危險(xiǎn)廢物逆流式回轉(zhuǎn)窯焚燒工藝探討

仇云飛 趙發(fā)敏 劉 棟

(中國(guó)恩菲工程技術(shù)有限公司, 北京 100038)

0 前言

近年來,隨著我國(guó)工業(yè)化的逐步深入,人民生活水平的提高,大量的廢棄物產(chǎn)生,危險(xiǎn)廢物在眾多廢棄物中占有較大比重。如果這些廢棄物得不到合適的處置,將會(huì)對(duì)人體健康和社會(huì)環(huán)境造成巨大的危害。目前危險(xiǎn)廢物處置方式主要包括焚燒、安全填埋及綜合利用等。焚燒處置方式包括回轉(zhuǎn)窯焚燒、液體注射爐焚燒、流化床爐焚燒、固定床爐焚燒和熱解焚燒等[1],其中回轉(zhuǎn)窯焚燒是目前主要采用的方法?；剞D(zhuǎn)窯焚燒根據(jù)物料在窯內(nèi)的流動(dòng)方向,可分為順流式和逆流式兩種,目前國(guó)內(nèi)大多數(shù)危廢焚燒處置采用順流式回轉(zhuǎn)窯[2]。相對(duì)順流式回轉(zhuǎn)窯,逆流式回轉(zhuǎn)窯可以提供更充分的氣、固接觸混合空間,熱傳導(dǎo)效率更高,更有利于廢物的焚燒[3]。

中國(guó)恩菲工程技術(shù)有限公司(下稱“中國(guó)恩菲”)依托冶煉爐窯技術(shù)優(yōu)勢(shì)并結(jié)合有色冶煉渣逆流式回轉(zhuǎn)窯高溫焚燒技術(shù)特點(diǎn),自主開發(fā)新工藝、新技術(shù),開發(fā)了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的危險(xiǎn)廢物逆流式回轉(zhuǎn)窯熱解焚燒技術(shù)[4-5]。中國(guó)恩菲獨(dú)立設(shè)計(jì)的湖北省孝感固廢處置中心項(xiàng)目的焚燒系統(tǒng)即采用逆流式回轉(zhuǎn)窯焚燒技術(shù),目前已穩(wěn)定運(yùn)行兩年多。由于危險(xiǎn)廢物來源多樣、種類復(fù)雜,其處置過程中的物料配伍、爐渣熱灼減率、系統(tǒng)結(jié)焦等一直是行業(yè)內(nèi)較為關(guān)注的問題,本文結(jié)合恩菲孝感逆流式回轉(zhuǎn)窯的運(yùn)行對(duì)此類要點(diǎn)痛點(diǎn)問題進(jìn)行分析探討。

1 逆流式回轉(zhuǎn)窯焚燒工藝流程

焚燒生產(chǎn)線主要包括預(yù)處理系統(tǒng)、焚燒系統(tǒng)、余熱利用系統(tǒng)、煙氣處理系統(tǒng)及其他輔助系統(tǒng),其工藝流程如圖1所示。

圖1 工藝流程圖

預(yù)處理系統(tǒng)主要包括破碎和配伍等部分,目的是保證危險(xiǎn)廢物入爐順暢,控制入爐物料熱值穩(wěn)定。桶裝及袋裝廢物經(jīng)破碎、配伍后進(jìn)入回轉(zhuǎn)窯焚燒;對(duì)于不需要破碎的廢物,直接進(jìn)行配伍焚燒。

