綜合回收處理爐設計特點及應用

許 欣

(中國恩菲工程技術有限公司,北京 100038)

近年來,工業(yè)危廢的產生量呈現(xiàn)逐年上升態(tài)勢,危廢處理能力和產量存量之間存在較大缺口[1],工業(yè)危廢處置及二次資源再生利用行業(yè)迅猛發(fā)展,截至2018年底,國內頒發(fā)危廢經營許可證共3 220份,這些項目的實施主要以反射爐、燒結爐、鼓風爐工藝為主,但整體規(guī)模和生產能力偏小,多數(shù)企業(yè)研發(fā)能力弱、技術裝備落后[2]。 其中,反射爐工藝落后,裝備陳舊,生產環(huán)境差,煙氣余熱無法經濟利用;燒結爐和鼓風爐則因煙氣溫度低、燒結產生的二噁英無法處理而詬病頗多;鼓風爐采用料柱熔煉,需要人工制磚,勞動強度大。 整體來說,傳統(tǒng)工藝處置效率低,資源回收率低,產生污染大。 我國在危廢處置領域現(xiàn)有裝備水平落后,所應用的技術水平仍處在初級階段,不能為行業(yè)的發(fā)展提供有效的支撐,技術的升級換代勢在必行。

在2015年第三屆全國熔池熔煉會議上,中國恩菲工程技術有限公司(以下簡稱“中國恩菲”)首次提出“側吹浸沒燃燒熔池熔煉技術(side-submerged combustion smelting process,SSC)”[3],該技術是由中國恩菲開發(fā)的具有自主知識產權的一種強化熔池熔煉技術。 SSC 技術已在液態(tài)鉛渣直接還原、鉛膏等二次鉛雜料的連續(xù)熔化還原、鋅浸渣等二次鋅雜料的處理、錫精礦還原等有色冶金領域實現(xiàn)了工業(yè)化應用[4-7]。

目前,中國恩菲開始將SSC 技術應用領域逐步拓展到陽極泥、銅浮渣、電子廢棄物處置等方面[8-12],由于危廢原料成分變動較大,原設計的側吹浸沒燃燒爐難以適應工況,中國恩菲對其進行了改進,并命名為“綜合回收處理爐”,該爐可滿足危廢處置利用的工況要求,并已實現(xiàn)工業(yè)化應用,現(xiàn)處于推廣階段。

本文首先對SSC 技術的優(yōu)勢及不足進行分析,并在此基礎上,闡述綜合回收處理爐的設計特點,對其應用情況進行介紹。

1 側吹浸沒燃燒熔池熔煉技術優(yōu)勢及不足

1.1 技術優(yōu)勢

經過不斷的實踐和改進,SSC 技術逐步形成了一系列特有的技術優(yōu)勢。

1)熱利用率高。 噴槍位于側吹浸沒燃燒爐側墻,燃料及助燃氣體通過噴槍直接鼓入熔池中,在熔池內充分燃燒,單位容積熱強度大。 同時,充分的攪拌使得熔池內傳熱、傳質過程快速、均勻。

2)作業(yè)率高。 爐體在熔池區(qū)采用了銅水套結合磚體的形式,通過強制冷卻的方式帶走磚體熱面大量熱量,來延長磚體使用壽命。 在侵蝕最嚴重的渣線附近,加大銅水套冷卻面積,使磚體熱面通過掛渣的方式形成對磚體的保護,大大減少了因修補磚體而帶來的停爐停工,爐體作業(yè)率可達300～330 d/a。

3)安全性高。 爐體設置鋼板外殼,強化了整體密封性,爐體不易因燃氣泄漏發(fā)生著火等安全事故。

1.2 應用于危廢處置行業(yè)存在的問題

鑒于SSC 技術的現(xiàn)有優(yōu)勢,中國恩菲將其推廣應用到危廢處置行業(yè)。 工業(yè)危廢處置具有熔點高、熱值低、成分復雜、來料不穩(wěn)定、煙氣含有毒有害成分等特點,大大區(qū)別于已有的應用案例,現(xiàn)有的側吹浸沒燃燒爐難以適應如此工況,因此,中國恩菲在保留側吹浸沒燃燒爐技術優(yōu)勢的同時,針對危廢處置行業(yè)的特點開發(fā)設計了綜合回收處理爐。

