危廢焚燒回轉(zhuǎn)窯技術(shù)及內(nèi)襯耐材選擇

 

隨著工業(yè)的發(fā)展，工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程排放的危廢日益增多。2016年，214個(gè)大、中城市工業(yè)危廢產(chǎn)生量達(dá)3344.6萬(wàn)噸，其中，工業(yè)危廢綜合利用量占利用處置總量的45.3%，處置、貯存分別占比43.8%和10.9%，有效地利用和處置是處理工業(yè)危廢的主要途徑。2018年，200個(gè)大、中城市工業(yè)危廢產(chǎn)生量達(dá)4643.0萬(wàn)噸，預(yù)計(jì)2020年因?yàn)橐咔樵?，危廢將增至近1億噸。

 

我國(guó)危廢焚燒技術(shù)

實(shí)踐證明，回轉(zhuǎn)窯或水泥窯焚燒處理技術(shù)可以處理固體、液體和氣體狀態(tài)的工業(yè)危廢，是當(dāng)今處理危廢廣泛的處置技術(shù)。截至2019年7月，我國(guó)已取得危廢經(jīng)營(yíng)許可證的水泥窯協(xié)同處置項(xiàng)目75個(gè)(不包含港澳臺(tái)地區(qū))，核準(zhǔn)規(guī)模462.52萬(wàn)噸。目前水泥窯協(xié)同處理危廢主要包括固體危廢、廢液以及RDF替代燃料等，主要從預(yù)熱器、分解爐、后窯口以及窯頭罩等部位處理，典型入料方式如圖1所示。與傳統(tǒng)填埋、焚燒的處理方式相比，水泥窯協(xié)同處置廢棄物有著明顯的優(yōu)勢(shì)，但由于起步晚，技術(shù)、運(yùn)營(yíng)、監(jiān)管等多方面的構(gòu)建尚不健全。由于水泥工藝和產(chǎn)品質(zhì)量管控日趨嚴(yán)格，很多危廢禁止在水泥窯中協(xié)同處置，而且協(xié)同危廢處理后對(duì)運(yùn)營(yíng)工況、煙氣成分、物料組份都造成很大變化和波動(dòng)，加劇了水泥窯筒體腐蝕和系統(tǒng)內(nèi)結(jié)圈或者結(jié)皮，縮短了耐火材料使用壽命，嚴(yán)重影響了水泥窯長(zhǎng)周期穩(wěn)定運(yùn)行。

 

回轉(zhuǎn)窯焚燒爐是危廢焚燒裝置，如圖2所示，主體設(shè)備由回轉(zhuǎn)窯、二燃室、余熱鍋爐、急冷塔、脫酸、除塵系統(tǒng)構(gòu)成。經(jīng)過(guò)預(yù)處理的各類危廢通過(guò)不同喂料方式進(jìn)入燃燒系統(tǒng)，在自身重力和回轉(zhuǎn)窯的連續(xù)旋轉(zhuǎn)作用下，物料和助燃空氣充分接觸，完成干燥、氣化和燃燒過(guò)程，然后殘留部分淬冷成灰渣。

 

圖1 水泥窯協(xié)同處理危廢系統(tǒng)1-篦冷機(jī);2-窯頭罩;3-回轉(zhuǎn)窯;4-煙室;5-分解爐;6-預(yù)熱器

 

 

 

圖2 回轉(zhuǎn)窯焚燒爐系統(tǒng)1-料坑;2-進(jìn)料系統(tǒng);3-回轉(zhuǎn)窯;

4-二燃室;5-鍋爐;6-急冷塔;7-脫酸塔;8-除塵;9-煙囪

 

根據(jù)爐氣和固體流動(dòng)方向的不同，或回轉(zhuǎn)窯中燃燒器的位置，回轉(zhuǎn)窯焚燒爐可以分為逆流和順流兩種形式。其中，燃燒器熱源在回轉(zhuǎn)窯的進(jìn)料端，固體和煙氣走向相同，成為順流式;反之，燃燒器熱源在出料端，固體和煙氣走向相反，稱為逆流式。目前危廢焚燒系統(tǒng)主要是以順流式回轉(zhuǎn)窯的設(shè)計(jì)為主，逆流式回轉(zhuǎn)窯更適用于含水率高或熱值低的危廢等?；剞D(zhuǎn)窯焚燒爐具有適用性廣特點(diǎn)，可同時(shí)處理固體、液體和氣體的危廢。環(huán)保要求日趨嚴(yán)格形勢(shì)下，回轉(zhuǎn)窯危廢焚燒爐優(yōu)勢(shì)明顯。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)回轉(zhuǎn)窯危廢焚燒系統(tǒng)約有800條處理生產(chǎn)線，處理能力從20t/d到120t/d不等。2018年我國(guó)危廢焚燒處置產(chǎn)能規(guī)模達(dá)到616萬(wàn)t/年，其中回轉(zhuǎn)窯焚燒占比53%，主要分布在浙江、江蘇、山東、河北、福建等地。

 

