逆流式回轉(zhuǎn)窯危險(xiǎn)廢物焚燒處置工藝影響因素的探討

張建平 馬翠翠

中國光大綠色環(huán)保有限公司 （江蘇蘇州 215101）

焚燒法是一種高溫?zé)崽幚砑夹g(shù)，即以一定的過量空氣與被處理的有機(jī)廢物在焚燒爐內(nèi)進(jìn)行氧化燃燒反應(yīng)，廢物中的有害有毒物質(zhì)在高溫下氧化、熱解而被破壞，是一種可同時(shí)實(shí)現(xiàn)廢物無害化、減量化、資源化的處理技術(shù)[1]。經(jīng)過20多年的發(fā)展和完善，國外用于處理危險(xiǎn)廢物的焚燒技術(shù)已比較成熟。用于焚燒危險(xiǎn)廢物的焚燒爐類型也多樣化，主要的類型有：回轉(zhuǎn)窯焚燒爐、熱解爐、流化床焚燒爐、多層焚燒爐和液體噴射焚燒爐。其中，回轉(zhuǎn)窯焚燒爐是目前用于危廢焚燒的主流爐型，根據(jù)危險(xiǎn)廢物進(jìn)料方向與回轉(zhuǎn)窯內(nèi)煙氣的走向可分為順流式回轉(zhuǎn)窯和逆流式回轉(zhuǎn)窯。目前，絕大多數(shù)的回轉(zhuǎn)窯焚燒爐為順流式，主要原因是進(jìn)料、進(jìn)風(fēng)及輔助燃燒器的布置簡便，操作維護(hù)方便，有利于廢物的進(jìn)料及前置處理，但是存在氣、固混合不充分，熱傳導(dǎo)率低，濕度較大、可燃性較低的危險(xiǎn)廢物的處置成本較高，工藝操作難度大，容易結(jié)焦，耐火材料腐蝕嚴(yán)重等問題[2]。在焚燒過程中，逆流式的設(shè)計(jì)可提供較佳的氣、固混合及接觸，且其熱傳導(dǎo)效率高，可提高燃燒率、降低處置成本、有效解決結(jié)焦問題。逆流式回轉(zhuǎn)窯已在馬來西亞等國得到很好的應(yīng)用，性能測(cè)試和運(yùn)營都達(dá)到比較滿意的效果。為更好地實(shí)現(xiàn)危廢焚燒處置無害化，現(xiàn)國內(nèi)開始引進(jìn)逆流式回轉(zhuǎn)窯焚燒工藝。

1 逆流式回轉(zhuǎn)窯焚燒工藝機(jī)理

逆流式回轉(zhuǎn)窯的物料與煙氣的流動(dòng)方向相反。危險(xiǎn)廢棄物由上料系統(tǒng)推入窯頭，一次風(fēng)由窯尾進(jìn)入。物料與窯頭溫度高、氧含量低的煙氣接觸，發(fā)生缺氧燃燒，產(chǎn)生的可燃?xì)怏w進(jìn)入窯頭上部的二燃室。物料在窯頭發(fā)生缺氧燃燒后，在自身重力及窯的旋轉(zhuǎn)作用下向窯尾移動(dòng)，與窯尾溫度低、氧含量高的一次風(fēng)進(jìn)行充分接觸，使窯尾灰渣燃盡，保證其熱灼減率合格。窯頭的可燃?xì)怏w進(jìn)入二燃室進(jìn)一步燃燒，較高的煙氣流速與特殊的煙道設(shè)計(jì)提高了煙氣的湍流度，從而保證煙氣的完全燃燒。當(dāng)入爐廢料的熱值存在波動(dòng)時(shí)，控制系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)主燃燒器或輔助燃燒器，保證回轉(zhuǎn)窯和二燃室溫度達(dá)到要求。煙氣凈化采用二燃室+余熱鍋爐+急冷+活性炭噴入+小蘇打噴入+布袋除塵器+濕法脫酸的工藝。逆流式回轉(zhuǎn)窯焚燒工藝的具體流程見圖1。

