回轉窯危險廢物焚燒系統(tǒng)的優(yōu)化設計

張紹坤

（北京機電院高技術股份有限公司，北京 100027）

回轉窯危險廢物焚燒系統(tǒng)的優(yōu)化設計

張紹坤

（北京機電院高技術股份有限公司，北京 100027）

回轉窯是危險廢棄物處理中最有效的設備，具有廢物處理種類多等優(yōu)點。隨著回轉窯危險廢物焚燒系統(tǒng)應用越來越廣泛，該系統(tǒng)在應用中的一些問題也暴露出來（如進料水套容易破壞、廢物在窯內焚燒不充分、回轉窯尾耐火材料容易脫落等），需要根據(jù)工程應用進行設備優(yōu)化設計。文章分析了回轉窯焚燒系統(tǒng)出現(xiàn)問題的原因，并給出了優(yōu)化設計方案，對回轉窯焚燒系統(tǒng)的優(yōu)化設計提供了借鑒。

危險廢物；回轉窯；熱灼減率

1 前言

危險廢物是指根據(jù)國家統(tǒng)一規(guī)定的方法鑒別認定的具有毒性、易燃性、易爆性、腐蝕性、化學反應等性質的，對人體健康和環(huán)境能造成危害的廢物，如醫(yī)療廢物、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)過處理才能進入環(huán)境，焚燒法是最有效的危險廢棄物處理方法，而回轉窯是危險廢棄物處理中最有效的設備，具有可廢物處理種類多、處理量大等優(yōu)點?；剞D窯處理危險廢物技術在發(fā)達國家如美國、加拿大、日本等早在20世紀70年代就已開始采用[1]。我國自20世紀90年代開始，逐步開始應用回轉窯焚燒系統(tǒng)處理危險廢物，目前，全國90%以上的危險廢物處置中心都采用了危險廢物焚燒處理系統(tǒng)。

隨著回轉窯危險廢物焚燒系統(tǒng)應用越來越廣泛，該系統(tǒng)在應用中的一些問題也暴露出來，需要根據(jù)實際應用進行設備優(yōu)化設計。本文結合某回轉窯焚燒項目，指出了目前回轉窯危險廢物焚燒系統(tǒng)（主要包括回轉窯頭罩、回轉窯）中出現(xiàn)的一些問題，對這些問題進行分析和研究，并給出了優(yōu)化方案，對回轉窯焚燒系統(tǒng)的優(yōu)化設計提供了一種思路，具有一定的借鑒意義。

2 回轉窯頭罩

2.1 回轉窯頭罩問題

回轉窯頭罩是回轉窯進料端的罩體，回轉窯頭罩主要包括回轉窯頭罩體、進料推頭、廢液噴槍、柴油燃燒器、回轉窯供風口、檢修人孔門等組成。回轉窯頭罩的作用主要有兩個：1）向回轉窯內輸送物料，如固體廢物、液體廢物、氣體廢物等，同時供給物料焚燒所需的空氣；2）罩住回轉窯進料端，避免煙氣外泄，將回轉窯與上料系統(tǒng)隔開。

目前，頭罩在運行過程中的主要問題是：進料推頭四周的冷卻水套容易破損。由于水套破損時，系統(tǒng)必須進行停爐檢修，因此上述故障影響了固體廢物和液體廢物的進料，進而影響了廢物入爐量和回轉窯的利用率，需要進行改進。

2.2 頭罩問題分析

進料推頭四周的冷卻水套的目的是對推料筒進行冷卻，一方面可以防止推料筒因過熱而變形或損壞，另一方面可以避免因推料筒過熱而黏附物料造成進料不暢。進料推頭的水套結構如圖1所示，冷卻水從推頭下方的進水口進入水套，通過水套中設置的迷宮后，再從推料上方的出水口排出，從冷卻水套出來的高溫水由冷卻水泵輸送進入冷卻塔冷卻后，再進入冷卻水套，循環(huán)運行。水在冷卻水套內強制循環(huán)，帶走回轉窯的高溫輻射熱，冷卻推料筒。冷卻水套破損的原因主要有三個：