焚燒系統(tǒng)主要包括進(jìn)料系統(tǒng)、逆流式回轉(zhuǎn)窯、二燃室、出渣系統(tǒng)等。進(jìn)料系統(tǒng)以鏈板輸送機(jī)配合推料器進(jìn)料為主,輔以廢液噴射進(jìn)料系統(tǒng)。危險(xiǎn)廢物隨著回轉(zhuǎn)窯轉(zhuǎn)動(dòng)逐漸向窯尾移動(dòng)時(shí)發(fā)生如下變化:首先,在窯頭高溫?zé)煔庾饔孟?危險(xiǎn)廢物干燥且發(fā)生部分熱解反應(yīng);干燥后的廢物在窯中前部與氧含量低的煙氣接觸發(fā)生熱解反應(yīng),大部分熱解氣體隨煙氣從窯頭煙道進(jìn)入二燃室,少部分直接燃燒以保持窯內(nèi)溫度;在窯中后部,熱解殘?jiān)c助燃風(fēng)充分混合燃燒;爐渣在窯尾與助燃風(fēng)換熱后冷卻。危險(xiǎn)廢物在逆流式回轉(zhuǎn)窯內(nèi)經(jīng)過“干燥-熱解-燃燒-冷卻”工序后通過出渣器排出,熱解產(chǎn)生的可燃?xì)怏w、焚燒產(chǎn)生的煙氣及粉塵進(jìn)入二燃室內(nèi)繼續(xù)燃燒。

余熱利用系統(tǒng)主要包含余熱鍋爐系統(tǒng)、助燃風(fēng)加熱系統(tǒng)、布袋除塵器保溫、煙氣加熱系統(tǒng)等,換熱后的冷凝水循環(huán)再用。

煙氣處理系統(tǒng)包括SNCR系統(tǒng)、急冷系統(tǒng)、干式脫酸系統(tǒng)、除塵系統(tǒng)、濕式脫酸系統(tǒng)等。為避免二噁英在低溫時(shí)再次合成,煙氣在急冷塔內(nèi)迅速?gòu)臏囟?50 ℃左右降至200 ℃以下,急冷噴液量根據(jù)煙氣出口溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)。項(xiàng)目采用兩級(jí)濕式洗滌塔進(jìn)行脫酸,確保達(dá)到排放要求,煙氣經(jīng)一級(jí)洗滌塔后溫度降至70 ℃左右,然后進(jìn)入二級(jí)洗滌塔中進(jìn)行深度脫酸,濕式脫酸系統(tǒng)采用NaOH溶液中和吸收煙氣中的酸性氣體。

2 焚燒工藝控制重點(diǎn)

2.1 配伍與進(jìn)料

危廢物料配伍是結(jié)合各焚燒物料的物理化學(xué)性質(zhì),合理對(duì)物料成分、形態(tài)及熱值等作均質(zhì)化處理,以達(dá)到焚燒成分穩(wěn)定可控、均勻平衡焚燒的目的[6]。配伍須在保證物料相容性的前提下,滿足配伍后的物料熱值在合理的區(qū)間,以及敏感物料成分占比在合理的區(qū)間。常見的不相容廢物見表1。

表1 常見的不相容廢物

合理的熱值可以避免窯內(nèi)溫度超過設(shè)計(jì)值,從而延長(zhǎng)耐火材料壽命,以及減緩設(shè)備損耗。同時(shí)可以避免溫度過低,減少輔助燃料的消耗,從而降低生產(chǎn)運(yùn)行成本,避免焚燒系統(tǒng)溫度波動(dòng)引起煙氣排放不達(dá)標(biāo)。

敏感物料成分主要有酸性物質(zhì)、鹵族化合物、重金屬、堿金屬等。合理控制以上幾種敏感物料成分的占比,可減緩煙氣對(duì)設(shè)備的腐蝕,降低煙氣凈化系統(tǒng)的負(fù)擔(dān),改善焚燒系統(tǒng)敏感部位的結(jié)焦?fàn)顟B(tài)。

在生產(chǎn)過程中,危險(xiǎn)廢物專用運(yùn)輸車輛進(jìn)入場(chǎng)區(qū)后,首先對(duì)廢物抽樣化驗(yàn),再進(jìn)行稱量登記和儲(chǔ)存,而后進(jìn)一步分析確定廢物熱值、主要成分等。不同成分、熱值的固態(tài)、半固態(tài)物料在料坑內(nèi)分區(qū)存放,由行車抓斗計(jì)量配伍,滿足配伍設(shè)計(jì)要求,最終經(jīng)鏈板輸送機(jī)、推料機(jī)構(gòu)進(jìn)入回轉(zhuǎn)窯焚燒。