2 逆流式回轉(zhuǎn)窯工藝控制的影響因素

危險(xiǎn)廢物的焚燒過程非常復(fù)雜，受到很多因素和參數(shù)的影響，主要的控制參數(shù)有4個(gè)：焚燒溫度、湍流度、停留時(shí)間、過量空氣，稱為“3T+E”工藝原則。另外，隨著人們對(duì)回轉(zhuǎn)窯焚燒技術(shù)的不斷摸索和探討，發(fā)現(xiàn)物料特性也是比較重要的影響因素，其作用甚至比“3T+E”工藝原則的影響還要大。在本文中，物料特性主要從有害組分、揮發(fā)分含量、危險(xiǎn)廢物形態(tài)和固定碳含量等方面進(jìn)行闡述。

2.1“3T+E”工藝原則對(duì)逆流式回轉(zhuǎn)窯焚燒的影響

燃燒過程中，“3T+E”原則可實(shí)現(xiàn)物料的完全燃燒，確保危險(xiǎn)廢物中有害組分充分分解，從而在源頭上控制酸性氣體、有害氣體(二噁英類等)的生成，全面控制煙氣排放的二次污染?！?T+E”工藝調(diào)節(jié)控制無論是對(duì)順流式回轉(zhuǎn)窯還是逆流式回轉(zhuǎn)窯都具有舉足輕重的影響。

（1）溫度

逆流式回轉(zhuǎn)窯溫度包含窯頭固定端溫度和窯體內(nèi)的溫度。從進(jìn)料系統(tǒng)進(jìn)入回轉(zhuǎn)窯內(nèi)的危險(xiǎn)廢物在固定端進(jìn)行水分蒸發(fā)、揮發(fā)分析出和初步分解，并在窯頭負(fù)壓作用下被吸入二燃室內(nèi)進(jìn)一步氧化分解和燃燒。如果窯頭固定端溫度（一般為850～1 050℃）過低，則會(huì)造成危險(xiǎn)廢物揮發(fā)分不能充分揮發(fā)，從而導(dǎo)致窯體負(fù)荷增加并加快窯體耐火材料的腐蝕，也會(huì)間接造成危險(xiǎn)廢物爐渣熱灼減率的不合格；而固定端溫度過高，則極易造成固定端結(jié)焦和固定端耐火材料壽命縮短，尤其是在加入含水率較高的危險(xiǎn)廢物時(shí)。如果窯體溫度過低，固定碳含量高的危險(xiǎn)廢物則不能充分燃燒，造成窯尾爐渣熱灼減率不合格；窯體溫度過高，對(duì)逆流式回轉(zhuǎn)窯來說需要開啟主燃燒器來提高回轉(zhuǎn)窯窯體溫度，這樣會(huì)增加運(yùn)行成本，降低危險(xiǎn)廢物焚燒處置的經(jīng)濟(jì)效益。

（2）停留時(shí)間

時(shí)間是指廢物暴露在焚燒溫度下的時(shí)間和煙氣流經(jīng)整個(gè)焚燒爐爐膛的時(shí)間，包括煙氣在二燃室內(nèi)的停留時(shí)間（不少于2 s）。為了保證危險(xiǎn)廢物的破壞率，停留時(shí)間必須足夠長，從而使最難于反應(yīng)的危險(xiǎn)廢物也能夠被有效破壞。在其他工藝相同的情況下，物料停留時(shí)間越長，危險(xiǎn)廢物燃燒越充分；若停留時(shí)間過短，則會(huì)造成危險(xiǎn)廢物的不完全燃燒，導(dǎo)致爐渣熱灼減率和煙氣在線監(jiān)測(cè)指標(biāo)不合格。

