氣動式階梯預(yù)燃爐在水泥窯協(xié)同處置的工程應(yīng)用

近年來，伴隨著經(jīng)濟快速發(fā)展和城市化進程加快，如何合理處置日益增長的城市生活垃圾、工業(yè)廢棄物和危險廢棄物等問題備受關(guān)注。水泥窯因其特有的高溫、堿性環(huán)境優(yōu)勢，成為各類廢棄物資源化和無害化處置的有效途徑。2019年，國家發(fā)改委公布的《產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整指導(dǎo)目錄（2?019本）》首次將“水泥窯協(xié)同處置”技術(shù)和“替代燃料技術(shù)”列為重點項目鼓勵發(fā)展，水泥窯協(xié)同處置已成為水泥行業(yè)和垃圾應(yīng)用領(lǐng)域新的經(jīng)濟增長點。由于廢棄物投入水泥窯后極易造成煤粉的燃燒波動，直接影響熟料燒成系統(tǒng)的熱平衡穩(wěn)定，而我國廢棄物產(chǎn)量日益增加，且呈現(xiàn)來源廣泛、成分復(fù)雜、含水率高、熱值低、有害元素高等多樣化復(fù)雜化趨勢。這就要求：水泥窯協(xié)同處置廢棄物的總處置能力需要不斷提升，協(xié)同處置廢棄物后對水泥窯爐的燒成工藝、熟料產(chǎn)質(zhì)量不產(chǎn)生負面影響，最大限度地挖掘廢棄物中的有用資源，避免簡單粗暴的一燒了之。為此，研究者研發(fā)了各種可與水泥窯聯(lián)合使用的熱工燃燒裝置，從離線式協(xié)同處置的汽化爐、熱解爐到在線式協(xié)同處置的熱盤爐和爐排爐，作為廢棄物燃燒的緩沖設(shè)備，這些前置燃燒設(shè)備可最大限度降低廢棄物對熟料燒成系統(tǒng)的影響。但離線式處理技術(shù)與水泥窯獨立運行，只是利用水泥窯處理熱工燃燒裝置處置后灰渣或煙氣，對可燃廢棄物中的熱能有效利用率很低，只能達到25%~35%；而在線式處理技術(shù)就是在窯尾分解爐旁增設(shè)一個預(yù)燃裝置，如丹麥FLS公司熱盤爐、德國洪堡公司KHD型燃燒爐和成都院SPF型階梯預(yù)燃爐。這類預(yù)燃爐與分解爐組成一個統(tǒng)一的廢棄物預(yù)燃系統(tǒng)或者說是分解爐的一個組成部分，其可適用于幾乎不需任何預(yù)處理的原生態(tài)可燃廢棄物，不僅實現(xiàn)窯尾的煤熱量替代率均達到90%以上，而且也大大提升整條水泥生產(chǎn)線的協(xié)同處置效率。本文以中材天山某水泥窯協(xié)同處置500t/d生活垃圾項目為例，介紹了PrepolSC氣動式階梯預(yù)燃爐的結(jié)構(gòu)形式與工作原理，對“預(yù)燃爐+水泥窯”在線式協(xié)同處置技術(shù)的工藝流程和實踐運行情況進行了分析與總結(jié)。1、“預(yù)燃爐+水泥窯”協(xié)同處置技術(shù)1.1結(jié)構(gòu)形式與工藝布置本項目引進德國thyssenkrupp公司的PrepolSC5-15型號氣動式階梯預(yù)燃爐，通過支架框架支撐在窯尾鋼平臺上，與分解爐采用在線式連接的設(shè)計方式，安裝位于分解爐燃燒器噴嘴和C4生料撒料盒的上方側(cè)面。安裝過程中，需要改造三次風(fēng)管、分解爐錐部和C4分料，具體的工藝布置見圖1。圖1PrepolSC預(yù)燃爐的結(jié)構(gòu)和工藝布置“預(yù)燃爐+水泥窯”協(xié)同處置技術(shù)主要流程為：垃圾衍生可燃物經(jīng)計量后輸送至螺旋輸送機內(nèi)，利用鉸刀移動將物料壓入燃燒室的進料臺階上，從三次風(fēng)管引取高溫?zé)犸L(fēng)（約1?050℃）對其干燥、熱解與燃燒，當(dāng)進料臺階上可燃物移動至噴嘴處，多級噴吹系統(tǒng)將其進一步輸送至預(yù)燃爐前端或分解爐內(nèi)，與流過的高溫三次風(fēng)接觸完全燃燒。