回轉(zhuǎn)窯危廢焚燒爐耐火內(nèi)襯設(shè)計(jì)

 

1、回轉(zhuǎn)窯本體

回轉(zhuǎn)窯焚燒爐關(guān)鍵設(shè)備即為回轉(zhuǎn)窯本體，因其是一種動(dòng)態(tài)運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)備，對(duì)內(nèi)襯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求較高，首先要確保耐火內(nèi)襯在動(dòng)態(tài)高溫狀態(tài)運(yùn)行下整體內(nèi)襯的穩(wěn)定性，防止耐火磚掉磚、抽簽等問(wèn)題。對(duì)于危廢回轉(zhuǎn)窯系統(tǒng)而言，由于轉(zhuǎn)速比較慢，一般在1轉(zhuǎn)/分以下，可以根據(jù)廠房設(shè)計(jì)和節(jié)能要求選擇單層磚、雙層磚、復(fù)合磚和整體澆注等不同結(jié)構(gòu)，如圖3所示?；剞D(zhuǎn)窯耐火材料總厚度一般是250-300mm不等，其中工作層耐火磚材質(zhì)一般根據(jù)處理溫度和危廢種類不同，可以選擇高鋁質(zhì)、剛玉莫來(lái)石質(zhì)以及鉻鋯剛玉質(zhì)耐火材料等。

 

 

圖3 回轉(zhuǎn)窯內(nèi)襯設(shè)計(jì)

 

采用厚度230-300mm單層結(jié)構(gòu)時(shí)，由于耐火材料導(dǎo)熱系數(shù)大多在1.7-2.0以上，后期高溫區(qū)窯外壁溫度達(dá)到350℃以上，但是整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，適合于回轉(zhuǎn)窯在室外的項(xiàng)目。采用隔熱磚和耐火磚雙層結(jié)構(gòu)，因?yàn)楦魺岽u導(dǎo)熱系數(shù)低，能起到降低窯皮溫度作用，窯外壁溫度可以控制在220℃左右甚至以下，節(jié)能效果好，但是對(duì)施工要求較高，適合于室內(nèi)項(xiàng)目。這里要注意隔熱磚強(qiáng)度一般要求大于20MPa，隔熱磚厚度設(shè)計(jì)不能低于50mm。既要達(dá)到單層磚的穩(wěn)定性，又要降低外壁溫度，可以設(shè)計(jì)復(fù)合磚，即工作面是剛玉磚、鉻剛玉磚，背面是氧化鋁空心球、高鋁或者粘土質(zhì)，隔熱層厚度約為50-70mm。這種產(chǎn)品生產(chǎn)效率低，而且由于工作層和隔熱層材質(zhì)熱膨脹系數(shù)和燒結(jié)收縮率不同，因此，在連接處容易產(chǎn)生微裂紋，廢品率較高。

 

鑒于此，可以采用凹槽型復(fù)合磚設(shè)計(jì)，如圖4所示，工作層材質(zhì)不變，尾部開(kāi)槽后填充納米板等絕熱材料。這種凹槽磚型復(fù)合磚，不僅生產(chǎn)和施工方便，而且可以取得降低筒體外壁溫度30-50℃左右效果。

 

圖4 凹槽磚型設(shè)計(jì)示意圖

 

另外，部分回轉(zhuǎn)窯采用輕質(zhì)澆注料或者纖維板等作為隔材料，工作層采用重質(zhì)澆注料(金屬抓釘錨固)雙層澆注結(jié)構(gòu)，可以合理控制回轉(zhuǎn)窯外壁溫度。該結(jié)構(gòu)采用金屬件把耐火材料和筒體連為一體，不存在耐火磚脫落問(wèn)題，但是金屬件焊接質(zhì)量和澆注料中水份烘干排出是關(guān)鍵。

 

表1 幾種回轉(zhuǎn)窯設(shè)計(jì)方案優(yōu)缺點(diǎn)

 

以上幾種設(shè)計(jì)方案優(yōu)缺點(diǎn)如表1所示。相比較而言，耐火磚方案檢修和更換方便，受環(huán)境和人為因素影響較小?，F(xiàn)在新建項(xiàng)目回轉(zhuǎn)窯基本都是室外設(shè)計(jì)，隨著提產(chǎn)和環(huán)保要求，采用單層結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較好，高溫區(qū)可以考慮凹槽復(fù)合磚方式，降低外壁溫度。而且從防腐蝕角度，筒體外壁溫度控制在160-320℃區(qū)間，比較合理。

 