（1）冷卻用水沒有經(jīng)過軟化處理，水的硬度較高，在水套內加熱時，水中的鹽分和堿性物質，如CaCO3、CaSO4、Mg(OH)2等，容易析出形成水垢，積聚在水套內壁，影響換熱效果。并且由于水垢的厚薄不均，還會導致水局部過熱產(chǎn)生蒸汽，形成汽蝕，進而導致水套破損。

（2）回轉窯的熱煙氣中含有較多的水分，這些水分遇冷附著在水套外表面，形成小露滴，同時煙氣中含有的酸性氣體，如HCl、SO2等，溶解在小露滴中，對水套外表面形成露點腐蝕，進而導致水套破損。

（3）人為操作不當，誤停冷卻水泵或關閉閥門，導致冷卻水套缺水而燒壞。

圖1 進料推頭的水套結構

2.3 頭罩優(yōu)化設計

針對運行時頭罩出現(xiàn)的兩個問題，結合上述分析，所做優(yōu)化設計如下：

進料的水冷夾套更換為風冷夾套。風冷夾套的圖紙如圖2所示，增設一臺冷卻風機，用于進料冷卻。進料冷卻風套主風管通過法蘭和風機管路相連，在主風管上設有均布的支管，用于向風冷夾套內鼓風，風冷夾套內部開口通向回轉窯內部，即冷卻風被加熱后直接進入回轉窯內部作為焚燒助燃風，這樣既冷卻了進料推筒，又對助燃風進行了預熱，節(jié)省了燃料。

圖2 風冷夾套詳圖

3 回轉窯

3.1 回轉窯問題

典型回轉窯是回轉窯焚燒系統(tǒng)的核心設備，是由減速機驅動旋轉的水平圓柱形焚燒爐，通常與水平面呈2°～5°布置，典型的回轉窯如圖3所示。固體廢物和液體廢物由回轉窯頭部進入回轉窯，隨著回轉窯的旋轉，由窯頭向窯尾移動，在回轉窯內依次經(jīng)歷烘干、熱解、焚燒、燃盡等階段，焚燒產(chǎn)生的灰渣由回轉窯尾部排出。

圖3 回轉窯簡圖

目前，回轉窯在運行過程中出現(xiàn)的問題主要有：

（1）回轉窯尾端的澆注料容易脫落，維修較為頻繁。

（2）部分塊狀危險廢物焚燒后產(chǎn)生的殘渣的熱灼減率高于5%，為6%～10%，不符合《危險廢物集中焚燒處置工程建設技術規(guī)范》（HJ/T 176-2005）中“爐渣熱灼減率應＜5%”的規(guī)定。

回轉窯為焚燒系統(tǒng)的核心設備，以上問題影響了回轉窯的穩(wěn)定運行，影響了回轉窯的危險廢物焚燒處理量，同時由于焚燒廢物產(chǎn)生殘渣的熱灼減率過高，部分灰渣需要再次入爐焚燒，增加了焚燒工作量，因而急需進行優(yōu)化設計。

3.2 回轉窯問題分析

3.2.1 回轉窯尾端澆注料脫落問題分析

回轉窯尾部結構如圖4所示?；剞D窯尾部的外面設有冷卻風套，回轉窯的內部設置了窯尾護鐵，其材質為0Cr25Ni20，窯尾護鐵的截面近似呈工字型，在護鐵表面焊接有抓釘，抓釘?shù)牟馁|與護鐵相同。通過抓釘?shù)墓潭?，澆注料澆筑在窯尾護鐵的四周，避免護鐵直接暴露在高溫煙氣中而損壞。

圖4 回轉窯尾部結構示意圖

在該回轉窯焚燒項目的運行過程中，兩年之內曾發(fā)生了三次窯尾澆注料脫落事故，對回轉窯的穩(wěn)定運行造成了很壞的影響。通過對澆注料脫落后的窯尾檢查發(fā)現(xiàn)，脫落部分的澆注料為成塊脫落，脫落部分的抓釘裸露了出來，但脫落部分抓釘?shù)睦喂潭热院芨?，這說明了澆注料的脫落既不是由于煙氣對耐火材料的腐蝕造成的，又不是由于抓釘焊接不牢固等施工原因造成的。由于未脫落部分也存在明顯的裂縫（3～4mm），因此初步判定澆注料脫落的原因是受熱膨脹造成的。