圖1 逆流式回轉(zhuǎn)窯危險(xiǎn)廢物焚燒處置圖

（3）湍流度

湍流度即危險(xiǎn)廢物在爐膛內(nèi)被攪動(dòng)的程度。送入爐膛中的危險(xiǎn)廢物必須同氧氣充分接觸才能在高溫下全部快速高效地氧化，這就要求危險(xiǎn)廢物在爐膛內(nèi)有合適的湍流度；爐膛內(nèi)危險(xiǎn)廢物的湍流度與回轉(zhuǎn)窯的轉(zhuǎn)速息息相關(guān)，在某種程度上可通過調(diào)節(jié)窯體的轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn)。在實(shí)際的工藝調(diào)整中，湍流度并不是越大越好，也不是越小越好，而是根據(jù)回轉(zhuǎn)窯的具體設(shè)計(jì)值及物料在窯體內(nèi)翻轉(zhuǎn)的狀態(tài)來決定。合適的湍流度可以使物料更充分地與氧氣接觸并被充分燃燒氧化；湍流度選擇不好，則會(huì)影響物料在窯體內(nèi)的燃燒氧化程度及危險(xiǎn)廢物的處置量。

（4）過?？諝庀禂?shù)

廢物燃燒所需空氣由理論空氣量和過?？諝饬績刹糠纸M成，理論空氣量和過?？諝饬康暮团c理論空氣量的比值即為過?？諝庀禂?shù)。過?？諝饬康亩嗌僦苯佑绊憻煔庵惺Ｓ嗟难鹾俊＿^?？諝舛嗫商岣呷紵俾屎蜔齼袈剩柙黾虞o助燃料及鼓風(fēng)量，擴(kuò)大系統(tǒng)的煙處理能力及引風(fēng)量，經(jīng)濟(jì)性較差。反之，則燃燒不完全，甚至產(chǎn)生黑煙，物料中有害物質(zhì)分解不徹底。在逆流式回轉(zhuǎn)窯的工藝控制中，一般將過?？諝庀禂?shù)設(shè)定在1.6～1.7之間。

實(shí)際上，僅改變其中一種因素來提高焚燒效率的作用是有限的，且對(duì)降低焚燒處置成本不利。在逆流式回轉(zhuǎn)窯系統(tǒng)工藝控制過程中，這四者是相互制約、相互作用的，如：進(jìn)入回轉(zhuǎn)窯的一批危險(xiǎn)廢物固定碳含量較高，這時(shí)只開啟燃燒器提高溫度是不夠的，還要適當(dāng)增大過?？諝庀禂?shù)并降低回轉(zhuǎn)窯的轉(zhuǎn)速，以保證廢料在燃燒過程中有充足的氧氣和足夠的時(shí)間實(shí)現(xiàn)完全燃燒?？傊?，廢物必須與足夠多的空氣或氧氣充分混合，在足夠高的溫度下經(jīng)過合適的時(shí)間，才能完全燃燒或氧化。

2.2 物料特性對(duì)逆流式回轉(zhuǎn)窯工藝的影響

由于危險(xiǎn)廢物的物理、化學(xué)、熱能性質(zhì)復(fù)雜多樣，即使同一批廢物，其組成、熱值、形狀、燃燒狀態(tài)都會(huì)隨時(shí)間與燃燒區(qū)域的不同而有較大的改變，且燃燒所產(chǎn)生廢氣的組成和廢渣性質(zhì)也隨之改變[3]。熱值無論對(duì)順流式回轉(zhuǎn)窯還是逆流式回轉(zhuǎn)窯都是非常重要的考慮因素，其影響原理也相同，因此本文著重討論有害組分、揮發(fā)分、固定碳含量及危險(xiǎn)廢物形態(tài)對(duì)逆流式回轉(zhuǎn)窯焚燒工藝的影響。

