回轉(zhuǎn)窯處理危險廢物的工程設(shè)計

1、中國冶金裝備網(wǎng)中國冶金人的網(wǎng)回轉(zhuǎn)窯處理危險廢物的工程設(shè)計摘 要危險廢棄物因其對環(huán)境極大的破壞性，以及對人類和牲畜健康的巨大威脅而需特殊處理。熱處理法是最有效的危險廢棄物處理方法，而回轉(zhuǎn)窯是危險廢棄物處理中最有效的設(shè)備。本文介紹了回轉(zhuǎn)窯處理危險廢物在國內(nèi)外的應(yīng)用現(xiàn)狀，在分析各種回轉(zhuǎn)窯特點的基礎(chǔ)上，總結(jié)出了當(dāng)前最適合處理危險廢物的回轉(zhuǎn)窯的形式。本文結(jié)合工程實際，詳細(xì)介紹了回轉(zhuǎn)窯處理危險廢物系統(tǒng)的設(shè)計過程，并對回轉(zhuǎn)窯處理危險廢物工程焚燒系統(tǒng)中出現(xiàn)的常見問題進(jìn)行了深入的剖析。關(guān)鍵詞：危險廢物，回轉(zhuǎn)窯，燃燒, 設(shè)計方案Engineering Design of Disposing Hazardous W

2、aste by Rotary Kiln SystemsZHANG Shaokun(Beijing Machinery Electricity Institute CO, . LTD )Abstract: Hazardous waste needs proper treatment for its huge danger to environment and health of human beings and animals. Thermal treatment was considered to be the most effective method to dispose hazardou

3、s waste and rotary kiln was the most suitable facility for its versatile to handle all kinds of hazardous waste. The technology of utilizing rotary kiln to dispose hazardous waste and its latest progress made in this field were reviewed. Based on characteristics of all kinds of rotary kiln, the most

4、 suitable rotary kiln form for disposing hazardous waste was summarized. With project practice, detailed designing process of disposing hazardous waste was discussed. Finally, the most familiar problems in utilizing rotary kiln to dispose hazardous waste were analyzed. Keywords: hazardous waste, rot

5、ary kiln, combustion1緒 論在我國開始工業(yè)化，邁向城市化的同時，社會的物質(zhì)消耗量也急劇增加，大量的廢棄物也因此產(chǎn)生。在眾多的廢棄物中，危險廢物占有較大比重。危險廢物是指根據(jù)國家統(tǒng)一規(guī)定的方法鑒別認(rèn)定的具有毒性、易燃性、易爆性、腐蝕性、化學(xué)反應(yīng)等性質(zhì)的，對人體健康和環(huán)境能造成危害的廢物，如醫(yī)院臨床廢物、多氯聯(lián)苯類廢物、廢電池、廢礦物油、含汞廢日光燈管等。危險廢物需經(jīng)過處理才能進(jìn)入環(huán)境，熱處理法是最有效的危險廢棄物處理方法，而回轉(zhuǎn)窯是危險廢棄物處理中最有效的設(shè)備?；剞D(zhuǎn)窯處理危險廢物技術(shù)在發(fā)達(dá)國家如美國、加拿大、日本等早在七十年代就已開始采用。根據(jù)日本麻省水泥株式會社的一份資料上

6、顯示，日本在回轉(zhuǎn)窯上處理工業(yè)危險廢物具有面廣、量多的特點，目前已能處理包括生活污泥在內(nèi)的多種危險廢物。在我國，由于危險廢物處理技術(shù)起步較晚，危險廢棄物多在未處理的情況下排放。據(jù)統(tǒng)計：1998 年我國總計產(chǎn)生工業(yè)固體廢棄物800068萬t，其中危險廢棄物973.6萬t，而危險廢物的處理量僅為130.8萬t。這說明大部分的危險廢棄物在未經(jīng)處理的情況下排放，對環(huán)境帶來的后果是十分嚴(yán)重的1。我國危險廢物管理的階段性目標(biāo)是：到2010年，重點區(qū)域和重點城市的危險廢物基本實現(xiàn)環(huán)境無害化處理；到2015年，所有城市的危險廢物基本實現(xiàn)環(huán)境無害化處理處理。目前，國內(nèi)各省、直轄市都已開建或正準(zhǔn)備開建省級危廢處理中

