灰渣式回转窑焚烧炉节能技术改造

林瑞飞(中化环境科技工程有限公司，北京 100071)

1 工艺流程简述

由于危险废物种类繁多性质各异，需要对各物料实现针对性的连续均匀进料，因此，设计了焚烧炉以下 3 种进料模式：

(1)大宗危废进场经登记、明确物料特性后分类存储于危废仓库和料坑，打包规整完 好的物料存储于危废仓库，需破碎的物料经破碎后进入破碎料坑，经预处理的物料与常规无需预处理的物料通过抓斗起重机在配料坑中混合配伍。经配伍完毕的物料通过抓斗起重机将物料输送进入箱式给料机受料斗，通过箱式给料机连续均匀的向回转窑进料斗进料，继而进入垂直落料双闸板通道。通过箱式给料机的运行速度来控制进料量，通过液压双闸板阀来控制进料频次，从液压双闸板阀下落的物料进入液压推料通过，通过液压推料机将物料推入回转窑窑头[1]。

(2)具有毒性、易燃、易爆等特性的危废进场经登记、明确物料特性。该类危废一般 包装严格，可分类存储于危废仓库，需处理时用叉车将物料叉送至焚烧炉提升上料车间，人工将物料放置于水平输送段，物料放置好后，自动输送至垂直提升机，然后再进入回转窑进料斗，经液压双闸板阀控制进料量及进料频次，再通过液压推料机将物料推入回转窑窑头。

(3)废液进场经登记、化验、明确物料特性后分类存储于危废仓库，在焚烧车间设置一座废液进料间，进料间设鹤管卸料装置，通过气动隔膜泵将不同的废液抽送至废液缓冲罐进行配伍。经配伍后的废液通过气动隔膜泵将废液输送至焚烧系统的回转窑和二燃室废液喷枪，经雾化后喷入焚烧系统处理。需注意的是，不同废液在混合配伍前需进行严格的相容性混合实验，达到安全相容的要求后方能进行配伍；所有进料方式都有精确的计量装置并能自动生成日报表，所有进料方式都设有可靠的防回火装置和冷却系统[2]。 回转窑选用烟气-物料顺流式窑型，采用灰渣型运行模式，窑内分为低温段和增温两段燃烧区域，废物在回转窑低温段内与空气接触，完成加热、干燥、部分燃烧过程，在增温段完成分解及燃烬过程。助燃空气切向进入转窑，窑内烟气呈涡流态，有助于物料的加热、挥发、分解过程。在转窑内未完全燃烧干净的 VOC 气体进入二燃室，通入过量空气使其完全分解。燃烬后产生的灰渣由水淬式刮板出渣装置捞出。回转窑焚烧温度控制在 850～1 000 ℃左右，废物在窑内停留时间≥1 h。二燃室焚烧温度则可达1 100 ℃以上，且烟气在此温度区间停留时间≥2 s，以确保有害物质高温下完全分解。柴油作为辅助燃料，当热值不足时依据炉温比例调节补给量。回转窑和二燃室燃烧所用的氧气由一次风机和二次风机抽引外部空气供给，并以变频调节方式使废物处于较佳的燃烧工况[3]。从二燃室出来的1 100 ℃烟气进入多回程大空腔水冷壁余热锅炉的沉降室，同时在烟气沉降室设置 De-NOx装置接口位置，通过尿素溶液输送泵喷射 5%～10%尿素溶液，以热力脱硝工艺去除炉内部分NOx。烟气从余热锅炉出来降温至 500～550 ℃，同时利用烟气热量产生 1.0 MPa、184 ℃的饱和蒸汽，部分蒸汽用于系统自用，多余蒸汽并入厂区热网，多余蒸汽冷凝回收，冷凝液进锅炉软水箱或除氧器。之后约500 ℃的锅炉出口烟气进入急冷塔，将清水或低浓度的碱液雾化后喷入急冷塔内，使烟气于 1 s内迅速降温至 200 ℃以下，在防止二噁英再次生成同时达到一级脱酸的效果。经急冷塔降温脱酸后的200 ℃烟气进入文丘里干式脱酸反应器。在反应器内投加经研磨的工业小苏打，一方面可降低烟气的湿度，另一方面是充分利用湿润的小苏打在塔内的中和反应以及大部分小苏打粉随烟气附着在布袋表面所起到的进一步脱酸作用。同时在进除尘器的烟道中投加活性炭粉末，使其与烟气充分混合，并在布袋表面起到吸附重金属、二噁英的作用，吸附产物随后由袋式除尘器捕获后以干态形式排出。布袋除尘器滤袋采用抗腐蚀防水的PTFE覆膜PTFE 滤袋，除尘效率≥99.99%。除尘器之后预留SCR接口，以便将来设置SCR脱销设施。从布袋除尘器出来的烟气经两级洗涤塔强化脱酸后，由烟气加热器将烟气温度升高到130 ℃左右，烟气加热器采用系统自产蒸汽作为热源，被换热后的蒸汽冷凝液回收作为锅炉补水。由引风机抽入至70 m烟囱高空排放。

