L型组合式电子垃圾高温焚烧炉

摘要：为了克服传统转窑、鼓风炉、反射炉或冲天炉处置废料时炉膛上部温度低，存在有机废料低温裂解与不完全燃烧而污染环境等缺点，研发了一种使粉末状电子垃圾完全燃烧和有毒害性尾气完全氧化的L形组合式电子垃圾高温焚烧炉。该焚烧炉包括一个卧式焚烧炉和一个圆筒状立式焚烧炉，具有“组合式炉，焚烧炉内腔独立设置和L字形炉形” 三个结构特征，集成“旋流燃烧、低压引射补风、湍流扩散燃烧和高温均匀燃烧”等四个技术优势。

关键词：L形焚烧炉；电子垃圾；热解；高温焚烧；旋流燃烧器

中图分类号： TK863

文献标识码： A 文章编号： 16749944（2015）06018703

1 引言

随着电子信息产业的快速发展，电子垃圾的数量正以每年10%～15%的速度增长，成为世界上数量增长最快的垃圾。我国是世界上电子产品消费大国，每年因更新换代而废弃数量不少于700万t，此外国外约70%的电子垃圾通过各种渠道流入中国，我国正成为世界上最大的电子垃 圾聚集地。在电子垃圾PCB 中含有约 40%的金属、30%的塑料及 30%的惰性氧化物[1]，如果不回收，不仅浪费宝贵资源，而且污染环境。由于废线路板同时含有多氯联苯、含溴阻燃剂等，对人体和环境的危害较大，很难资源化回收利用[2]。当前，我国对废线路板的资源化利用方法主要有湿法冶金法、热处理法和机械物理法[3]，在传统电子垃圾热处置装置中，回转窑、鼓风炉、反射炉或冲天炉处置较为常见。回转窑焚烧技术具有较强的物料适应性，物料预处理过程简单等优点， 是目前处理废线路板的主要方法[4，5]。这些装置处置电子垃圾时，以处理块状废料为主，炉内温度分布明显不均匀，有机废料在炉膛上部进行低温裂解与不完全燃烧，产生大量黑烟和灰尘，尾气含有大量二噁英、呋喃等恶臭毒害成分。另外，这些装置大多没有考虑供尾气氧化使用的二次燃烧室，或二次燃烧室结构设计欠科学。王威平[6]公开了一种废线路板处置装置，能处理粉末和块料，但需要复杂的电力驱动装置，此外，粉状废料以直流方式喷吹流过转炉，焚烧时间短；块料堆积焚烧，焚烧点离转窑排烟口位置近，中间产物焚烧时间短，存在焚烧不完全和冒黑烟现象。艾元方等[7]公开了一种能处理废线路板粉末的U形熔炼装置，将高温焚烧、保温熔炼和高温氧化等三区分开设置，内腔联结成一体。本文研发一种结构简单、使有机废料完全燃烧且无有机尾气危害的L型组合式电子垃圾高温焚烧炉，以适应当今社会节能减排形势需要。

2 电子垃圾高温焚烧原理

废线路板加工成粉状料，炉内组织粉料高温空气燃烧和旋流燃烧，实现毒害性成分在高温条件下彻底氧化，以CO2、H2O、HCl和SO2等最终无机物形态排出。

废线路板完全焚烧反应方程式：

3 L形组合式电子垃圾高温焚烧炉结构及原理

如图1所示，L形组合式电子垃圾高温焚烧炉包括卧式焚烧炉和圆筒状立式焚烧炉，焚烧炉之上布置焚烧炉。焚烧炉1卧式布置，本体不转动，焚烧炉2立式布置，内腔呈圆筒状，本体不转动。焚烧炉包括粉料旋流燃烧器、排烟口和内腔炉膛。沿气流流动方向上游焚烧炉的端墙上安装有旋流燃烧器，下游焚烧炉的顶墙中心设有圆形排烟口。排烟口正上方布置焚烧炉，排烟口中垂线和焚烧炉中心轴线重合。垂直于气流流动方向的焚烧炉内腔横截面可以呈圆孔状，也可以呈“上底拱墙+下底反拱墙”的倒梯形状，下底反拱墙可以防止因高温熔体浮力拔出耐火砖。焚烧炉排烟口两侧墙分别设置放铜口和排渣口，底墙面沿气流流动方向向下游倾斜1°～2°。焚烧炉底面中心设有圆形进烟口。焚烧炉底面和焚烧炉顶墙之间留有50～100mm间隙，此间隙不填充砖、棉或垫以便二次空气自由穿过。焚烧炉进烟口内径大于焚烧炉排烟口内径，焚烧炉排烟口内径与焚烧炉内腔直径之比为0.4～0.6，焚烧炉内腔高度与焚烧炉内腔长度之比<1.5。焚烧炉具有“组合式窑炉，焚烧炉内腔独立设置和L型炉型”三个结构特征。