查相關資料得出[2]：不銹鋼的熱膨脹系數(shù)約為16×10-6/℃，在900℃的環(huán)境下，其膨脹系數(shù)為λ1= 0.0144；耐火澆注料在900℃環(huán)境下，重燒線變化率不大于0.3%[3]，即λ2= 0.003。由于λ1/λ2≈ 5，所以，在900℃的環(huán)境中，不銹鋼的熱膨脹率約為澆注料的5倍。

由于窯尾護鐵原有結構近似于工字型，且高溫下不銹鋼的熱膨脹率遠大于澆注料，這樣就導致了夾在兩層鋼板中的澆注料會受鋼板熱膨脹的擠壓而變形，久而久之，這些澆注料就會出現(xiàn)脫落現(xiàn)象。

3.2.2 殘渣熱灼減率過高問題分析

危險廢物焚燒后殘渣的熱灼減率過高，說明廢物在回轉窯內焚燒不徹底，可能的原因有三個：

（1）焚燒溫度過低，導致回轉窯容積熱負荷過低。

（2）廢物入爐量過高或回轉窯的供風量不足。

（3）廢物在回轉窯內的停留時間不足。

經(jīng)過對該回轉窯焚燒項目處理的危險廢物進行化驗，得出的廢物元素成分如表1所示。

表1 危險廢物焚燒后的組成表

該危險廢物的高位熱值[4]：

將表中數(shù)據(jù)代入，計算得：22,480kJ/kg。

該危險廢物的低位熱值：

將表中數(shù)據(jù)和高位熱值代入，計算得：20,487kJ/kg。由于廢物焚燒處理量為1000kg/h，因此，廢物完全燃燒產(chǎn)生的熱量約為：

該項目回轉窯內徑D=2.1m，有效長度L=10.0m，其有效容積為：

因此，該項目回轉窯內容積熱負荷約為：

根據(jù)文獻查得[5]，回轉窯容積熱負荷的范圍為（4.2～104.5）×104kJ/m3·h，因此，該項目的回轉窯容積熱負荷符合常規(guī)要求。

另外，系統(tǒng)檢測溫度儀表顯示，回轉窯運行時其內部溫度穩(wěn)定在850℃～950℃，與其他項目一致且符合規(guī)范要求，因此導致殘渣熱灼減率過高的原因不是焚燒溫度過低。

廢物完全焚燒時，其反應方程式如下：

表2 危險廢物焚燒產(chǎn)物分析表

根據(jù)上述化學方程式，得出該危險廢物焚燒過程計算表如表2所示。

根據(jù)表2可得出，該危險廢物完全燃燒所需的理論空氣量為：Vk0= 5.37Nm3/kg，回轉窯的過?？諝庀禂?shù)按照經(jīng)驗值取1.2，則按照設計處理量Mh=1000kg/h，每小時所需空氣量為：

查回轉窯助燃風機，得知回轉窯的一次供風量為5712～10,562m3/h，風機運行穩(wěn)定，能夠完全滿足危險廢物焚燒的需要。并且經(jīng)危險廢物進料量統(tǒng)計顯示，危險廢物的焚燒量平均約為1000kg/h，符合設計要求。因此，導致殘渣熱灼減率過高的原因也不是廢物入爐量過高或回轉窯的供風量不足。

經(jīng)過以上分析可知，危險廢物焚燒后殘渣的熱灼減率過高的主要原因是廢物在回轉窯內的停留時間不足。

3.3 回轉窯優(yōu)化設計

針對回轉窯出現(xiàn)的問題，結合上述分析，所做優(yōu)化設計如下：

（1）針對回轉窯尾部澆注料脫落問題，優(yōu)化后的窯尾結構如圖5所示。

此優(yōu)化方案取消了原窯尾護鐵中位于澆注料內部的橫向環(huán)板，并縮短了縱向環(huán)板伸入回轉窯內部的長度，這樣既可以方便抓釘焊接，又可以最大限度減少窯尾護鐵膨脹對澆注料的影響，避免了窯尾澆注料的脫落。