2 綜合回收處理爐的設計

綜合回收處理爐保留了側吹浸沒燃燒爐熱效率高、作業(yè)率高、安全性高的優(yōu)勢,采用了爐缸、擴大段爐膛和上升段直爐膛的基本爐型結構;同時,針對危廢利用處置的獨特屬性,在爐體上做了大量改進。綜合回收處理爐結構示意圖如圖1所示。 爐體主要由骨架、水冷原件、耐火材料、下料口、放出口、電極等部件組成。

采用SPSS 18.0統(tǒng)計學軟件對數(shù)據(jù)進行處理，計數(shù)資料以百分數(shù)（%）表示，采用x2檢驗，以P＜0.05為差異有統(tǒng)計學意義。

圖1 綜合回收處理爐

2.1 爐缸區(qū)

危廢物料在熔池內的反應為吸熱反應,因此綜合回收處理爐采用了保溫型爐底。 爐底底層采用高鋁磚鋪設,通過鎂鉻質澆注料搗打成反拱,上部與熔池直接接觸的工作層采用優(yōu)質鎂鉻磚砌筑。

側吹浸沒燃燒爐爐缸四壁采用銅水套內襯耐火磚的結構形式,延長了磚體的使用壽命,綜合回收處理爐保留了這一優(yōu)勢,并延用該思路在四周爐墻設置了銅水套。 但危廢物料的熔渣具有更強的侵蝕性,因此綜合回收處理爐在渣線區(qū)域將爐墻銅水套設置了兩層長齒,增大了冷卻面積,對渣線波動區(qū)域磚體進行強化冷卻,便于爐墻磚熱面掛渣。 熔池下部則取消長齒,減小冷卻面積,減少爐缸底部熱損失。

SSC 技術的核心裝備為側吹噴槍,是中國恩菲專利技術。 側吹浸沒燃燒爐上側噴槍位于爐缸區(qū)爐墻兩側,對稱布置。 這種固定式的布置,可均勻為熔池補熱,但難以在危廢處置行業(yè)適應物料成分的頻繁波動。 在綜合回收處理爐中,原料來源不穩(wěn)定,入爐物料不同批次成分波動大,為保證爐況基本平穩(wěn)、熔池反應順利進行,需對富氧風量及天然氣量及時調整,因此綜合回收處理爐將側吹噴槍拆解為富氧風側吹噴槍及天然氣噴槍兩種槍型。 富氧風側吹噴槍在正常使用時可為熔池提供富氧風;需強化補熱時,可直接插入天然氣噴槍;不使用時,可以對其進行封堵。 通過對側吹噴槍的靈活應用,可使綜合回收處理爐對物料成分波動有較高的適應度。

2.2 擴大段爐膛

側吹浸沒燃燒爐在擴大段爐膛采用銅水套內襯磚體的結構形式,在平穩(wěn)運行的爐況下,使用效果良好。 但在綜合回收處理爐中,渣面波動范圍大,渣侵蝕性強,磚體消耗大,為降低生產成本,取消了該區(qū)域的耐火磚,采用了水套復合澆注料的結構形式。澆注料主要起開爐保護作用,生產過程中,隨著渣的沖刷,澆注料脫落,靠銅水套掛渣操作。 銅水套具有良好的導熱性,渣層脫落后,銅水套可以承受300 kW/m2熱流強度的短時間沖擊,強烈的冷卻作用可使熱面在較短時間內重新掛上渣殼。 為了加大冷卻強度,同時更便于掛渣,水套熱面設計若干凹槽。

綜合回收處理爐在回收二次資源的同時,可搭配處置一些具有可燃性質的工業(yè)廢物。 在擴大段爐膛設置燒嘴口,廢有機溶劑等可燃危廢通過燒嘴噴入爐內,爐膛內約1 300 ℃的高溫及氣氛便于其燃燒,燃燒生成的熱量又可以反哺熔池。

2.3 上升段直爐膛

上升段爐膛采用了鋼板水套結合澆注料的形式,取消了傳統(tǒng)側吹爐爐膛內襯磚,大大減輕了爐身重量。 為保護鋼板水套,澆注料采用了特定配比的優(yōu)質鋼纖維增強澆注料,同時在鋼板水套內側焊接了大量的錨固件。

危廢物料在熔池反應中生成CO,逸散到爐膛,需在出爐前對其進行處置。 擴大段爐墻與垂直方向呈約10°的傾角,使上升段直爐膛空間得以加大,同時在爐壁上開設了大量的二次風口,鼓入富氧二次風,熔池內未完全燃燒及反應生成的CO 和廢有機溶劑燃燒產生的CO 在該區(qū)域得以完全燃燒。