衍生可燃物的干燥、熱解和燃燒主要是依靠其本身燃燒釋放的熱量和三次風(fēng)管引取的高溫?zé)犸L(fēng)來維持，當(dāng)預(yù)燃爐內(nèi)燃燒溫度高于1?000℃時，需要分一部分750℃的C4生料降溫，控制預(yù)燃爐長期運行的燃燒溫度為800~900℃。經(jīng)歷干燥、燃燒和燃盡三個過程后，焚燒生成的高溫?zé)煔馊克屯纸鉅t，充分利用垃圾衍生燃料燃燒的熱量，燃盡后的爐渣作為水泥原料煅燒成熟料，可以將重金屬等有害元素有效地固化在熟料礦物中。氣動式階梯預(yù)燃爐主要是由1個拱門形的燃燒室和多級空氣噴吹系統(tǒng)組成，殼體正面設(shè)置有與2臺螺旋給料機連接的進料口，頂部焊接有用于引入三次風(fēng)和C4冷生料的圓形管道，底部爐床設(shè)置有15步階梯式臺階，整體爐體內(nèi)壁打澆注料。預(yù)燃爐殼體側(cè)面安裝有觀察孔，用于觀察爐內(nèi)的堆料情況和焚燒狀況。燃燒室每層臺階縱向兩側(cè)設(shè)置有2組空氣炮，與其臺階橫向外側(cè)裝有的5組噴吹單元相連，噴吹單元與臺階爐床內(nèi)暗埋噴嘴依次相連，構(gòu)成了由30組空氣炮和75組噴吹單元組成的多級空氣噴吹系統(tǒng)。各層的噴吹單元設(shè)置成“2+3”組合式，通過空氣炮的啟動頻率和順序控制，分層對點驅(qū)動噴吹單元的氣動執(zhí)行器，給爐內(nèi)噴嘴分配壓縮空氣脈沖，利用氣流使垃圾衍生可燃物及其燃燒殘留物在爐底臺階上翻轉(zhuǎn)、旋轉(zhuǎn)前進。物料的爐內(nèi)停留時間是由一系列噴嘴從爐排前端到末端全正常運行的時間，其由預(yù)燃爐空氣炮運行時間決定。1.2主要技術(shù)參數(shù)PrepolSC5-15預(yù)燃爐的相關(guān)設(shè)計參數(shù)見表1。表1PrepolSC5-15預(yù)燃爐的相關(guān)設(shè)計參數(shù)1.3衍生可燃物的特性項目采用中材環(huán)境設(shè)計的“二道破碎+三道篩分+二道風(fēng)選”預(yù)處理分選技術(shù)，對當(dāng)?shù)爻鞘猩罾M行破碎、分選，得到焚燒所用的衍生可燃物。表2和表3分別是衍生可燃物的物理特性和焚燒后灰渣的成分分析。由表2可知，該衍生可燃物主要是由塑料、紙張、織物和木質(zhì)等可燃物質(zhì)組成，其綜合平均含水率約為45%，低位熱值為11?830kJ/kg，衍生可燃物經(jīng)干燥后在800℃條件下焚燒生成約13.6%的殘渣。表2垃圾衍生可燃物的物理特性表3垃圾衍生可燃物焚燒后灰渣的成分分析由表3中的化學(xué)分析結(jié)果可知，衍生可燃物焚燒后的灰渣主要成分為硅鋁質(zhì)和鈣質(zhì)礦物，說明焚燒后殘留灰渣替代熟料原料的可行性，但要注意灰渣中重金屬的影響。除此以外，灰渣成分中堿含量和氯離子含量相比生料控制指標(biāo)（Cl-≤0.015%）要高，長期滿負荷協(xié)同處置該衍生可燃物時，需使用旁路放風(fēng)系統(tǒng)，以避免水泥窯燒成系統(tǒng)出現(xiàn)結(jié)皮堵塞和熟料氯超標(biāo)的發(fā)生。2、運行效果2.1調(diào)試與優(yōu)化調(diào)試過程中，發(fā)現(xiàn)可燃物在預(yù)燃爐中的燃燒完全程度直接由三次風(fēng)量、物料停留時間和物料層厚度決定，而可燃物的料層厚度與喂料量、密度、流速和停留時間是相關(guān)的?？s短物料停留時間使?fàn)t內(nèi)料層變薄，可燃物燃燒時間縮短，將會占用分解爐的燃燒容量，易造成煙室縮口處塌料現(xiàn)象；而延長停留時間以保證燃盡率時，增加爐床上料層厚度，易造成不完全燃燒，影響水泥窯系統(tǒng)的一氧化碳和氮氧化物波動，最后增多的低溫燃燒殘留物進入分解爐內(nèi)，嚴重時造成煙室縮口處塌料現(xiàn)象。由此，“預(yù)燃爐+水泥窯”協(xié)同處置系統(tǒng)開機運行后，主要歷經(jīng)2個階段4種不同處置量調(diào)試過程，其主要控制優(yōu)化參數(shù)可見表4。