（2）針對危險廢物焚燒后的殘渣熱灼減率過高問題，采取的優(yōu)化措施為：對于特大體積的待燒物料，進行破碎后再入爐焚燒；在窯內增加砌筑揚料塊，將廢物揚起來，使之充分與助燃空氣接觸，焚燒得更充分；在不影響焚燒處理量的前提下，通過變頻控制，盡量減慢回轉窯的轉速，增加物料在窯內的停留時間。這些優(yōu)化措施，可使廢物在回轉窯內焚燒得更充分，焚燒的時間更長，有效降低回轉窯出渣的熱灼減率。該優(yōu)化方案實施后，回轉窯出渣的熱灼減率降低為3%～4%，滿足了規(guī)范的要求。

圖5 回轉窯尾部優(yōu)化示意圖

4 優(yōu)化設計結果

根據(jù)上述分析和優(yōu)化設計方案，對回轉窯危險廢物焚燒系統(tǒng)進行了改造，通過改造完成后一年多的運行情況來看，此次優(yōu)化設計是比較成功的，具體體現(xiàn)在以下方面：

（1）解決了進料水套容易損壞的問題。由于采用風冷，進料推頭的冷卻夾套故障率大為降低，由過去的每年約4次的檢修頻率，變?yōu)榱銠z修。同時由于優(yōu)化后取消了冷卻水泵和冷卻塔，節(jié)省了運行功率。

（2）回轉窯尾部澆注料檢修頻率降低。優(yōu)化前，回轉窯尾部澆注料每年需要檢修3～4次；優(yōu)化后，回轉窯尾部澆注料每年僅需檢修一次，且檢修僅為補充因腐蝕而脫落的澆注料，檢修強度大為降低。

（3）回轉窯焚燒爐渣的熱灼減率符合規(guī)范規(guī)定。優(yōu)化后，爐渣的熱灼減率為2%～4%。

5 結論

本文中的這些改進設計是在原有設計基礎上優(yōu)化的，一方面需結合現(xiàn)有的條件，充分利用原有設備設施；另一方面要認真分析問題出現(xiàn)的原因，只有把問題產(chǎn)生的根源分析清楚，才能有的放矢地提出優(yōu)化方案。

本次改進設計的特點是投入資金少、優(yōu)化方案簡單易行，技術先進、運行可靠，有利于回轉窯危險廢物焚燒系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，具有較高的經(jīng)濟效益和社會效益。對于其他回轉窯危險廢物焚燒系統(tǒng)中出現(xiàn)的類似問題，可參考本文的優(yōu)化方案進行優(yōu)化改造。

[1] 方偉.水泥回轉窯處置危險廢物技術研究[J].水泥技術，2000，6 : 35-39.

[2] 尹傳華.金屬工藝學（第2版）[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，2010.

[3] 全國耐火材料標準化技術委員會.耐火材料標準匯編[M].北京：中國標準出版社，2007.

[4] 王秉銓.工業(yè)爐設計手冊（第2版）[M].北京：機械工業(yè)出版社，2000.

[5] 聶永豐.三廢處理工程技術手冊[M].北京：化學工業(yè)出版社，2000.

Optimizing Design for Incineration System of Hazardous Wastes in Rotary Kiln

ZHANG Shao-kun
(Beijing Machinery & Electricity Institute Co., Ltd, Beijing 100027, China)

The rotary kiln is the most effective equipment in the treatment of hazardous wastes and has many kinds of merit in the waste treatment. Along with the more and more use of incineration system of hazardous wastes in rotary kiln, some problems of the system are emerged in the application. It is required to carry through design of equipmqnt optimization in accordance with the engineering application. The paper analyzes the reasons emerged in the incineration system of rotary kiln and presents the optimizing design program as well as provides use for reference for optimizing design of the incineration system of rotary kiln.

hazardous waste; rotary kiln; rate reduction of heat bright

X705

A

1006-5377（2015）04-0059-05