2.4 渣貧化區(qū)

危廢物料處置最重要的就是要將來料進行無害化處理,為保證放出渣經過水碎后成為玻璃態(tài)無害渣,特在綜合回收處理爐上設置了渣貧化區(qū)域。

該貧化區(qū)爐底增加一層反拱,阻止熔池底部金屬相進入渣中,在渣池與風口區(qū)之間設置隔墻,擋住渣面浮料,同時減緩側吹噴槍攪動力對渣池的沖擊,為渣中有價金屬的進一步沉降分離提供有利條件。頂部插入兩根石墨電極為渣池補熱(圖2),保持熔煉渣良好的流動性。 由于原料來源復雜,且原料成分有較大波動,故設計了較大的調壓范圍及級數(shù),保障在達到棄渣標準的同時,最大限度回收有價金屬。貧化區(qū)設置一高一低兩個放渣口,正常生產過程中熔煉渣經上渣口放出,當出現(xiàn)事故失風或在其他需要降低熔池液面的情況下,啟用下渣口。

圖2 綜合回收處理爐渣貧化區(qū)

2.5 水冷密封爐頂

由于磚體砌筑成的爐頂存在磚縫,會在一定程度上存在煙氣的跑冒。 該綜合回收處理爐處置的工業(yè)危廢物煙氣中有二噁英等有毒有害物質,必須全部進入脫除系統(tǒng),不允許發(fā)生逸散。 其采用全澆注料的整澆爐頂,有很好的密封效果(已經在側吹浸沒燃燒爐上有良好的工業(yè)應用實例)。 但在綜合回收處理爐內,因廢有機溶劑等可燃危廢的燃燒釋放大量熱量,煙氣溫度可達約1 400 ℃,在長期高溫煙氣的沖刷下,澆注料會開裂甚至脫落,無法發(fā)揮其密封作用,也無法保證爐頂?shù)氖褂脡勖?為此,綜合回收處理爐采用了水套復合澆注料的形式,對爐頂進行全覆蓋式的冷卻,在保障密封的情況下,延長爐頂使用壽命。

入爐物料中有時會搭配處理一些飛灰,為防止下料口到出煙口之間發(fā)生短路,對爐頂進行了下壓式設計,可在一定程度上降低煙氣中含塵量。

2.6 出煙口

危廢物料來源復雜,為使反應在爐內充分發(fā)生,延長煙氣在爐內停留時間,需盡量降低煙氣出口速度,因此在結構條件允許的情況下,將出煙口進行了最大化設計。 在煙道內設置三次風入口,并在煙道出口設置煙氣成分在線監(jiān)測儀,實時檢測煙氣中殘氧量、CO 及SO2含量,超出控制范圍時,即刻調整二次風和三次風量及送風富氧濃度,確?？扇嘉镌跔t內完全燃燒。

3 應用及推廣

危險廢物的種類十分繁雜,環(huán)境保護部發(fā)布的2016 版本《國家危險廢物名錄》中已包含46 大類別479 種[12]。 中國恩菲應用綜合回收處理爐處理的工業(yè)危廢涵蓋了含銅廢物、含鉻廢物、電鍍污泥、有機污泥、有機溶劑、廢線路板、廢活性炭等多種類別。

目前,該技術已推廣應用到數(shù)十個危廢處置及二次資源綜合回收項目中,部分項目技術指標見表1。

表1 綜合回收處理爐主要技術指標

4 優(yōu)勢及展望

SSC 技術具有熱利用率高、作業(yè)率高、安全性高等優(yōu)勢,中國恩菲在工業(yè)危廢處置及二次資源回收領域推進了SSC 技術的應用,優(yōu)化設計出綜合回收處理爐。 綜合回收處理爐將工業(yè)危廢物料中的有價金屬提煉進入黑銅;入爐物料中的金屬氧化物與熔劑造渣固化,成為一般固廢;入爐物料中的有機物經燃燒、驟冷、煙氣治理后達標排放;高溫煙氣經余熱鍋爐產生蒸汽,充分回收余熱。 該技術不僅達到了處置危廢的目的,還充分利用了工業(yè)危廢中的熱值,回收了銅等有價金屬,符合綠色冶金理念。

“十三五”以來國家出臺了一系列規(guī)范,不斷加大管理力度,倡導綠色經濟,推動技術革新,防止“以污染治污染”。 未來綜合回收處理爐將成為取代鼓風爐等傳統(tǒng)處置方法的新技術,具有廣闊的市場應用前景。