為確保焚燒系統(tǒng)和煙氣凈化系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行,配伍后物料需到達(dá)一定指標(biāo)后方可入爐[7]。結(jié)合生產(chǎn)實(shí)踐,入爐物料指標(biāo)設(shè)計(jì)值及實(shí)際運(yùn)行指標(biāo)波動(dòng)范圍見表2。

表2 焚燒系統(tǒng)入爐物料指標(biāo)

需要注意的是,部分危險(xiǎn)廢物采用鋼桶、塑料桶等一類包裝容器,以及編織袋包裝的一類松散物料進(jìn)行配伍。一類容器在破碎后通常呈一定大小的條狀、塊狀,在配伍和每次上料過程中,需控制此類包裝容器和物料的質(zhì)量比,防止在上料過程中出現(xiàn)鏈板輸送機(jī)卡死的情況,同時(shí)需及時(shí)清理鏈板機(jī)上積存的物料。

2.2 焚燒

由于逆流式回轉(zhuǎn)窯與順流式回轉(zhuǎn)窯焚燒原理上的差別,逆流式回轉(zhuǎn)窯的長(zhǎng)徑比若不合適,加之焚燒工藝參數(shù)控制不當(dāng),容易出現(xiàn)渣熱灼減率高的問題,因此對(duì)于逆流式回轉(zhuǎn)窯焚燒工藝,窯尾灰渣熱灼減率的控制尤其重要。

在實(shí)際運(yùn)行過程中,需要通過合理配伍,將不同物料的燃燒特性進(jìn)行相互融合,才能控制爐渣熱酌減率,實(shí)現(xiàn)持續(xù)、穩(wěn)定的焚燒。在滿足配伍熱值及其他理化指標(biāo)的前提下,提高高揮發(fā)分物料入窯比例,有利于保證窯頭溫度不低于800 ℃,促進(jìn)物料的進(jìn)一步熱解與后續(xù)燃燒。由表1可知,實(shí)際入爐物料指標(biāo)通常在設(shè)計(jì)值上下波動(dòng),反映在中控面板上通常為設(shè)備溫度、壓強(qiáng)及煙囪排放數(shù)值的變化,值班人員需要根據(jù)這些數(shù)值的變化適時(shí)調(diào)整設(shè)備及物料的參數(shù),如二燃室出口溫度低于標(biāo)準(zhǔn)值時(shí),可通過增加高熱值廢液的投加量或提高輔助燃燒器的功率來解決。

焚燒過程中,控制回轉(zhuǎn)窯轉(zhuǎn)速在0.10～0.25 r/min,保證物料停留時(shí)間,以降低灰渣熱灼減率?？赏ㄟ^觀察窯尾灰渣狀態(tài)做出大致判斷,若窯尾灰渣為暗紅色或無火星時(shí),說明熱灼減率合格;若灰渣仍在燃燒或伴有火星,說明灰渣熱灼減率偏高。熱灼減率偏高時(shí),可適當(dāng)降低回轉(zhuǎn)窯轉(zhuǎn)速,同時(shí)在滿足各設(shè)備進(jìn)出口煙氣溫度條件下,適當(dāng)增大窯尾供風(fēng)量。低熱值廢液主要是在回轉(zhuǎn)窯溫度高且穩(wěn)定時(shí)從窯尾投加,投加量以不對(duì)窯頭溫度產(chǎn)生較大波動(dòng)為前提?；剞D(zhuǎn)窯內(nèi)熱解氣體與燃燒煙氣混合一同進(jìn)入二燃室進(jìn)行二次燃燒。往二燃室內(nèi)噴入高熱值廢液和輔助燃料,確保出口溫度不低于1 100 ℃,二次燃燒后的煙氣在二燃室內(nèi)停留時(shí)間大于2 s。