7、心，我國的危險廢物處理工作正在逐步趨于規(guī)范和完善。2回轉(zhuǎn)窯運(yùn)轉(zhuǎn)形式的確定目前，市場上回轉(zhuǎn)窯的種類很多，其運(yùn)行形式也各不相同，并不是所有的回轉(zhuǎn)窯都可用于危險廢物的處理工程，有必要根據(jù)危險廢物的特點確定出適合危險廢物處理的回轉(zhuǎn)窯的形式。2.1回轉(zhuǎn)窯操作方式的選擇按氣、固體在回轉(zhuǎn)窯內(nèi)流動方向的不同，回轉(zhuǎn)窯可分為順流式回轉(zhuǎn)窯（co-current flow kiln）和逆流式回轉(zhuǎn)窯（counter-current flow kiln）兩種，詳見圖1-12。圖1-1回轉(zhuǎn)窯順、逆流操作方式示意圖在順流操作方式下，危險廢棄物在窯內(nèi)預(yù)熱、燃燒以及燃盡階段較為明顯，進(jìn)料、進(jìn)風(fēng)及輔助燃燒器的布置簡便，操作維護(hù)方便

8、，有利于廢物的進(jìn)料及前置處理，同時煙氣停留時間較長。在逆流操作模式下，回轉(zhuǎn)窯可提供較佳的氣、固混合及接觸，傳熱效率高，可增加其燃燒速度。但逆流操作方式需要復(fù)雜的上料系統(tǒng)和除渣系統(tǒng)，成本高；同時，由于氣固相對速度大，煙氣帶走的粉塵量相對較高， 增加了控制回轉(zhuǎn)窯內(nèi)燃燒狀況和煙氣停留時間的難度。因此，順流式回轉(zhuǎn)窯焚燒爐更適于危險廢物的處理，應(yīng)用更為廣泛。2.2回轉(zhuǎn)窯燃燒模式的選擇依據(jù)回轉(zhuǎn)窯內(nèi)燃燒時灰渣狀態(tài)和爐內(nèi)溫度的不同，回轉(zhuǎn)窯可分為熔渣式回轉(zhuǎn)窯(slagging rotary kiln)和非熔渣式回轉(zhuǎn)窯( non-slagging rotary kiln)。其中，非熔渣式又稱“灰渣式”。表1-1

9、熔渣式與非熔渣式回轉(zhuǎn)窯對比表類型 比較非熔渣式熔渣式窯體結(jié)構(gòu)相對簡單比較復(fù)雜，對耐火材料要求高溫度要求850100012001430物料停留時間相對較長相對較短添加原料不需要可能需要添加CaO、Al2O3、SiO2等原料來降低熔渣的熔點輔助燃料相對較少消耗量為非熔渣式的1至1.5倍煙氣排放產(chǎn)生少量NOx產(chǎn)生NOx的數(shù)量為非熔渣式10倍以上運(yùn)行成本較經(jīng)濟(jì)較昂貴熔渣式和非熔渣式的區(qū)別見表1-1，通過表中可以看出熔渣式回轉(zhuǎn)窯的溫度比非熔渣式高的多，由此可帶來如下問題：回轉(zhuǎn)窯耐火材料、保溫材料要求較高；進(jìn)料系統(tǒng)和助燃系統(tǒng)所需材料成本增大且運(yùn)行壽命短；運(yùn)行過程中輔材消耗大，較昂貴；煙氣中重金屬和NOx含