2、二燃室

二燃室主要功能是對(duì)煙氣進(jìn)行二次燃燒處理，可燃成份、飛灰顆粒以及二噁英等焚燒分解，物理和化學(xué)反應(yīng)同時(shí)存在，反應(yīng)劇烈。二燃室一般包括耐火材料、保溫材料和絕熱材料。其中，耐火材料是指工作層重質(zhì)澆注料、可塑料或者耐火磚等，保溫材料是指保溫澆注料和保溫磚等，絕熱材料是指硅酸鈣板、陶瓷纖維板以及納米板等。目前二燃室內(nèi)襯設(shè)計(jì)主要包括三種方式，如圖5所示：1)方案一，包括耐火材料、保溫材料和絕熱材料;這種三層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以總厚度450mm為例，外壁溫度為80-90℃。2)方案二，包括耐火材料和保溫材料。該結(jié)構(gòu)外壁溫度較高，以305mm總厚為例，溫度約達(dá)到150℃。3)方案三，包括耐火材料和絕熱材料。這種方案介于前兩種方案之間，以270mm總厚為例，外壁溫度約為110℃以上。一般而言，二燃室溫度約為1100-1200℃，燃燒器局部溫度甚至達(dá)到1300℃以上，所以工作層選擇剛玉莫來(lái)石質(zhì)即可滿足使用要求，燃燒器區(qū)域工作層建議使用剛玉質(zhì)或者鉻剛玉質(zhì)材料。相比較而言，方案一的三層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)穩(wěn)定性好，不容易因漏氣或者串火，導(dǎo)致筒體高溫腐蝕或者超溫變形而停爐檢修。

 

圖5 二燃室典型耐火內(nèi)襯設(shè)計(jì)

 

3、其他部位

余熱鍋爐部分主要是灰斗、集箱、頂部密封以及出口煙道需要使用部分耐磨澆注料，其中灰斗采用絕熱材料和耐磨澆注料雙層結(jié)果較多，總厚度一般在200-250mm。

 

急冷塔使用耐酸澆注料或者耐酸膠泥，頂部往下約2米區(qū)域溫度較高可以采用25mm絕熱材料作為隔熱層，內(nèi)襯總厚度100mm即可。

 

典型回轉(zhuǎn)窯危廢工藝與耐材設(shè)計(jì)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，耐火材料損毀主要集中于回轉(zhuǎn)窯本體區(qū)域。危廢焚燒主要包括以下幾種典型處理工藝，針對(duì)此，提出以下設(shè)計(jì)優(yōu)化建議。

 

1、處理含水率高物料

進(jìn)窯物料含水率高，進(jìn)料端耐火材料熱剝落嚴(yán)重，熱震穩(wěn)定性好的莫來(lái)石質(zhì)、剛玉莫來(lái)石質(zhì)、剛玉碳化硅質(zhì)等耐火材料適用于此區(qū)域。

 

2、窯頭廢液處理量大、霧化不好

一般窯頭通過(guò)霧化槍處理廢液，焚燒區(qū)域主要在干燥段，受設(shè)備影響如果霧化效果不好時(shí)，該區(qū)域耐火材料也會(huì)出現(xiàn)剝落損毀，莫來(lái)石質(zhì)、剛玉莫來(lái)石質(zhì)、剛玉碳化硅質(zhì)材料同樣適用于此。運(yùn)行時(shí)，一般要增加檢查霧化設(shè)備頻次，同時(shí)廢液處理量不超過(guò)30%為宜。

 

3、鐵皮(桶)等硬料處理量大

鐵桶等物料硬度大，回轉(zhuǎn)窯轉(zhuǎn)速慢，物料在窯內(nèi)反復(fù)旋轉(zhuǎn)造成進(jìn)料區(qū)機(jī)械磨損嚴(yán)重。選擇強(qiáng)度高、耐磨性更好的剛玉碳化硅質(zhì)耐火材料使用效果良好。

 

4、含低熔點(diǎn)鹽量高的物料

物料含K、Na鹽量大于5%以上后，熔點(diǎn)較低，容易形成高溫熔渣，對(duì)耐火材料滲透、侵蝕嚴(yán)重。出現(xiàn)高溫熔渣時(shí)，高溫區(qū)耐火材料選擇鉻鋯剛玉質(zhì)較為合適，一般Cr2O3含量為3-10%不等。

 

5、含氟量高的物料

物料中含氟比例較高，達(dá)1-4%時(shí)，如式(1)所示，由于F和耐火材料中Si很容易反應(yīng)形成SiF4氣化，造成襯里基質(zhì)結(jié)構(gòu)破壞，快速侵蝕;要嚴(yán)格控制耐火材料中雜質(zhì)含量尤其是二氧化硅含量，采用Cr2O3含量為9-15%鉻剛玉材料，可以滿足回轉(zhuǎn)窯正常運(yùn)行需要。

 

SiO2 + 4HF = SiF4↑ + 2H2O (1)

 

結(jié)語(yǔ)

危廢焚燒是新興領(lǐng)域，其中危廢種類復(fù)雜繁多，物性、熱值差異較大，回轉(zhuǎn)窯和二燃室內(nèi)襯根據(jù)需要，設(shè)計(jì)形式多樣。隨著對(duì)危廢的監(jiān)管力度加大，大型回轉(zhuǎn)窯焚燒技術(shù)將在危廢處理中得到更廣泛的應(yīng)用，對(duì)回轉(zhuǎn)窯焚燒爐耐火材料選型和設(shè)計(jì)提出了挑戰(zhàn)。