危废焚烧回转窑技术及内衬耐材选择
2023-01-28 16:45:48 点击：
我國(guó)的危废处置从1990 年开始起步，到1996 年初步形成相关管理(lǐ)，直至2008年才形成《危废名录》，2013年，两高司法解释，“非法排放、倾倒、处理(lǐ)3吨以上危废将入刑”，被视為(wèi)我國(guó)危废处理(lǐ)行业启动的关键点。2016年上半年，《土壤污染防治行动计划》、《危险废物(wù)名录(2016年版)》等危废处理(lǐ)相关专项规划的相继颁布实施，2017年，《“十三五”全國(guó)危险废物(wù)规范化管理(lǐ)督查考核工作方案》颁布，2018年，生态环境部开展“清废行动2018”计划、工信部开展長(cháng)江经济带工业绿色发展行动，2019年11月12日，生态环境部办公厅发布《危险废物(wù)焚烧污染控制标准(二次征求意见稿)》，2020年3月10日，标准《固體(tǐ)废物(wù)玻璃化处理(lǐ)产物(wù)技术要求(征求意见稿)》公开征求意见等，均让危废处理(lǐ)行业发展提速，进一步催化危废处理(lǐ)行业发展机遇。
随着工业的发展，工业生产过程排放的危废日益增多(duō)。2016年，214个大、中城市工业危废产生量达3344.6万吨，其中，工业危废综合利用(yòng)量占利用(yòng)处置总量的45.3%，处置、贮存分(fēn)别占比43.8%和10.9%，有(yǒu)效地利用(yòng)和处置是处理(lǐ)工业危废的主要途径。2018年，200个大、中城市工业危废产生量达4643.0万吨，预计2020年因為(wèi)疫情原因，危废将增至近1亿吨。
我國(guó)危废焚烧技术
实践证明，回转窑或水泥窑焚烧处理(lǐ)技术可(kě)以处理(lǐ)固體(tǐ)、液體(tǐ)和气體(tǐ)状态的工业危废，是当今处理(lǐ)危废广泛的处置技术。截至2019年7月，我國(guó)已取得危废经营许可(kě)证的水泥窑协同处置项目75个(不包含港澳台地區(qū))，核准规模462.52万吨。目前水泥窑协同处理(lǐ)危废主要包括固體(tǐ)危废、废液以及RDF替代燃料等，主要从预热器、分(fēn)解炉、后窑口以及窑头罩等部位处理(lǐ)，典型入料方式如图1所示。与传统填埋、焚烧的处理(lǐ)方式相比，水泥窑协同处置废弃物(wù)有(yǒu)着明显的优势，但由于起步晚，技术、运营、监管等多(duō)方面的构建尚不健全。由于水泥工艺和产品质量管控日趋严格，很(hěn)多(duō)危废禁止在水泥窑中协同处置，而且协同危废处理(lǐ)后对运营工况、烟气成分(fēn)、物(wù)料组份都造成很(hěn)大变化和波动，加剧了水泥窑筒體(tǐ)腐蚀和系统内结圈或者结皮，缩短了耐火材料使用(yòng)寿命，严重影响了水泥窑長(cháng)周期稳定运行。
回转窑焚烧炉是危废焚烧装置，如图2所示，主體(tǐ)设备由回转窑、二燃室、余热锅炉、急冷塔、脱酸、除尘系统构成。经过预处理(lǐ)的各类危废通过不同喂料方式进入燃烧系统，在自身重力和回转窑的连续旋转作用(yòng)下，物(wù)料和助燃空气充分(fēn)接触，完成干燥、气化和燃烧过程，然后残留部分(fēn)淬冷成灰渣。
图1 水泥窑协同处理(lǐ)危废系统1-篦冷机;2-窑头罩;3-回转窑;4-烟室;5-分(fēn)解炉;6-预热器
图2 回转窑焚烧炉系统1-料坑;2-进料系统;3-回转窑;
4-二燃室;5-锅炉;6-急冷塔;7-脱酸塔;8-除尘;9-烟囱