10、量高，增加了后續(xù)煙氣處理成本。雖然熔渣式回轉(zhuǎn)窯熔渣熱灼減率低，焚燒徹底，但是考慮運(yùn)行成本，耐火材料的使用壽命等問題，并不占優(yōu)勢。所以，非熔渣式回轉(zhuǎn)窯在處理危險廢物領(lǐng)域較熔渣式更為經(jīng)濟(jì)實用，在工程中的應(yīng)用越來越廣泛。3 回轉(zhuǎn)窯處理危險廢物的設(shè)計圖2-1 典型回轉(zhuǎn)窯焚燒爐典型的回轉(zhuǎn)窯焚燒爐如圖2-1所示3，其設(shè)計主要分為如下幾個部分：回轉(zhuǎn)窯尺寸和運(yùn)轉(zhuǎn)方式的設(shè)計、燃燒設(shè)計、耐火材料的設(shè)計、焚燒系統(tǒng)的安全監(jiān)控設(shè)計等。3.1 回轉(zhuǎn)窯尺寸和運(yùn)轉(zhuǎn)方式的設(shè)計一般來講，用于危險廢物處理的回轉(zhuǎn)窯，其典型的長徑比值為3.44.2，而回轉(zhuǎn)窯的尺寸須根據(jù)容積熱負(fù)荷參數(shù)來確定?；剞D(zhuǎn)窯容積熱負(fù)荷參數(shù)控制到爐內(nèi)燃燒狀況的好壞

11、，文獻(xiàn)中給出回轉(zhuǎn)窯容積熱負(fù)荷的范圍為(4.2104.5)×104 kJ/(m3·h) 4 。目前，很多項目確定回轉(zhuǎn)窯尺寸采用的方法是：首先，根據(jù)危險廢物的成分計算出廢物的熱值，再根據(jù)廢 物的處理量確定出每小時廢物在回轉(zhuǎn)窯內(nèi)燃燒所產(chǎn)生的熱量，然后根據(jù)選定的容積熱負(fù)荷確定出回轉(zhuǎn)窯的容積，最后結(jié)合回轉(zhuǎn)窯的長徑比，確定回轉(zhuǎn)窯的尺寸。對于回轉(zhuǎn)窯的運(yùn)轉(zhuǎn)方式，在工程實踐中，回轉(zhuǎn)窯的傾斜角度一般在13°，轉(zhuǎn)速為15 r/min，回轉(zhuǎn)窯的轉(zhuǎn)動方向結(jié)合進(jìn)料方式和助燃方式確定。處理難焚燒的危險廢物可采用大長徑比與低轉(zhuǎn)速的回轉(zhuǎn)窯；而熱值較高、容易燃燒的危險廢物，燃燒需要的時間稍短一些，可

12、采用較大傾斜角與較高轉(zhuǎn)速的回轉(zhuǎn)窯來處理。3.2 燃燒設(shè)計3.2.1 危險廢物的燃燒過程危險廢物進(jìn)入焚燒爐后首先接受到輔助燃燒器火焰和高溫窯壁的熱輻射而完成加熱、水分蒸發(fā)和可燃分析出的過程。隨著溫度的進(jìn)一步升高，固態(tài)物質(zhì)開始分解燃燒。廢物中氣態(tài)成分和固態(tài)物質(zhì)析出的可燃?xì)怏w在高溫狀態(tài)也會快速分解燃燒。在回轉(zhuǎn)窯中，廢物中的無機(jī)可燃成分被燃盡，長鏈環(huán)狀物質(zhì)會被分解成短鏈物質(zhì)進(jìn)入二燃室進(jìn)一步分解焚燒。3.2.2焚燒系統(tǒng)的“3T+1E”控制原則“3T+1E”是指溫度（temperature）、時間（time）、擾動（turbulence）和空氣過剩系數(shù)綜合控制的原則?！?T+1E”原則能確保危險廢物的有害