2 回转窑主要技术规格/参数

设计处理规模：80 t/d；

最佳处理负荷：70%～120%；

回转窑外形尺寸： Φ4.2×16 m；

有效内径Φ3.56 m；

炉膛容积：159 m3；

筒体壁厚：30～50 mm(根据各段长度变化)；

转速：0.1～1.1 r/min；

耐火材料厚度：320 mm，耐热层 δ250，保温层 δ70；

炉内温度：850～1 000 ℃；

外表温度：180～200 ℃；

炉膛压力：微负压(-20～100 Pa)；

废物在炉内停留时间：＞1 h；

窑头的冷却方式：水冷；

窑尾的冷却方式：风冷；

密封方式：迷宫和双层鱼鳞片组合式；

窑头密封的漏风率：＜1%；

外壳材质：Q235B；

设计使用寿命：炉体＞15年，窑内耐火材质正常使用寿命≥1年；

灰渣热灼减率：＜5%。

灰渣式回转窑焚烧炉是通过高温加热使危险废物干燥、热解、焚烧，在这些危险废物中，存在对窑炉内衬造成侵蚀性破坏。所以，要求使用炉衬的耐火材料除具有耐高温性能外，同时要具有以下特点[4]：(1)高强度和良好的耐磨性，以抵抗固体物料的磨损和热气流的冲刷；(2)良好的化学稳定性，以抵抗炉内化学物质的侵蚀；(3)良好的热稳定性，以抵抗炉温的变化对材料的破坏；(4)良好的抗CO侵蚀能力，以避免因CO侵蚀而引起炉衬崩裂等；(5)回转窑连续工作时间≥8 000小时/运行周期，窑内耐火材料正常使用寿命≥1年，二燃室耐火材料正常使用寿命≥3年；(6)为避免窑体内衬产生不规则裂纹，窑体内衬在环向和纵向上设置迷宫式不贯穿伸缩缝。预埋金属件和穿墙管应做相应处理后，再进行耐火材料施工，以避免金属膨胀损坏内衬。

危险废物回转窑窑头，废物含水量大，温度低，耐火材料要求抗热震性和耐急变性好；中后部属废物燃烧段，温度高，废物中的盐和低熔点物质融化，对耐火材料的侵蚀加剧，要求耐火材料密度大、耐高温、抗侵蚀性高。尾部物料燃烧完全，易于结焦，要求抗结焦性组织严密气孔率小的耐磨砖。

3 回转窑内衬耐火材料改造前方案

回转窑直径为4 200 mm，长度16 000 mm，炉本体双层转设计，耐热层250 mm，保温层70 mm，总厚度为320 mm。耐火砖前段材料需要满足含水率较高的物料焚烧、尾段耐火材料应满足抗结焦，抗结渣的性能特点；材料整体设计选用铬刚玉砖，在窑头窑尾0.5 m处采用铬刚玉浇注料，主要起到耐高温、耐磨、耐水、耐酸、抗腐蚀与结焦的作用。因考虑到焚烧炉中危废的多变性和复杂性，本项目在该材料、生产配料中加入了一些特殊的添加剂，使该材料具有良好的稳定性能。砌砖采用铬刚玉胶泥砌筑[5]。(1)进料端部500 mm段采用铬刚玉浇注料整体浇筑, 厚度320 mm；(2)前墙采用刚玉莫来石浇注料；(3)中间15 500 mm耐火层使用采用250 mm厚的铬刚玉耐火砖，保温层采用70 mm厚的致密黏土砖；(4)窑尾500 mm段采用铬刚玉浇注料整体浇筑，厚度320 mm；(5)在耐火砖尺寸的选用上，综合考虑外型尺寸，尺寸不能过大以免在使用中易出现不规则开裂而造成耐火砖剥落、掉落损坏，也不能过小，以防在回转窑运行中因各种材料的不同膨胀及多次起停后引起的砖缝松动。因砖尺寸过小里外锥形度不够而掉落损坏衬里。砖缝的确定也要适中，不要太小或太大，一般耐火砖尺寸选在250×200×150 mm左右，砖缝定在2 mm左右，回转窑每十环留设一条4 mm膨胀缝，用陶瓷纤维纸填充。