2.3 急冷與脫酸

煙氣在急冷塔內(nèi)迅速?gòu)臏囟?50 ℃左右降至200 ℃以下,急冷噴液量根據(jù)煙氣出口溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)。需要注意的是,對(duì)于急冷噴液量調(diào)節(jié)閾值,不同項(xiàng)目可根據(jù)實(shí)際運(yùn)行情況調(diào)整溫度設(shè)置,防止噴液過少導(dǎo)致后續(xù)工藝的波動(dòng),以及噴液過多導(dǎo)致急冷塔內(nèi)飛灰泥漿化。

濕式脫酸系統(tǒng)采用兩級(jí)洗滌塔串聯(lián)的方式進(jìn)行脫酸,確保煙氣達(dá)到排放要求。煙氣中的酸性氣體被堿液吸收,吸收了酸性物質(zhì)的稀堿液在預(yù)冷和洗滌池中調(diào)節(jié)pH值后,經(jīng)預(yù)冷及洗滌泵打到塔內(nèi)再次循環(huán)噴淋。經(jīng)過多次循環(huán)噴淋洗滌,堿液中的含鹽量逐漸增大,依據(jù)理論和生產(chǎn)實(shí)踐,為防止脫酸塔內(nèi)大量晶體析出導(dǎo)致噴淋裝置堵塞,當(dāng)脫酸溶液密度達(dá)到 1.08 g/mL 時(shí),水池內(nèi)堿液將進(jìn)行開路外排至高鹽廢水處理站,同時(shí)將溶液電導(dǎo)率作為參考指標(biāo)。

3 結(jié)焦問題

實(shí)踐表明,順流式回轉(zhuǎn)窯實(shí)際運(yùn)行期間,窯內(nèi)存在較為嚴(yán)重的結(jié)焦問題。回轉(zhuǎn)窯內(nèi)結(jié)焦形式主要有以下幾種:1)回轉(zhuǎn)窯窯頭處結(jié)焦。主要原因是當(dāng)物料中低分子有機(jī)物相對(duì)較多時(shí),物料進(jìn)入回轉(zhuǎn)窯后迅速熱解燃燒,窯頭溫度迅速升高,物料與窯頭的助燃風(fēng)冷空氣接觸以后容易在窯內(nèi)壁處形成結(jié)焦。2)窯內(nèi)耐火材料結(jié)焦。當(dāng)回轉(zhuǎn)窯內(nèi)部采用的耐火澆注料往往孔隙率較大,致密性差,在焚燒過程中,低熔點(diǎn)鹽熔化,不斷侵蝕澆注料,與冷空氣接觸后容易粘結(jié)在耐火材料上。3)窯尾及二燃室底部結(jié)焦。此類結(jié)焦是順流式回轉(zhuǎn)窯最常見的結(jié)焦形式,主要成因是廢物焚燒后的灰分中含有較多的堿金屬,導(dǎo)致灰渣的熔點(diǎn)降低,灰渣在高溫段熔融移動(dòng)至低溫段時(shí),熔渣逐漸冷凝形成焦?fàn)畲髩K爐渣,同時(shí)窯尾處冷風(fēng)進(jìn)入,高溫熔渣遇冷更易結(jié)焦[8]。

逆流式回轉(zhuǎn)窯因工藝原理上的不同可以在很大程度上減弱順流式回轉(zhuǎn)窯產(chǎn)生的結(jié)焦問題。實(shí)際運(yùn)行過程中,物料通過推料器進(jìn)入回轉(zhuǎn)窯窯頭位置,而逆流式回轉(zhuǎn)窯窯頭通常為900 ℃左右的高溫區(qū)段,物料與從窯尾方向而來的高溫?zé)煔庵苯咏佑|,實(shí)現(xiàn)熱量的逆向傳遞,在缺氧的環(huán)境下,物料中的有機(jī)物迅速熱解成可燃?xì)怏w,隨煙氣流向二燃室。