13、成份的充分分解，從源頭上控制酸性氣體、有害氣體(二噁英類物質(zhì))的生成，全面控制煙氣排放造成的二次污染。溫度是保證在焚燒爐中危險廢物得到徹底破壞的最重要的因素?；剞D(zhuǎn)窯（一燃室）設(shè)計溫度為1000，運(yùn)行溫度為8501000。二燃室設(shè)計溫度為1300，正常運(yùn)行溫度為1100。二燃室采用和一燃室不同的溫度設(shè)計，保證了危險廢物在二燃室中可充分焚毀。溫度達(dá)到設(shè)計值后，為了使危險廢物充分焚毀，停留時間必須足夠長。通常地，固體物質(zhì)在回轉(zhuǎn)窯內(nèi)的停留時間為30120分鐘；煙氣在回轉(zhuǎn)窯內(nèi)的流速控制在34.5米/秒，停留時間約2秒；煙氣在二燃室的流速一般控制在26米/秒，保證停留時間大于2秒。送入爐膛中的廢物必須同氧

14、氣充分接觸，才能在高溫下全部快速高效地氧化，這就要求對廢棄物進(jìn)行適當(dāng)?shù)臄噭?。攪動越頻繁，廢物和空氣混合越均勻越有利于焚燒。在工程實際中，主要利用供風(fēng)布置和輔助燃燒器的布置來增加擾動。在危險廢物燃燒過程中，空氣過剩系數(shù)反應(yīng)了燃燒狀況?？諝膺^剩系數(shù)大，燃燒速度快，燃燒充分，但供風(fēng)量較大，產(chǎn)生的煙氣量大，使后續(xù)的煙氣處理負(fù)荷增大，不夠經(jīng)濟(jì)。反之，則燃燒不完全，甚至產(chǎn)生黑煙，有害物質(zhì)分解不徹底。根據(jù)多年的實踐經(jīng)驗，通常取回轉(zhuǎn)窯的空氣過剩系數(shù)為1.11.3，回轉(zhuǎn)窯+二燃室總過?？諝饬肯禂?shù)為1.72.0。3.3 回轉(zhuǎn)窯耐火材料設(shè)計3.3.1耐火材料的選用原則 耐火材料是決定焚燒爐使用壽命的關(guān)鍵，其選用原則

15、如下：1) 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(xué)穩(wěn)定性，以抵抗?fàn)t內(nèi)化學(xué)物質(zhì)的侵蝕；3) 良好的熱穩(wěn)定性，以抵抗?fàn)t溫的變化對材料的破壞；4) 高致密性，通透氣孔率小，減少酸性氣體侵入鋼制外殼發(fā)生酸性腐蝕的幾率；5) 合適的耐火度選擇，經(jīng)濟(jì)耐用。3.3.2 耐火材料設(shè)計目前，在國內(nèi)外危險廢物焚燒工程中，回轉(zhuǎn)窯采用的耐火磚主要有莫來石剛玉磚、高鋁磚等，可根據(jù)危險廢物的成分進(jìn)行選擇。工程設(shè)計中，回轉(zhuǎn)窯常采用300mm的耐高溫、耐腐蝕、耐磨的復(fù)合高鋁磚，作為耐火隔熱層，其理化指標(biāo)見表2-1。耐火層采用致密高鋁耐火材料，隔熱層采用輕質(zhì)高鋁耐火材料，兩種材料壓制成一體，再經(jīng)過高