根据炉气和固體(tǐ)流动方向的不同，或回转窑中燃烧器的位置，回转窑焚烧炉可(kě)以分(fēn)為(wèi)逆流和顺流两种形式。其中，燃烧器热源在回转窑的进料端，固體(tǐ)和烟气走向相同，成為(wèi)顺流式;反之，燃烧器热源在出料端，固體(tǐ)和烟气走向相反，称為(wèi)逆流式。目前危废焚烧系统主要是以顺流式回转窑的设计為(wèi)主，逆流式回转窑更适用(yòng)于含水率高或热值低的危废等。回转窑焚烧炉具有(yǒu)适用(yòng)性广特点，可(kě)同时处理(lǐ)固體(tǐ)、液體(tǐ)和气體(tǐ)的危废。环保要求日趋严格形势下，回转窑危废焚烧炉优势明显。据统计，我國(guó)回转窑危废焚烧系统约有(yǒu)800条处理(lǐ)生产線(xiàn)，处理(lǐ)能(néng)力从20t/d到120t/d不等。2018年我國(guó)危废焚烧处置产能(néng)规模达到616万t/年，其中回转窑焚烧占比53%，主要分(fēn)布在浙江、江苏、山(shān)东、河北、福建等地。
回转窑危废焚烧炉耐火内衬设计
1、回转窑本體(tǐ)
回转窑焚烧炉关键设备即為(wèi)回转窑本體(tǐ)，因其是一种动态运转设备，对内衬结构设计要求较高，首先要确保耐火内衬在动态高温状态运行下整體(tǐ)内衬的稳定性，防止耐火砖掉砖、抽签等问题。对于危废回转窑系统而言，由于转速比较慢，一般在1转/分(fēn)以下，可(kě)以根据厂房设计和节能(néng)要求选择单层砖、双层砖、复合砖和整體(tǐ)浇注等不同结构，如图3所示。回转窑耐火材料总厚度一般是250-300mm不等，其中工作层耐火砖材质一般根据处理(lǐ)温度和危废种类不同，可(kě)以选择高铝质、刚玉莫来石质以及铬锆刚玉质耐火材料等。
图3 回转窑内衬设计
采用(yòng)厚度230-300mm单层结构时，由于耐火材料导热系数大多(duō)在1.7-2.0以上，后期高温區(qū)窑外壁温度达到350℃以上，但是整體(tǐ)结构稳定，适合于回转窑在室外的项目。采用(yòng)隔热砖和耐火砖双层结构，因為(wèi)隔热砖导热系数低，能(néng)起到降低窑皮温度作用(yòng)，窑外壁温度可(kě)以控制在220℃左右甚至以下，节能(néng)效果好，但是对施工要求较高，适合于室内项目。这里要注意隔热砖强度一般要求大于20MPa，隔热砖厚度设计不能(néng)低于50mm。既要达到单层砖的稳定性，又(yòu)要降低外壁温度，可(kě)以设计复合砖，即工作面是刚玉砖、铬刚玉砖，背面是氧化铝空心球、高铝或者粘土质，隔热层厚度约為(wèi)50-70mm。这种产品生产效率低，而且由于工作层和隔热层材质热膨胀系数和烧结收缩率不同，因此，在连接处容易产生微裂纹，废品率较高。
鉴于此，可(kě)以采用(yòng)凹槽型复合砖设计，如图4所示，工作层材质不变，尾部开槽后填充纳米板等绝热材料。这种凹槽砖型复合砖，不仅生产和施工方便，而且可(kě)以取得降低筒體(tǐ)外壁温度30-50℃左右效果。
图4 凹槽砖型设计示意图
另外，部分(fēn)回转窑采用(yòng)轻质浇注料或者纤维板等作為(wèi)隔材料，工作层采用(yòng)重质浇注料(金属抓钉锚固)双层浇注结构，可(kě)以合理(lǐ)控制回转窑外壁温度。该结构采用(yòng)金属件把耐火材料和筒體(tǐ)连為(wèi)一體(tǐ)，不存在耐火砖脱落问题，但是金属件焊接质量和浇注料中水份烘干排出是关键。
表1 几种回转窑设计方案优缺点
以上几种设计方案优缺点如表1所示。相比较而言，耐火砖方案检修和更换方便，受环境和人為(wèi)因素影响较小(xiǎo)。现在新(xīn)建项目回转窑基本都是室外设计，随着提产和环保要求，采用(yòng)单层结构稳定性较好，高温區(qū)可(kě)以考虑凹槽复合砖方式，降低外壁温度。而且从防腐蚀角度，筒體(tǐ)外壁温度控制在160-320℃區(qū)间，比较合理(lǐ)。
2、二燃室