（1）有害組分

危險(xiǎn)廢物焚燒中有害組分是指危險(xiǎn)廢物充分燃燒產(chǎn)生的對(duì)焚燒系統(tǒng)中的耐火材料具有腐蝕性或造成環(huán)境排放不達(dá)標(biāo)的元素的總和，如硫、磷、鹵族元素、堿金屬、堿土金屬，及汞、鉛等重金屬。

鹵化及含硫有機(jī)物不僅影響危險(xiǎn)廢物的熱值，也影響廢物燃燒后的酸性氣體含量和煙氣處理系統(tǒng)的運(yùn)行效果，控制不合理會(huì)造成氯氣等酸性氣體的產(chǎn)生，對(duì)耐火材料腐蝕性較大，而且焚燒煙氣中也會(huì)含有HCl，SO2等腐蝕性氣體，這些氣體會(huì)對(duì)鍋爐爐膛內(nèi)部的材料產(chǎn)生腐蝕。因此對(duì)于鹵族元素和硫元素含量高、數(shù)量大的危險(xiǎn)廢物，盡量經(jīng)過配伍降低其含量后再進(jìn)行焚燒處置，要求其含量一般控制在：w（C）＜2%，w（S）＜2%，w（F）＜0.5%（危險(xiǎn)廢物所含鹵族元素主要是氯和氟，溴、碘含量一般比較低或?yàn)榱悖?/p>

堿金屬、堿土金屬元素一般以低熔點(diǎn)化合物的形式存在，由于熔點(diǎn)低，很容易達(dá)到熔融和氣化的狀態(tài)，從而引起回轉(zhuǎn)窯內(nèi)結(jié)焦及余熱鍋爐等設(shè)備堵塞，嚴(yán)重時(shí)會(huì)腐蝕耐火材料，降低整套系統(tǒng)的處置能力，增加運(yùn)行成本。在實(shí)際工藝控制中，一般其總含量不超過5%。

控制重金屬含量是實(shí)現(xiàn)焚燒系統(tǒng)正常運(yùn)行和尾氣達(dá)標(biāo)排放的保障，如果前端控制不當(dāng)，會(huì)增加布袋除塵器等后端設(shè)備的壓力，并極易造成在線煙氣檢測(cè)不達(dá)標(biāo)，不能實(shí)現(xiàn)達(dá)標(biāo)排放。因此，可以在危險(xiǎn)廢物每次入爐的量和入爐次數(shù)上進(jìn)行有效控制。

危險(xiǎn)廢物中磷元素主要是以有機(jī)磷化物的形式存在，焚燒產(chǎn)生的P2O5在400～700℃間會(huì)對(duì)金屬產(chǎn)生腐蝕（主要是余熱鍋爐區(qū)域），如果控制不好磷元素的含量則會(huì)使余熱鍋爐的使用壽命大大縮短。逆流式回轉(zhuǎn)窯的焚燒控制中，磷的含量一般不超過5%。

（2）揮發(fā)分含量

由于逆流式回轉(zhuǎn)窯在設(shè)計(jì)時(shí)要求煙氣在二燃室的停留時(shí)間不少于2 s，揮發(fā)分含量過高會(huì)造成過量的有機(jī)氣體得不到充分分解或燃燒，導(dǎo)致焚燒系統(tǒng)在線監(jiān)測(cè)指標(biāo)不合格，嚴(yán)重時(shí)會(huì)出現(xiàn)煙囪冒黑煙現(xiàn)象，使排放不達(dá)標(biāo)。揮發(fā)分含量過低時(shí)，少量有機(jī)氣體在二燃室內(nèi)焚燒并釋放少量熱量，二燃室溫度不能長久保持在1 100℃及以上，需要開啟輔助燃燒器，這樣就會(huì)增加運(yùn)行成本，從而降低經(jīng)濟(jì)效益。因此，適量的揮發(fā)分含量（一般在配伍時(shí)將其控制在20%～30%左右）對(duì)于穩(wěn)定生產(chǎn)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)達(dá)標(biāo)排放和經(jīng)濟(jì)效益最大化起著重要作用。

