灰渣式回轉窯焚燒爐節(jié)能技術改造

林瑞飛(中化環(huán)境科技工程有限公司，北京 100071)

1 工藝流程簡述

由于危險廢物種類繁多性質各異，需要對各物料實現(xiàn)針對性的連續(xù)均勻進料，因此，設計了焚燒爐以下 3 種進料模式：

(1)大宗危廢進場經登記、明確物料特性后分類存儲于危廢倉庫和料坑，打包規(guī)整完 好的物料存儲于危廢倉庫，需破碎的物料經破碎后進入破碎料坑，經預處理的物料與常規(guī)無需預處理的物料通過抓斗起重機在配料坑中混合配伍。經配伍完畢的物料通過抓斗起重機將物料輸送進入箱式給料機受料斗，通過箱式給料機連續(xù)均勻的向回轉窯進料斗進料，繼而進入垂直落料雙閘板通道。通過箱式給料機的運行速度來控制進料量，通過液壓雙閘板閥來控制進料頻次，從液壓雙閘板閥下落的物料進入液壓推料通過，通過液壓推料機將物料推入回轉窯窯頭[1]。

(2)具有毒性、易燃、易爆等特性的危廢進場經登記、明確物料特性。該類危廢一般 包裝嚴格，可分類存儲于危廢倉庫，需處理時用叉車將物料叉送至焚燒爐提升上料車間，人工將物料放置于水平輸送段，物料放置好后，自動輸送至垂直提升機，然后再進入回轉窯進料斗，經液壓雙閘板閥控制進料量及進料頻次，再通過液壓推料機將物料推入回轉窯窯頭。

(3)廢液進場經登記、化驗、明確物料特性后分類存儲于危廢倉庫，在焚燒車間設置一座廢液進料間，進料間設鶴管卸料裝置，通過氣動隔膜泵將不同的廢液抽送至廢液緩沖罐進行配伍。經配伍后的廢液通過氣動隔膜泵將廢液輸送至焚燒系統(tǒng)的回轉窯和二燃室廢液噴槍，經霧化后噴入焚燒系統(tǒng)處理。需注意的是，不同廢液在混合配伍前需進行嚴格的相容性混合實驗，達到安全相容的要求后方能進行配伍；所有進料方式都有精確的計量裝置并能自動生成日報表，所有進料方式都設有可靠的防回火裝置和冷卻系統(tǒng)[2]。 回轉窯選用煙氣-物料順流式窯型，采用灰渣型運行模式，窯內分為低溫段和增溫兩段燃燒區(qū)域，廢物在回轉窯低溫段內與空氣接觸，完成加熱、干燥、部分燃燒過程，在增溫段完成分解及燃燼過程。助燃空氣切向進入轉窯，窯內煙氣呈渦流態(tài)，有助于物料的加熱、揮發(fā)、分解過程。在轉窯內未完全燃燒干凈的 VOC 氣體進入二燃室，通入過量空氣使其完全分解。燃燼后產生的灰渣由水淬式刮板出渣裝置撈出。回轉窯焚燒溫度控制在 850～1 000 ℃左右，廢物在窯內停留時間≥1 h。二燃室焚燒溫度則可達1 100 ℃以上，且煙氣在此溫度區(qū)間停留時間≥2 s，以確保有害物質高溫下完全分解。柴油作為輔助燃料，當熱值不足時依據(jù)爐溫比例調節(jié)補給量?；剞D窯和二燃室燃燒所用的氧氣由一次風機和二次風機抽引外部空氣供給，并以變頻調節(jié)方式使廢物處于較佳的燃燒工況[3]。從二燃室出來的1 100 ℃煙氣進入多回程大空腔水冷壁余熱鍋爐的沉降室，同時在煙氣沉降室設置 De-NOx裝置接口位置，通過尿素溶液輸送泵噴射 5%～10%尿素溶液，以熱力脫硝工藝去除爐內部分NOx。煙氣從余熱鍋爐出來降溫至 500～550 ℃，同時利用煙氣熱量產生 1.0 MPa、184 ℃的飽和蒸汽，部分蒸汽用于系統(tǒng)自用，多余蒸汽并入廠區(qū)熱網，多余蒸汽冷凝回收，冷凝液進鍋爐軟水箱或除氧器。之后約500 ℃的鍋爐出口煙氣進入急冷塔，將清水或低濃度的堿液霧化后噴入急冷塔內，使煙氣于 1 s內迅速降溫至 200 ℃以下，在防止二噁英再次生成同時達到一級脫酸的效果。經急冷塔降溫脫酸后的200 ℃煙氣進入文丘里干式脫酸反應器。在反應器內投加經研磨的工業(yè)小蘇打，一方面可降低煙氣的濕度，另一方面是充分利用濕潤的小蘇打在塔內的中和反應以及大部分小蘇打粉隨煙氣附著在布袋表面所起到的進一步脫酸作用。同時在進除塵器的煙道中投加活性炭粉末，使其與煙氣充分混合，并在布袋表面起到吸附重金屬、二噁英的作用，吸附產物隨后由袋式除塵器捕獲后以干態(tài)形式排出。布袋除塵器濾袋采用抗腐蝕防水的PTFE覆膜PTFE 濾袋，除塵效率≥99.99%。除塵器之后預留SCR接口，以便將來設置SCR脫銷設施。從布袋除塵器出來的煙氣經兩級洗滌塔強化脫酸后，由煙氣加熱器將煙氣溫度升高到130 ℃左右，煙氣加熱器采用系統(tǒng)自產蒸汽作為熱源，被換熱后的蒸汽冷凝液回收作為鍋爐補水。由引風機抽入至70 m煙囪高空排放。

