回轉(zhuǎn)窯焚燒危險廢物的結焦物特性

胡文濤，張金流

（合肥學院生物與環(huán)境工程系，安徽合肥230601）

近年來，以焚燒為代表的垃圾處理工藝得到廣泛應用，各種先進焚燒技術和新式焚燒設備相繼出現(xiàn)，常用的焚燒設備有爐排爐、液體噴射爐、流化床、回轉(zhuǎn)窯等，這些焚燒設備都有著自身獨特的優(yōu)點和適應性。與其它設備相比，回轉(zhuǎn)窯焚燒系統(tǒng)有著更為廣泛的適用性，可適用于各種固體、液體甚至氣體廢物的焚燒，尤其適用于各種工業(yè)危險廢物、醫(yī)療垃圾等[1-2]。然而在實際運行中，回轉(zhuǎn)窯常常會出現(xiàn)一些問題，比如結焦現(xiàn)象，嚴重時可能導致停產(chǎn)，甚至損壞整套設備。為預防回轉(zhuǎn)窯各部位結焦現(xiàn)象的發(fā)生，本文對某一企業(yè)回轉(zhuǎn)窯內(nèi)部各部位結焦物微觀結構、元素組成及物相組成進行觀察、分析，在此基礎上得出了回轉(zhuǎn)窯內(nèi)結焦的原因及預防措施。

1 實驗方法

1.1 樣品采集

在該企業(yè)回轉(zhuǎn)窯?；鹎謇砭S修期間，對回轉(zhuǎn)窯內(nèi)部小沉降室、二燃室、二燃室出口等處結焦物樣品進行采集，具體取樣位置見圖1。

圖1 回轉(zhuǎn)窯焚燒工藝流程簡圖Fig.1 The incineration process diagram of rotary kiln

1.2 樣品處理與測定

（1）SEM-EDS分析：將大塊樣品破碎，取一薄片樣品用雙面膠固定在載樣臺上（掃描前為了增加樣品的導電性，需對固定的樣品進行噴金處理）。使用TM3030掃描電子顯微鏡（SEM-EDS）觀察結焦物樣品微觀形態(tài)，用EDS分析樣品元素組成，每個樣品均做兩個平行樣。

（2）XRD分析：將結焦物樣品用瑪瑙研缽研磨成細粉狀，過300目篩網(wǎng)，利用X射線衍射儀分析其物相。

2 結果與討論

2.1 結焦物表觀結構特征

圖2（a）～（c）分別為回轉(zhuǎn)窯小沉降室、二燃室底部、二燃室出口等三處結焦物表觀結構。從圖中可以看到，回轉(zhuǎn)窯小沉降室處結焦塊內(nèi)部呈現(xiàn)許多小孔，導致這一現(xiàn)象的原因是回轉(zhuǎn)窯焚燒飛灰在高溫下達到熔融或半熔融狀態(tài)，當遇爐壁后冷卻黏附并逐漸凝固。由于回轉(zhuǎn)窯內(nèi)氣流速度較大，氣體不斷穿過半融狀態(tài)的結焦物時，導致結焦物凝固后內(nèi)部出現(xiàn)多孔構造；二燃室底部結焦塊結構較為緊密，與小沉降室處結焦物相比，孔隙較少；二燃室出口處結焦物形狀不規(guī)則，這與該處氣流速度較快，流速不均勻有關，部分部位較為緊密，部分部位出現(xiàn)少許孔隙，其形成機理與回轉(zhuǎn)窯小沉降室相同。

圖2不同部位樣品表觀結構特征Fig.2 The apparentstructural features in differentparts of the sam ple

2.2 結焦物掃描電鏡微觀結構特征

圖3 （a）～（f）為回轉(zhuǎn)窯不同部位內(nèi)壁結焦物的微觀結構圖。從圖中可以看出，各部位結焦物整體上形狀較為單一，呈片狀或片狀堆積結構，說明結焦一旦形成，就會大面積在焚燒爐內(nèi)壁堆積，時間久了，鍋爐無法正常運行，被迫停爐清焦[3]。圖3（a）（b）可以看到幾個孔徑存在，這與表面觀察的現(xiàn)象一致。由圖3（c）（d）可知，二燃室底部樣品表面平整，沒有微觀孔隙，結構致密。由圖3（e）（f）可知，二燃室出口處樣品結構復雜，既存在致密的結構，又有許多小碎塊結構，相互交接在一起，這與回轉(zhuǎn)窯氣體流速有關。總之，從上面掃描電鏡圖可知，各部位結焦都是物料在高溫條件下分解后重新組合而成，結焦物質(zhì)地一般都較為致密，因而回轉(zhuǎn)窯內(nèi)壁一旦形成結焦物便難以清除，需要停爐后人工機械清除。

圖3 不同部位樣品掃描電鏡圖Fig.3 SEM images of different parts of the sample

通過EDS分析可知，回轉(zhuǎn)窯各部位結焦物元素組成存在少許差異，但其主要元素是 O、Si、Al、Ca、Fe、Na、Ti、Au以及少量的 Mg、K、Zn、Ba等（元素 Au是實驗時為了增加樣品的導電性而鍍上的）。根據(jù)主要元素我們可以推測結焦物可能為 Si、Al、Ca、Fe、Na的氧化物或鹽類組成的混合物。樣品中存在Na、K等堿金屬元素，易與鹵素、硫酸根等形成堿金屬鹽類，如NaCl、Na2SO4等。由于其熔點普遍較低，這些堿金屬鹽類在高溫下處于熔融態(tài)，易粘附在爐壁造成爐膛的結焦、結渣[4]，這是回轉(zhuǎn)窯結焦的重要原因之一，這一點與李曉東、路野等相關研究[5-6]是一致的。此外，F(xiàn)e元素在灰渣中的含量對回轉(zhuǎn)窯結焦也有重要影響，據(jù)相關研究發(fā)現(xiàn)[7]，高溫下含硅酸鹽粉末易與FeO形成低熔點化合物鐵橄欖石、鐵鈣鋁硅酸鹽、鐵酸鈣、鈣鐵橄欖石等附著在窯襯上形成窯皮，而危險廢物焚燒灰渣中SiO2的含量通常都較高，很容易促進低熔點物質(zhì)的生成，導致結焦，隨著時間延長逐漸長大加厚，最終形成嚴重結焦。因此，灰渣中大量鐵元素和硅元素的存在也是促進回轉(zhuǎn)窯內(nèi)結焦物形成的重要原因。