电子垃圾粉末或颗粒在小量压缩空气作用下被吹进焚烧炉旋流燃烧器，掺入由旋流燃烧器送入的一次空气气流（旋流气流）中，然后气粒两相流边螺旋前行边干馏热解燃烧，到排烟口位置时完成了几乎全部燃烧反应。因排烟口面积小，烟气以>60m/s速度喷出并进入焚烧炉内腔。在燃烧放热作用下，铜金属被迅速加热到熔融状态，并落下沉积于焚烧炉底部，且缓慢地向排渣

1-卧式焚烧炉、11-粉料旋流燃烧器、12-圆形排烟口、2-圆筒状立式焚烧炉、21-圆形进烟口、22-排烟口、23-紧急排烟口图1 L形组合式电子垃圾高温焚烧炉

口和放铜口流动，最后从排渣口排出熔渣，从放铜口放出高纯度铜液。高温熔渣密度小于铜液密度，熔渣和铜液自然分层。沿气流流动方向焚烧炉长度保证了足够的熔体流动和分离时间，熔体流到焚烧炉内腔末端时熔渣和铜液能较理想地分层分离。电子垃圾被制成粉末状，扩展了颗粒和空气接触表面积，强化了燃烧氧化反应。焚烧炉组织旋流燃烧，延长了未燃烬气在高温区的停留时间。

烟气以>60m/s速度喷入焚烧炉内腔，在烟气气流根部形成较大的负压，能抽引卷吸外界空气（充当二次空气）进入烟气中。二次空气从焚烧炉与焚烧炉之间50～100mm间隙进入焚烧炉内腔，补充混入排烟孔排出的烟气中。在排烟口负压和焚烧炉高度形成的抽吸力作用下，烟气在焚烧炉内腔发生湍流扩散燃烧氧化反应。扩散燃烧火焰长度长，焚烧炉内腔高度大于火焰长度，焚烧炉内腔高度设计能保证足够的烟气氧化时间，烟气流到排烟口时完成了全部氧化反应。50～100mm间隙设计使得二次空气从烟气流根部混入，强化了烟气和二次空气的混合燃烧，强化了焚烧炉内腔的高温湍流氧化作用。焚烧炉进烟口内径大于焚烧炉排烟口内径，从排烟口喷出火焰能全部置于焚烧炉内腔中，防止烟气外泄而污染车间现象出现。

卧式焚烧炉正常温度维持在1300～1400℃范围，立式焚烧炉温度维持在1100～1200℃范围，两焚烧炉内腔温度分布均匀，焚烧炉排烟口的尾气含氧体积浓度>6%，烟气流过两焚烧炉时间>2s。

4 L形组合式电子垃圾高温焚烧炉关键技术

L形组合式电子垃圾高温焚烧炉关键技术有：旋流燃烧、低压引射补风、湍流扩散燃烧和高温均匀燃烧。

首先，通过在焚烧炉端墙设置旋流燃烧器，用来组织废料旋流燃烧。“旋流燃烧”技术特征带来的直接技术效果是：延长可燃物在高温区的停留时间到>2s，从而保证有机废料颗粒和中间燃烧产物能够完全燃烧，增加炉料供热量，回流区流动能变为湍动能，扰动增强，强化热质交换；而且旋流燃烧器对周围介质具有较高的卷吸率，在出口处能够快速地进行混合，使气流旋转强烈，从而形成高温回流区，提高了火焰的稳定性，同时也增大了炉膛空间的有效利用率，增强了装置的运行经济性。