2 回轉窯主要技術規(guī)格/參數(shù)

設計處理規(guī)模：80 t/d；

最佳處理負荷：70%～120%；

回轉窯外形尺寸： Φ4.2×16 m；

有效內徑Φ3.56 m；

爐膛容積：159 m3；

筒體壁厚：30～50 mm(根據(jù)各段長度變化)；

轉速：0.1～1.1 r/min；

耐火材料厚度：320 mm，耐熱層 δ250，保溫層 δ70；

爐內溫度：850～1 000 ℃；

外表溫度：180～200 ℃；

爐膛壓力：微負壓(-20～100 Pa)；

廢物在爐內停留時間：＞1 h；

窯頭的冷卻方式：水冷；

窯尾的冷卻方式：風冷；

密封方式：迷宮和雙層魚鱗片組合式；

窯頭密封的漏風率：＜1%；

外殼材質：Q235B；

設計使用壽命：爐體＞15年，窯內耐火材質正常使用壽命≥1年；

灰渣熱灼減率：＜5%。

灰渣式回轉窯焚燒爐是通過高溫加熱使危險廢物干燥、熱解、焚燒，在這些危險廢物中，存在對窯爐內襯造成侵蝕性破壞。所以，要求使用爐襯的耐火材料除具有耐高溫性能外，同時要具有以下特點[4]：(1)高強度和良好的耐磨性，以抵抗固體物料的磨損和熱氣流的沖刷；(2)良好的化學穩(wěn)定性，以抵抗爐內化學物質的侵蝕；(3)良好的熱穩(wěn)定性，以抵抗爐溫的變化對材料的破壞；(4)良好的抗CO侵蝕能力，以避免因CO侵蝕而引起爐襯崩裂等；(5)回轉窯連續(xù)工作時間≥8 000小時/運行周期，窯內耐火材料正常使用壽命≥1年，二燃室耐火材料正常使用壽命≥3年；(6)為避免窯體內襯產生不規(guī)則裂紋，窯體內襯在環(huán)向和縱向上設置迷宮式不貫穿伸縮縫。預埋金屬件和穿墻管應做相應處理后，再進行耐火材料施工，以避免金屬膨脹損壞內襯。

危險廢物回轉窯窯頭，廢物含水量大，溫度低，耐火材料要求抗熱震性和耐急變性好；中后部屬廢物燃燒段，溫度高，廢物中的鹽和低熔點物質融化，對耐火材料的侵蝕加劇，要求耐火材料密度大、耐高溫、抗侵蝕性高。尾部物料燃燒完全，易于結焦，要求抗結焦性組織嚴密氣孔率小的耐磨磚。

3 回轉窯內襯耐火材料改造前方案

回轉窯直徑為4 200 mm，長度16 000 mm，爐本體雙層轉設計，耐熱層250 mm，保溫層70 mm，總厚度為320 mm。耐火磚前段材料需要滿足含水率較高的物料焚燒、尾段耐火材料應滿足抗結焦，抗結渣的性能特點；材料整體設計選用鉻剛玉磚，在窯頭窯尾0.5 m處采用鉻剛玉澆注料，主要起到耐高溫、耐磨、耐水、耐酸、抗腐蝕與結焦的作用。因考慮到焚燒爐中危廢的多變性和復雜性，本項目在該材料、生產配料中加入了一些特殊的添加劑，使該材料具有良好的穩(wěn)定性能。砌磚采用鉻剛玉膠泥砌筑[5]。(1)進料端部500 mm段采用鉻剛玉澆注料整體澆筑, 厚度320 mm；(2)前墻采用剛玉莫來石澆注料；(3)中間15 500 mm耐火層使用采用250 mm厚的鉻剛玉耐火磚，保溫層采用70 mm厚的致密黏土磚；(4)窯尾500 mm段采用鉻剛玉澆注料整體澆筑，厚度320 mm；(5)在耐火磚尺寸的選用上，綜合考慮外型尺寸，尺寸不能過大以免在使用中易出現(xiàn)不規(guī)則開裂而造成耐火磚剝落、掉落損壞，也不能過小，以防在回轉窯運行中因各種材料的不同膨脹及多次起停后引起的磚縫松動。因磚尺寸過小里外錐形度不夠而掉落損壞襯里。磚縫的確定也要適中，不要太小或太大，一般耐火磚尺寸選在250×200×150 mm左右，磚縫定在2 mm左右，回轉窯每十環(huán)留設一條4 mm膨脹縫，用陶瓷纖維紙?zhí)畛洹?/p>