因此，針對上述低熔點堿金屬鹽類在爐內(nèi)形成結焦物情況分析，我們可以采取如下措施來防止或減緩結焦的生成：焚燒進料時將含有鈉、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行焚燒，以減少低熔點物質(zhì)的生成。

表1 不同測點元素組成及質(zhì)量分數(shù)Tab.1 The elements weight percentage of different measuring points a～f

2.3 結焦物的物相組成

為進一步確認結焦物的組成，我們利用X射線衍射儀對回轉(zhuǎn)窯結焦物進行實驗分析，其衍射圖譜如圖4所示。

圖4 不同部位樣品XRD分析結果Fig.4 XRD analysis of samples from differentparts

回轉(zhuǎn)窯中所形成的結焦成分復雜，這一點由圖4（a）～（c）也可以看出，各部位樣品的XRD圖譜都出現(xiàn)大量的譜峰，為此這里只分析樣品的主要成分，結合EDS所得樣品中存在的元素分析結果，可以看出各部位結焦物主要成分為 SiO2、CaSiO3、FeSiO3，但由于各個部位溫度、煙氣流速、氣氛條件等因素存在差異，致使不同部位結焦物成分存在一定差異。

根據(jù)EDS分析可知，結焦物主要元素是O、Si、Al、Ca、Fe、Na、Ti。在高溫條件下，會發(fā)生如下反應[8]：

CaO·Fe2O3與 2CaO·Fe2O3的熔點都較低，只有1225℃～1250℃和1300℃～1350℃。

當窯內(nèi)燃燒不充分，呈現(xiàn)還原性氣氛時，CO可能將Fe2O3還原為FeO，F(xiàn)eO與SiO2反應，生成熔點更低的FeO·SiO2：

FeO·SiO2的熔點為1205℃，三種共融物都將是結焦產(chǎn)生的先導[9]。

Al2O3存在時，F(xiàn)eO和SiO2、Al2O3和CaO等成分結合，形成熔點更低的共熔物相[10]：

一般來說，酸性氧化物的存在能夠提高灰的粘度和熔點，而堿性氧化物在一定條件下有助于降低灰熔點[11]。酸性氧化物SiO2、Al2O3、TiO2等，雖然其熔融溫度較高，都有增高灰熔點作用，但影響程度卻不同。SiO2含量過高會產(chǎn)生較多的無定型玻璃體，使灰提早軟化，灰粘度也增高，且含硅的氧化礦物群和硅酸鹽礦物群會與某些堿性氧化物形成低熔點共熔體，這有助于熔解難熔的復合化合物，使灰熔點降低[12]。堿性氧化物Fe2O3、CaO、MgO、Na2O、K2O的含量在某一范圍時，都呈現(xiàn)出較強的結焦性；同時，F(xiàn)e2O3、CaO也是組成低熔點共熔體的重要成分，且二者的綜合作用比單獨作用更易形成低灰熔點的共熔體[13]。因此，為減少低熔點共熔體形成，一方面可以通過控制廢物的進料，合理安排堿性氧化物含量高的物料，提高灰熔點；另一方面可以通過控制焚燒爐的燃燒溫度和供風量，保證焚燒溫度在合理前提下低于灰熔點溫度，避開結焦的溫度范圍；同時，提高供風量，避免爐內(nèi)出現(xiàn)還原氣氛[14]。

3 預防焚燒爐內(nèi)壁結焦物形成的措施

（1）在焚燒前，需對焚燒物料進行工業(yè)分析和灰熔點測試，避免堿金屬含量高的物料同時進爐燃燒。在分析測試基礎上進行合理配伍，運行人員參考配伍方案，對焚燒爐進行正確調(diào)整，確定好不同負荷條件下的最佳過?？諝庀禂?shù)，通過調(diào)整一、二次風的風率、風速，以及物料風、輔助風的配比等，控制一燃室、二燃室溫度和爐膛出口煙溫，使物料充分燃燒而不在爐壁附近產(chǎn)生還原性氣氛。總之，必須嚴格按運行規(guī)程和燃燒調(diào)整試驗結果進行焚燒爐的運行和操作。

（2）投入使用優(yōu)化焚燒爐受熱面的吹灰器，嚴格按要求進行焚燒爐吹灰，保證受熱面清潔。值班人員應加強對吹灰器和現(xiàn)場出灰情況的監(jiān)視和分析，每班要檢查冷灰斗是否有堵焦現(xiàn)象，同時對焚燒結焦情況進行就地檢查并做詳細記錄。

（3）要定期分析焚燒爐運行工況和結焦情況，對焚燒易結焦的物料要重點分析焚燒爐爐膛出口溫度的變化規(guī)律，以及過熱器、再熱器管壁溫度變化的情況。一旦發(fā)現(xiàn)焚燒爐結焦嚴重時，可申請適當降低負荷運行和加強吹灰，如已采取降負荷運行等措施仍無效時，應立即匯報主管人員，申請停爐人工清焦。

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