16、溫?zé)Y(jié)，線性變化系數(shù)幾乎相同，在高溫下不會斷開。表2-1 回轉(zhuǎn)窯用復(fù)合高鋁磚理化指標(biāo)性能重質(zhì)耐火材料輕質(zhì)耐火材料AL2O3 ， % 7050SiC ，% 8ZrO ， % 10氣孔率， %20密度， g/cm32.652.0耐火度， 17901000荷重軟化溫度， 1480常溫耐壓強(qiáng)度，MPa8030導(dǎo)熱系數(shù)，W /（mK）0.53.4 焚燒系統(tǒng)的監(jiān)控設(shè)計利用回轉(zhuǎn)窯焚燒危險廢物系統(tǒng)的正常運(yùn)行，離不開安全監(jiān)控。通?；剞D(zhuǎn)窯焚燒系統(tǒng)需要監(jiān)控的參數(shù)主要有：回轉(zhuǎn)窯焚燒溫度、回轉(zhuǎn)窯內(nèi)壓力、回轉(zhuǎn)窯外表面溫度和焚燒煙氣中的氧含量等。另外，還應(yīng)裝設(shè)觀察孔和高溫攝像裝置，以便觀察和監(jiān)視窯內(nèi)廢物焚燒狀況。3.4.1

17、回轉(zhuǎn)窯焚燒溫度監(jiān)測溫度監(jiān)測通常通過熱電偶溫度計測量來實現(xiàn)，具體做法是：在煙氣溫度較穩(wěn)定的回轉(zhuǎn)窯的尾端設(shè)置多個熱電偶監(jiān)測點，利用各溫度計的平均溫度來反映回轉(zhuǎn)窯的焚燒溫度。如果溫度過低，則增大輔助燃料的供應(yīng)量或適當(dāng)減少進(jìn)料量；反之，則減少或暫停輔助燃料的供應(yīng)，或者增大進(jìn)料量。3.4.2回轉(zhuǎn)窯內(nèi)壓力的監(jiān)測回轉(zhuǎn)窯內(nèi)壓力是焚燒系統(tǒng)正常運(yùn)行的重要參數(shù)。焚燒系統(tǒng)要求負(fù)壓運(yùn)行。負(fù)壓由煙氣處理部分的引風(fēng)機(jī)的抽力形成，以維持回轉(zhuǎn)窯內(nèi)壓力為-100Pa左右為標(biāo)準(zhǔn)。負(fù)壓過大，系統(tǒng)漏風(fēng)增加，引風(fēng)機(jī)電耗高；負(fù)壓過小，燃燒工況波動時，窯內(nèi)氣體可能溢出窯外。為此，在回轉(zhuǎn)窯尾部端板，安裝有差壓變送器，將回轉(zhuǎn)窯內(nèi)壓力實時傳入中控

18、室監(jiān)控系統(tǒng)，參與焚燒控制與報警。當(dāng)回轉(zhuǎn)窯壓力過高時，控制系統(tǒng)發(fā)出報警；當(dāng)高于高限設(shè)定值時，控制系統(tǒng)將自動停止進(jìn)料，焚燒系統(tǒng)進(jìn)入“待料”狀態(tài)。3.4.3 回轉(zhuǎn)窯外表面溫度監(jiān)測回轉(zhuǎn)窯外表面溫度設(shè)計值一般為180，波動范圍為150360。溫度過高或過低，會加大對回轉(zhuǎn)窯外包鋼板的腐蝕，減少其使用壽命。另外，回轉(zhuǎn)窯外表面的溫度，還可以反映回轉(zhuǎn)窯內(nèi)部燃燒狀況。所以，在回轉(zhuǎn)窯運(yùn)行過程中需要對其外表面溫度進(jìn)行監(jiān)測，監(jiān)測一般通過紅外監(jiān)測儀進(jìn)行。3.4.4 煙氣氧含量監(jiān)測根據(jù)國家危險廢物控制標(biāo)準(zhǔn)，煙氣中的含氧濃度應(yīng)為610%，即相當(dāng)于空氣過量系數(shù)4091%。二燃室出口煙道裝有氧含量檢測儀，監(jiān)測煙氣中含氧濃度，將二