需要注意的是，在實際運行中，進行廢物配伍時，要均衡廢物中堿性金屬(鈉、鉀等)成分和氟化物的進料濃度。避免堿性金屬的集中焚燒。因為低熔點的鈉鉀鹽容易產生對耐火材料的侵蝕。同時氟化物可能破壞磚與磚之間的結合。運轉情況也會影響耐火磚的使用壽命。耐火磚砌筑后或更換后必須妥善烘烤處理，以驅除磚內的水分，運轉時應該維持燃燒室的溫度穩(wěn)定，以避免產生熱震[6]。

4 回轉窯殼體的溫度控制

危險廢物焚燒爐存在大量的酸性氣體，特別是氯化氫和二氧化硫對爐體的鋼制外殼在特定的溫度下有較強的腐蝕。

腐蝕性酸性氣體(主要氣體是氯化氫/二氧化硫)對金屬外殼的腐蝕速度隨著溫度變化的特性。在低于 150 ℃時，易形成一個高腐蝕速度區(qū)，稱為低溫腐蝕區(qū)。在低溫腐蝕區(qū)主要發(fā)生電化學腐蝕。當溫度高于 320 ℃時，酸性對金屬的腐蝕又進入另一個高腐蝕速度的高溫腐蝕區(qū)。在進行焚燒爐耐火保溫設計時必須避開這兩個溫度區(qū)域。我司原設計在運行危廢焚燒80 t/d回轉窯設計工作層耐火材料原來是鉻剛玉磚250 mm厚，在二次技改時將鉻剛玉磚250 mm厚改成剛玉復合磚，可以降低回轉窯表面溫度10 ℃左右，尤其是回轉窯運行中后期，窯體表面溫升隨著內襯磨損的增加，超過280 ℃就應停爐整修。

回轉窯外壁溫度隨著內壁襯里材料的使用磨損會不斷提高，技術改造對節(jié)能環(huán)保，降低能耗具有重要意義。

由于危險廢物焚燒爐存在大量的酸性氣體，特別是氯化氫和二氧化硫對爐體的鋼制外殼在特定的溫度下有較強的腐蝕。在低于150 ℃時，形成一個高腐蝕速度區(qū)，稱為低溫腐蝕區(qū)。在低溫腐蝕區(qū)主要發(fā)生電化學腐蝕。當溫度高于320 ℃時，酸性對金屬的腐蝕又進入另一個高腐蝕速度的高溫腐蝕區(qū)。在進行焚燒爐耐火保溫設計時必須避開這兩個溫度區(qū)域(圖1)。

圖1 焚燒爐耐火保溫設計時需避開的兩個溫度區(qū)域示意圖

因此, 原項目回轉窯正常焚燒溫度850～950 ℃時，外殼設計溫度為180～220 ℃，熱損較大。改造方案：

(1)原回轉窯爐墻傳熱計算書：

工作層采用鉻剛玉磚250 mm厚，導熱系數(shù)取值為2.7；保溫層采用高強度輕質磚70 mm厚，導熱系數(shù)取值為0.8，按窯內溫度900 ℃，計算的窯體溫度為199 ℃。窯體總面積為211 m2，總散熱量為2 955 726.25 kJ/h。

(2)回轉窯爐墻采用復合磚工藝計算書：

工作層采用鉻剛玉復合磚250 mm厚，上部190 mm鉻剛玉導熱系數(shù)取值為2.7，下部60 mm輕質剛玉導熱系數(shù)取值1.4，保溫層采用高強度輕質磚70 mm厚(導熱系數(shù)取值為0.8)，按窯內溫度900 ℃ ，計算得窯體溫度為188 ℃。窯體總面積為211 m2，總散熱量為2 691 113.44 kJ/h。

5 結語

通過回轉窯采用復合襯里材料技改實施后，項目經濟績效效益如下：(1)開工后回轉窯殼體外表面溫度降低11 ℃左右。(2)外表散熱量減少264 612.81 kJ/h。等于每小時節(jié)約7.4 m3天然氣，天然氣熱值取值為35 579.74 kJ/m3；按本項目輔助燃料采用 0#輕柴油，其基本低位熱值按43 000 kJ/kg左右，換算熱值取值41 858.52 kJ/m3計， 理論上能夠節(jié)約0#輕柴油6.3 t/h左右，節(jié)能效果顯著，同時，延長了停爐更換襯里材料的檢修周期。