需要注意的是，在实际运行中，进行废物配伍时，要均衡废物中碱性金属(钠、钾等)成分和氟化物的进料浓度。避免碱性金属的集中焚烧。因为低熔点的钠钾盐容易产生对耐火材料的侵蚀。同时氟化物可能破坏砖与砖之间的结合。运转情况也会影响耐火砖的使用寿命。耐火砖砌筑后或更换后必须妥善烘烤处理，以驱除砖内的水分，运转时应该维持燃烧室的温度稳定，以避免产生热震[6]。

4 回转窑壳体的温度控制

危险废物焚烧炉存在大量的酸性气体，特别是氯化氢和二氧化硫对炉体的钢制外壳在特定的温度下有较强的腐蚀。

腐蚀性酸性气体(主要气体是氯化氢/二氧化硫)对金属外壳的腐蚀速度随着温度变化的特性。在低于 150 ℃时，易形成一个高腐蚀速度区，称为低温腐蚀区。在低温腐蚀区主要发生电化学腐蚀。当温度高于 320 ℃时，酸性对金属的腐蚀又进入另一个高腐蚀速度的高温腐蚀区。在进行焚烧炉耐火保温设计时必须避开这两个温度区域。我司原设计在运行危废焚烧80 t/d回转窑设计工作层耐火材料原来是铬刚玉砖250 mm厚，在二次技改时将铬刚玉砖250 mm厚改成刚玉复合砖，可以降低回转窑表面温度10 ℃左右，尤其是回转窑运行中后期，窑体表面温升随着内衬磨损的增加，超过280 ℃就应停炉整修。

回转窑外壁温度随着内壁衬里材料的使用磨损会不断提高，技术改造对节能环保，降低能耗具有重要意义。

由于危险废物焚烧炉存在大量的酸性气体，特别是氯化氢和二氧化硫对炉体的钢制外壳在特定的温度下有较强的腐蚀。在低于150 ℃时，形成一个高腐蚀速度区，称为低温腐蚀区。在低温腐蚀区主要发生电化学腐蚀。当温度高于320 ℃时，酸性对金属的腐蚀又进入另一个高腐蚀速度的高温腐蚀区。在进行焚烧炉耐火保温设计时必须避开这两个温度区域(图1)。

图1 焚烧炉耐火保温设计时需避开的两个温度区域示意图

因此, 原项目回转窑正常焚烧温度850～950 ℃时，外壳设计温度为180～220 ℃，热损较大。改造方案：

(1)原回转窑炉墙传热计算书：

工作层采用铬刚玉砖250 mm厚，导热系数取值为2.7；保温层采用高强度轻质砖70 mm厚，导热系数取值为0.8，按窑内温度900 ℃，计算的窑体温度为199 ℃。窑体总面积为211 m2，总散热量为2 955 726.25 kJ/h。

(2)回转窑炉墙采用复合砖工艺计算书：

工作层采用铬刚玉复合砖250 mm厚，上部190 mm铬刚玉导热系数取值为2.7，下部60 mm轻质刚玉导热系数取值1.4，保温层采用高强度轻质砖70 mm厚(导热系数取值为0.8)，按窑内温度900 ℃ ，计算得窑体温度为188 ℃。窑体总面积为211 m2，总散热量为2 691 113.44 kJ/h。

5 结语

通过回转窑采用复合衬里材料技改实施后，项目经济绩效效益如下：(1)开工后回转窑壳体外表面温度降低11 ℃左右。(2)外表散热量减少264 612.81 kJ/h。等于每小时节约7.4 m3天然气，天然气热值取值为35 579.74 kJ/m3；按本项目辅助燃料采用 0#轻柴油，其基本低位热值按43 000 kJ/kg左右，换算热值取值41 858.52 kJ/m3计， 理论上能够节约0#轻柴油6.3 t/h左右，节能效果显著，同时，延长了停炉更换衬里材料的检修周期。