19、燃室出口煙氣氧含量控制在610%。 二燃室出口處煙氣的氧含量和溫度參與進(jìn)料連鎖控制。只有當(dāng)溫度、氧含量高于設(shè)定的最低限值時才允許進(jìn)料，這樣可以保證危險廢物燃燒充分，降低顆粒物帶出量及延長耐火材料使用壽命。4 回轉(zhuǎn)窯處理危險廢物工程中的問題利用回轉(zhuǎn)窯處理危險廢物有很多優(yōu)勢，但在實際的工程中也存在一些問題，如結(jié)焦問題、安全問題等，需要進(jìn)一步解決，優(yōu)化系統(tǒng)。4.1 結(jié)焦問題回轉(zhuǎn)窯處理危險廢物過程中的結(jié)焦情況主要有兩種：低熔點鹽類在爐內(nèi)的結(jié)焦；窯尾出渣口部位的密封片處縫隙有冷空氣滲入和除渣機(jī)中的水分蒸發(fā)導(dǎo)致局部溫度下降而形成結(jié)焦。第一種結(jié)焦方式形成的原理是：在焚燒處理廢物的過程中，危險廢物在高溫下會進(jìn)

20、行分解，分解后的元素在高溫下會重新組合，形成一部分低熔點鹽類（主要是堿性成分和鹵化物的結(jié)合）。這些低熔點鹽類在高溫下非常粘稠，它們會發(fā)生自身粘結(jié)并粘附其它物質(zhì)而在回轉(zhuǎn)窯內(nèi)結(jié)焦。這類結(jié)焦不易清除，主要辦法是控制廢物的進(jìn)料和控制焚燒爐的燃燒溫度，通常是采用如下一些措施防止結(jié)焦：1) 進(jìn)料時將含有鈉、鉀等成分的廢物與鹵素含量高的廢物安排 在不同的時間段進(jìn)行焚燒；2) 對于含鹽量較高的廢物采取與其他廢物搭配，例如摻入溶點高的物質(zhì)如石灰等，再進(jìn)行焚燒；3) 控制焚燒溫度，合理供風(fēng)；4) 選擇可防止掛壁的耐火磚。如果窯內(nèi)已經(jīng)出現(xiàn)較嚴(yán)重低熔點鹽結(jié)焦時，可以適當(dāng)降低回轉(zhuǎn)窯燃燒溫度，待低熔點鹽順利焚燒進(jìn)入出渣系

21、統(tǒng)后再將窯內(nèi)溫度調(diào)整到正常運(yùn)行溫度。第二種結(jié)焦方式主要是由于灰渣遇冷凝固造成的，清除方式如圖3-1所示，利用安裝在回轉(zhuǎn)窯后端板上除焦燃燒噴嘴進(jìn)行熔化使其脫落。為防止此類方式的結(jié)焦，可采用高效的密封裝置，防止冷空氣的侵入。 圖3-1 回轉(zhuǎn)窯尾部結(jié)焦清除方式4.2 安全問題利用回轉(zhuǎn)窯處理危險廢物系統(tǒng)存在的最大的安全問題是：回轉(zhuǎn)窯內(nèi)壓力在短時間內(nèi)迅速增高，超過極限值，造成設(shè)備損壞，有害煙氣等物質(zhì)外泄，甚至發(fā)生爆炸。造成回轉(zhuǎn)窯內(nèi)壓力迅速升高的主要原因有兩個：回轉(zhuǎn)窯內(nèi)的危險廢物發(fā)生爆燃；系統(tǒng)突然停電，導(dǎo)致后續(xù)煙氣處理系統(tǒng)中引風(fēng)機(jī)停止工作。 為確?；剞D(zhuǎn)窯焚燒系統(tǒng)的安全，除采用連鎖控制安全系統(tǒng)外，在機(jī)械設(shè)計方面還有兩套安全防護(hù)措施： 除渣機(jī)水封槽的一級泄壓。除渣機(jī)水封槽正常運(yùn)行時起到密封作用，使窯內(nèi)煙氣與