhuǎn)窯+二燃室+余熱鍋爐+旋風(fēng)除塵器+急冷塔+干式文丘里脫酸(活性炭噴

表1 危險廢物成分?jǐn)?shù)據(jù)

射)+布袋除塵器+濕式洗滌塔”的處理工藝。

整個焚燒系統(tǒng)配備了自動控制系統(tǒng)和煙氣在線監(jiān)測系統(tǒng)，在線顯示運(yùn)行工況和煙氣排放數(shù)據(jù)，并能根據(jù)反饋對主要的工藝參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)。相關(guān)的運(yùn)行數(shù)據(jù)和煙氣檢測數(shù)據(jù)見表2。

表2 運(yùn)行數(shù)據(jù)和煙氣檢測數(shù)據(jù)

5 結(jié)語

回轉(zhuǎn)窯是國家工信部、環(huán)保部重點(diǎn)推薦的廢物處理爐型，有對物料適應(yīng)性強(qiáng)、工作連續(xù)性好等優(yōu)點(diǎn)。逆流式回轉(zhuǎn)窯和順流式回轉(zhuǎn)窯同屬于回轉(zhuǎn)窯焚燒爐，各有各的技術(shù)特色，都可以用于危險廢物的焚燒處置。

本項(xiàng)目的逆流式回轉(zhuǎn)窯工程實(shí)踐證明采用“逆流回轉(zhuǎn)窯+曲折煙道式二燃室”的焚燒工藝，同樣能保證危險廢物的減量化和無害化，焚燒殘?jiān)臒嶙茰p率<5%，燃燒效率>99.9%，焚毀去除率>99.99%，煙氣達(dá)標(biāo)排放。

逆流回轉(zhuǎn)窯項(xiàng)目的成功運(yùn)行證明了其在危險廢物焚燒處置領(lǐng)域的價值，但也應(yīng)該注意到其存在的一些問題，如配風(fēng)難以精確控制、曲折煙道式二燃室積灰結(jié)焦等問題，這些問題有待進(jìn)一步深入研究。隨著環(huán)保形勢的日益嚴(yán)峻，國家出臺了一系列關(guān)于危險廢物處理處置的政策，在政策帶動下，全國各地陸續(xù)建設(shè)起不同規(guī)模的危險廢物處置項(xiàng)目，將促進(jìn)回轉(zhuǎn)窯焚燒技術(shù)日趨完善。