在使用回轉(zhuǎn)窯處置危險(xiǎn)廢物的過程中,結(jié)焦的問題通常很難完全避免,為了減緩窯內(nèi)結(jié)焦問題,延長(zhǎng)設(shè)備運(yùn)行時(shí)間,降低停機(jī)檢修頻率,可采取如下必要措施:1)對(duì)進(jìn)入回轉(zhuǎn)窯內(nèi)的物料進(jìn)行合理的配伍,在熱值滿足要求時(shí),對(duì)易燃物料、含高分子有機(jī)物的物料、相對(duì)惰性的物料進(jìn)行搭配,使物料有階段性較明顯的熱解著火過程,避免火焰前移,造成煙氣攜帶高溫熔融液滴而堆積在煙道側(cè)壁,如熱值較高的廢活性炭可以與熱值較低的一類高含水率油水混合物配伍焚燒,同時(shí)可以摻雜部分精餾殘?jiān)?因?yàn)榫s殘?jiān)泻却袡C(jī)物,但須根據(jù)化驗(yàn)中心化驗(yàn)結(jié)果適量摻燒,以控制煙氣中鹵族化合物的含量,減緩設(shè)備腐蝕,同時(shí)減緩結(jié)焦;2)通過調(diào)控使助燃空氣進(jìn)入回轉(zhuǎn)窯的風(fēng)量及風(fēng)速,使物料在窯頭處于還原性氣氛中,推遲物料著火時(shí)間。

針對(duì)窯內(nèi)耐火磚結(jié)焦問題,可采取如下措施進(jìn)行解決:1)選擇合適的耐火材料,如在重要區(qū)段采用鋯鉻剛玉耐火磚,避免耐火材料與熔融堿性灰分結(jié)合形成熔渣;2)改善窯內(nèi)耐火磚結(jié)構(gòu),從而改變窯內(nèi)物料運(yùn)動(dòng)狀態(tài),使物料充分?jǐn)嚢?3)合理配伍,控制物料中堿性灰分的含量[9]。

對(duì)于逆流式回轉(zhuǎn)窯來說,窯尾出渣段結(jié)焦并不嚴(yán)重,在加強(qiáng)清理的同時(shí),可以采取有效的措施來盡量避免結(jié)焦:1)合理配伍,控制物料中堿金屬的含量不超過5%,若物料中含有較多的鈉、鉀等堿金屬,與物料中的灰渣成分形成熔點(diǎn)較低的物質(zhì),在高溫段熔融后,行至窯尾低溫段后冷凝結(jié)焦;2)改進(jìn)窯尾密封結(jié)構(gòu),降低設(shè)備漏風(fēng)率[10],通常采用魚鱗片形式結(jié)合特殊防漏風(fēng)結(jié)構(gòu),控制漏風(fēng)率小于3%。

4 結(jié)束語

與傳統(tǒng)順流式回轉(zhuǎn)窯相比,逆流式回轉(zhuǎn)窯具有一定的優(yōu)勢(shì),但需要在運(yùn)行過程中合理控制參數(shù)來實(shí)現(xiàn)。配伍和焚燒過程作為焚燒處置工藝的核心階段,工藝調(diào)整不是靠簡(jiǎn)單地控制一個(gè)參數(shù)就能實(shí)現(xiàn)的,而是多個(gè)參數(shù)相互關(guān)聯(lián)、互相制約。為保證處置線穩(wěn)定高效運(yùn)行,需要操作人員根據(jù)物料種類、狀態(tài)、窯內(nèi)焚燒狀態(tài)、灰渣狀態(tài)等情況進(jìn)行調(diào)整。逆流式回轉(zhuǎn)窯的成功運(yùn)行,為我國(guó)危險(xiǎn)廢物、醫(yī)療廢物處置領(lǐng)域技術(shù)提供了新的選擇,推動(dòng)了環(huán)保產(chǎn)業(yè)的發(fā)展與技術(shù)進(jìn)步。