（3）危險(xiǎn)廢物形態(tài)

危險(xiǎn)廢物的形態(tài)可分為液態(tài)、固態(tài)、黏稠態(tài)，其中固態(tài)可分為塊狀、粉末狀和顆粒狀。在這里主要討論固態(tài)粉末狀危險(xiǎn)廢物對(duì)逆流式回轉(zhuǎn)窯焚燒工藝的影響。由于逆流式回轉(zhuǎn)窯焚燒系統(tǒng)在窯頭保持負(fù)壓，當(dāng)危險(xiǎn)廢物通過進(jìn)料系統(tǒng)被投入到窯頭固定端，經(jīng)過短暫的脫水干燥后粉末狀的危險(xiǎn)廢物會(huì)隨著煙氣被吸入到二燃室內(nèi)而不是隨著回轉(zhuǎn)窯爐體的轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)入窯尾，所以單次投入的危險(xiǎn)廢物中粉末狀廢料含量越多，意味著被吸入二燃室進(jìn)而進(jìn)入二燃室后面焚燒系統(tǒng)的粉末狀廢料越多，會(huì)造成二燃室和煙道中積聚大量的灰塵，也會(huì)在一定程度上增加旋風(fēng)除塵器和布袋除塵器的負(fù)荷，從而增加運(yùn)行的人工投入量。

（4）固定碳含量

危險(xiǎn)廢物中固定碳含量越高，在某種程度上意味著揮發(fā)分、水分等含量越低，即能在窯頭固定端被燃燒分解的危險(xiǎn)廢物比較少。在窯體轉(zhuǎn)速、一二次風(fēng)供風(fēng)量一定的前提下，固定碳含量越高，表明需要在窯體內(nèi)燃燒氧化的成分含量越高，這樣極易造成窯尾爐渣熱灼減率不合格。所以在危險(xiǎn)廢物焚燒配伍時(shí)，選擇合適的固定碳含量對(duì)于保持焚燒系統(tǒng)工藝操作的穩(wěn)定性具有極其重要的作用。在實(shí)際的逆流式回轉(zhuǎn)窯工藝參數(shù)調(diào)整中，一般將固定碳含量控制在30%～50%左右，具體的控制量要根據(jù)實(shí)際工藝參數(shù)及危險(xiǎn)廢物檢測(cè)的詳細(xì)指標(biāo)進(jìn)行確定。

3 總結(jié)及展望

逆流式回轉(zhuǎn)窯焚燒處置工藝是國內(nèi)新興的危險(xiǎn)廢物焚燒處置方式，由于其具有運(yùn)行成本低、可有效避免窯尾結(jié)焦等優(yōu)點(diǎn)而逐步被接受，但是逆流式回轉(zhuǎn)窯在實(shí)際應(yīng)用中也存在不足，如氣固相對(duì)速度較大，煙氣及窯頭前端粉塵的含量相對(duì)較高，會(huì)使對(duì)回轉(zhuǎn)窯內(nèi)物料燃燒狀況的掌握和保證二燃室內(nèi)煙氣的停留時(shí)間增加難度。應(yīng)在分析我國現(xiàn)有危險(xiǎn)廢物特點(diǎn)和設(shè)備優(yōu)缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上，綜合考慮我國的經(jīng)濟(jì)承受能力和市場(chǎng)前景，加速技術(shù)引進(jìn)和消化，或加快研究開發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的危險(xiǎn)廢物焚燒爐及其技術(shù)。隨著人們對(duì)危險(xiǎn)廢物認(rèn)知的不斷深入，逆流式回轉(zhuǎn)窯危險(xiǎn)廢物焚燒處置必然會(huì)被我國越來越多的城市采用，物料配伍的科學(xué)技術(shù)性、較低的運(yùn)行成本、規(guī)范化的技術(shù)管理將成為今后幾年危廢焚燒企業(yè)能夠幸存的“法寶”。