表4“預(yù)燃爐+水泥窯”協(xié)同處置調(diào)試優(yōu)化階段的主要參數(shù)由表4中的第一階段數(shù)據(jù)可知，在分解爐三次風(fēng)和預(yù)燃爐三次風(fēng)開度為70%/35%以及空氣炮的噴吹時間90~120min條件下，可燃物喂料量可穩(wěn)定在8~10t/h，其爐內(nèi)的燃燒溫度高于850℃，爐床溫度殘留物溫度保持400~460℃，此時可燃物喂入量小，燃燒停留時間長，可燃物燃盡率高，所以殘渣對熟料產(chǎn)量影響較小，仍可達235~240t/h。隨著可燃物喂料量的增加，預(yù)燃爐通過調(diào)整停留時間和分配三次風(fēng)量無法實現(xiàn)水泥窯系統(tǒng)正常生產(chǎn)，甚至出現(xiàn)分部分750℃的C4生料才確保水泥窯生產(chǎn)的穩(wěn)定的現(xiàn)象，且喂料量越大，C4生料分料越大。盡管C4生料帶入熱量利于可燃物的干燥、燃燒，以及C4生料高速流動對可燃物表面的沖刷輸送作用，減少料堆積爐底的可能，但爐內(nèi)的燃燒溫度和殘留物溫度的降低影響著水泥窯的熟料產(chǎn)量?？紤]可燃物在預(yù)燃爐內(nèi)被高壓氣流噴吹翻轉(zhuǎn)，輕細的可燃物被三次風(fēng)帶走燃燒，而大塊重質(zhì)可燃物循環(huán)翻轉(zhuǎn)，與高溫三次風(fēng)表面接觸耗氧燃燒，可能是0.4MPa壓縮空氣無法使可燃物呈現(xiàn)動態(tài)流動。為此，技改增大空氣噴吹系統(tǒng)所用空氣壓縮機的能力，將壓縮空氣的壓力由原設(shè)計0.4MPa增大到0.65MPa以上，同時適當(dāng)縮減窯尾煙室縮口的面積以減少系統(tǒng)塌料。從改造后的效果來看，得益于高的壓縮空氣脈沖對可燃物的強分散翻轉(zhuǎn)作用，動態(tài)流動中的可燃物能夠與三次高溫?zé)犸L(fēng)充分接觸燃燒，其高效燃盡率可以保證縮短爐內(nèi)可燃物的停留時間而不影響完全燃燒。由此，能夠加快空氣炮的噴吹頻率，進一步控制爐床上物料的厚度變薄，最終衍生可燃物處理量提高到15t/h以上，爐內(nèi)的燃燒溫度仍高于850℃，爐床殘留物溫度保持300~400℃。與此同時，可燃物燃燒狀況的明顯改善，不僅使熟料的產(chǎn)量比技改前有所增加，而且水泥窯燒成的平均標(biāo)準(zhǔn)煤耗可降低至98.6kg/t。2.2對熟料品質(zhì)的影響由于衍生可燃物焚燒后殘留有硅鋁質(zhì)和鈣質(zhì)礦物，其作為替代原料全部進入水泥窯參與熟料的燒成，為此，我們對協(xié)同處置15t/h衍生可燃物條件下熟料的物理性能、化學(xué)性能和重金屬等指標(biāo)分別進行了檢測，相關(guān)結(jié)果見表5~表7。表5協(xié)同處置熟料的化學(xué)性能表6協(xié)同處置熟料的物理性能表7協(xié)同處置熟料中的重金屬檢測結(jié)果由檢測結(jié)果可知，衍生可燃物高溫焚燒后產(chǎn)生1.12t/h的殘渣對熟料的顆粒度、強度和標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量等物理性能以及礦物組成方面未見明顯不利影響，而且熟料的重金屬及其浸出重金屬均滿足《水泥窯協(xié)同處置固體廢物技術(shù)規(guī)范》（GB30760—2014）標(biāo)準(zhǔn)要求，說明衍生燃料中重金屬被有效固化于熟料礦物內(nèi)。3、總結(jié)（1）本協(xié)同處置生產(chǎn)線采用氣動式階梯預(yù)燃爐與水泥窯聯(lián)合，利用可燃物本身燃燒釋放的熱量和引取的三次高溫?zé)犸L(fēng)，保證了可燃物的干燥、熱解和燃燒，實現(xiàn)生活垃圾預(yù)處理生成衍生可燃物的有效處理，降低了水泥熟料的燒成熱耗。（2）經(jīng)過增大壓縮空氣的壓力至0.65MPa和縮減窯尾煙室縮口面