二燃室主要功能(néng)是对烟气进行二次燃烧处理(lǐ)，可(kě)燃成份、飞灰颗粒以及二噁英等焚烧分(fēn)解，物(wù)理(lǐ)和化學(xué)反应同时存在，反应剧烈。二燃室一般包括耐火材料、保温材料和绝热材料。其中，耐火材料是指工作层重质浇注料、可(kě)塑料或者耐火砖等，保温材料是指保温浇注料和保温砖等，绝热材料是指硅酸钙板、陶瓷纤维板以及纳米板等。目前二燃室内衬设计主要包括三种方式，如图5所示：1)方案一，包括耐火材料、保温材料和绝热材料;这种三层结构设计，以总厚度450mm為(wèi)例，外壁温度為(wèi)80-90℃。2)方案二，包括耐火材料和保温材料。该结构外壁温度较高，以305mm总厚為(wèi)例，温度约达到150℃。3)方案三，包括耐火材料和绝热材料。这种方案介于前两种方案之间，以270mm总厚為(wèi)例，外壁温度约為(wèi)110℃以上。一般而言，二燃室温度约為(wèi)1100-1200℃，燃烧器局部温度甚至达到1300℃以上，所以工作层选择刚玉莫来石质即可(kě)满足使用(yòng)要求，燃烧器區(qū)域工作层建议使用(yòng)刚玉质或者铬刚玉质材料。相比较而言，方案一的三层结构设计稳定性好，不容易因漏气或者串火，导致筒體(tǐ)高温腐蚀或者超温变形而停炉检修。
图5 二燃室典型耐火内衬设计
3、其他(tā)部位
余热锅炉部分(fēn)主要是灰斗、集箱、顶部密封以及出口烟道需要使用(yòng)部分(fēn)耐磨浇注料，其中灰斗采用(yòng)绝热材料和耐磨浇注料双层结果较多(duō)，总厚度一般在200-250mm。
急冷塔使用(yòng)耐酸浇注料或者耐酸胶泥，顶部往下约2米區(qū)域温度较高可(kě)以采用(yòng)25mm绝热材料作為(wèi)隔热层，内衬总厚度100mm即可(kě)。
典型回转窑危废工艺与耐材设计
根据现场调研发现，耐火材料损毁主要集中于回转窑本體(tǐ)區(qū)域。危废焚烧主要包括以下几种典型处理(lǐ)工艺，针对此，提出以下设计优化建议。
1、处理(lǐ)含水率高物(wù)料
进窑物(wù)料含水率高，进料端耐火材料热剥落严重，热震稳定性好的莫来石质、刚玉莫来石质、刚玉碳化硅质等耐火材料适用(yòng)于此區(qū)域。
2、窑头废液处理(lǐ)量大、雾化不好
一般窑头通过雾化枪处理(lǐ)废液，焚烧區(qū)域主要在干燥段，受设备影响如果雾化效果不好时，该區(qū)域耐火材料也会出现剥落损毁，莫来石质、刚玉莫来石质、刚玉碳化硅质材料同样适用(yòng)于此。运行时，一般要增加检查雾化设备频次，同时废液处理(lǐ)量不超过30%為(wèi)宜。
3、铁皮(桶)等硬料处理(lǐ)量大
铁桶等物(wù)料硬度大，回转窑转速慢，物(wù)料在窑内反复旋转造成进料區(qū)机械磨损严重。选择强度高、耐磨性更好的刚玉碳化硅质耐火材料使用(yòng)效果良好。
4、含低熔点盐量高的物(wù)料
物(wù)料含K、Na盐量大于5%以上后，熔点较低，容易形成高温熔渣，对耐火材料渗透、侵蚀严重。出现高温熔渣时，高温區(qū)耐火材料选择铬锆刚玉质较為(wèi)合适，一般Cr2O3含量為(wèi)3-10%不等。
5、含氟量高的物(wù)料
物(wù)料中含氟比例较高，达1-4%时，如式(1)所示，由于F和耐火材料中Si很(hěn)容易反应形成SiF4气化，造成衬里基质结构破坏，快速侵蚀;要严格控制耐火材料中杂质含量尤其是二氧化硅含量，采用(yòng)Cr2O3含量為(wèi)9-15%铬刚玉材料，可(kě)以满足回转窑正常运行需要。
SiO2 + 4HF = SiF4↑ + 2H2O (1)
结语
危废焚烧是新(xīn)兴领域，其中危废种类复杂繁多(duō)，物(wù)性、热值差异较大，回转窑和二燃室内衬根据需要，设计形式多(duō)样。随着对危废的监管力度加大，大型回转窑焚烧技术将在危废处理(lǐ)中得到更广泛的应用(yòng)，对回转窑焚烧炉耐火材料选型和设计提出了挑战。