其次，小量的二次空气通过50～100mm间隙，借助于烟气根部负压抽吸力混入烟气中。“低压引射补风”技术特征带来的直接技术效果是：从高速烟气气流根部补充二次空气，二次空气和烟气混合均匀，利于降低焚烧炉内腔火焰高度、利于烟气完全氧化。补充的二次空气流量大小与烟气根部负压有关，烟气流速越高，二次空气量就越多，实现二次空气流量自适应自动控制调节，且密封性好。两焚烧炉内腔分开，废料焚烧和烟气氧化两过程可独立调控，节省了占地面积，空间利用率高；而且，焚烧炉内腔和高温熔体接触的耐火砖层砖缝按Ⅰ类要求砌置，和高温气体接触的耐火砖层砖缝按Ⅱ类要求砌置，焚烧炉耐火砖层砖缝按Ⅱ类砌体要求砌置。焚烧炉可以是多节串联而成，节与节之间布置耐火垫圈后用法兰连接。这使焚烧炉不承担焚烧炉的重量，增强了高温条件下装置运行安全性。

同时，烟气通过排烟口时，由于截面缩小，流速增大，形成湍流，并从50～100mm缝隙抽吸额外空气，使得焚烧炉内腔发生烟气湍流扩散燃烧氧化反应。“湍流扩散燃烧”技术能在焚烧炉进烟口附近形成高温燃烧区，并延长烟气停留时间，为烟气完全氧化创造有利条件，从源头上抑制二噁英生成所需的中间反应物质（如苯、甲苯和乙苯类化合物），改善了燃烧区域的结渣与化学反应的腐蚀问题。开口少，密封性好，加上炉内微负压操作，减少有毒害性气体外泄。

此外，焚烧炉内腔温度维持在1300～1400℃范围内，焚烧炉在1100～1200℃范围，两焚烧炉温度分布均匀。“高温均匀燃烧”技术能够增大燃烧反应速度，最大限度地回收高温烟气的物理热，从而大幅度节约能源，并提高热工设备热效率，同时减少了对大气的温室气体排放；通过组织贫氧燃烧，扩展了火焰燃烧区域，火焰边界几乎扩展到炉膛的边界，使得炉内温度分布均匀，加强炉内的传热，避免了传统焚烧装置内腔温度分布不均匀带来的低温裂解与不完全燃烧问题。尾气成分中无二噁英低温合成所需的苯类化合物成分，烟气净化系统无需考虑尾气急速冷却设计问题，可选用无废液二次污染的干法尾气净化工艺。

高温焚烧炉适用于低品位发热量>3300kJ/kg、挥发份含量<60%的各种电子垃圾资源化处置使用。

5 L形组合式电子垃圾高温焚烧炉性能指标

试验结果表明：焚烧炉铜铅金银等金属回收率达到98%；无废气废渣污染；能彻底无害化处理尾气，尾气无炭黑排放、林格曼黑度为1，尾气有毒害污染物排放达到GB18484-2001危险废物焚烧污染控制标准要求，苯类化合物<0.1mg/m3、二噁英含量<0.02 ngI-TEQ/Nm3；熔渣流动性好，固渣浸出毒性鉴别达到GB5085.3-1996危险废物鉴别标准要求。

参考文献：

[1]龙来寿，孙水裕，钟 胜.真空热解预处理对回收废线路板中铜的影响[J].中国有色金属学报，2010，20（4）：795～800.

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[3]郝 娟，张 洪，王兴涌.煤粉与废线路板混合燃烧特性[J].中国矿业大学学报，2012，41（3）：493～497.

[4]李春雨.典型危险废物在两段式回转窑焚烧系统内的热处置和结渣特性研究及其应用[D].杭州：浙江大学，2011.

[5]何世科.废线路板焚烧冶炼炉操作参数仿真优化[D].长沙：中南大学能源科学与工程学院，2014.

[6]王威平.处理废线路板的熔炼装置[P].实用新型ZL200920118074.x，授权日，2010-02-17.

[7]艾元方，胡菁菁，孙 超，等.U形废弃物高温资源化处置炉[J].矿冶，2011，20（4）：98～101.