危廢焚燒系統(tǒng)中的回轉(zhuǎn)窯及其熔渣管理

李談教

上海泓濟環(huán)?？萍脊煞萦邢薰?（上海 200433）

固體廢物的分類方法有很多種:按其組成可分為有機廢物和無機廢物；按其形態(tài)可分為固態(tài)廢物、半固態(tài)廢物和液態(tài)（氣態(tài)）廢物；按其污染特性可分為危險廢物和一般廢物等。根據(jù)《中華人民共和國固體廢物污染環(huán)境防治法》，固體廢物可分為城市生活垃圾、工業(yè)固體廢物和危險廢物[1]。其中規(guī)定：危險廢物是指列入國家危險廢物名錄或者根據(jù)國家規(guī)定的危險廢物鑒別標(biāo)準(zhǔn)和鑒別方法認(rèn)定的具有危險特性的固體廢物。危險廢物的特性通常包括急性毒性、易燃性、反應(yīng)性、腐蝕性、浸出毒性和疾病傳染性。

隨著國內(nèi)經(jīng)濟的快速發(fā)展和工業(yè)化水平的提高，工業(yè)固體廢物的產(chǎn)量也呈現(xiàn)出迅速增加的態(tài)勢。堆積存放和每年新產(chǎn)生的大量工業(yè)固體廢物正在越來越多地侵占我國寶貴的土地資源，且在不同程度上污染了當(dāng)?shù)氐耐寥?、水體和大氣，嚴(yán)重影響并危害著人類的生存環(huán)境。目前，我國危險廢物產(chǎn)量呈逐年增長態(tài)勢。前瞻產(chǎn)業(yè)研究院數(shù)據(jù)顯示，2015年，我國的危險廢物產(chǎn)量達4 220萬t，并預(yù)期會以12.0%的復(fù)合年增長率由2016年的4 850萬t增加至2020年的7 620萬t。值得注意的是，實際危廢產(chǎn)量可能大大高于統(tǒng)計的數(shù)值，據(jù)估算，當(dāng)前危險廢物的實際產(chǎn)量已經(jīng)達6 000萬～10 000萬t/a。

科學(xué)合理地處置危險廢物已刻不容緩。1996年4月1日起實施的 《中華人民共和國固體廢物污染環(huán)境防治法》確立了固體廢物污染防治的“三化”[2]原則，即固體廢物污染防治的“減量化、資源化、無害化”原則。

目前，采取焚燒的方式來處置危險廢物已得到國內(nèi)外的一致認(rèn)同。世界上發(fā)達國家利用水泥窯焚燒危險廢物、垃圾已有20余年的歷史，焚燒不僅使廢物減量化、無害化，而且將廢物作為燃料利用，節(jié)省燃料，實現(xiàn)了廢物的資源化。采用焚燒法處置危險廢物，回轉(zhuǎn)窯和二次燃燒室的組合是徹底焚毀危險廢物中有毒有害物質(zhì)的核心設(shè)備。

1 回轉(zhuǎn)窯的主要組成部件及其作用

回轉(zhuǎn)窯主要由前墻、筒體、前后托輪組、驅(qū)動裝置、密封裝置等組成，詳見圖1。

圖1 推桿喂料器+回轉(zhuǎn)窯+二燃室+出渣機

（1）回轉(zhuǎn)窯前墻

回轉(zhuǎn)窯前墻的主要作用是布置回轉(zhuǎn)窯燃燒器、固廢進料口、廢液霧化噴槍、廢氣進氣管道、點火槍、火焰探測器等，并密封回轉(zhuǎn)窯前端。

回轉(zhuǎn)窯是一種適應(yīng)性很強的焚燒爐，在處理危廢時，對廢物的物理形態(tài)、詳細組分等要求不高，固體、液體、膠狀物質(zhì)、氣體都可以在其內(nèi)進行焚燒處理。目前，在回轉(zhuǎn)窯危廢處置系統(tǒng)中，固體危廢、膠狀物質(zhì)或廢液殘渣的進料方式大體有SMP（破碎+混合+泵送）進料系統(tǒng)和推桿喂料器兩種。

SMP進料系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 SMP進料系統(tǒng)

SMP進料系統(tǒng)的主要工作流程是：用噸袋包裝的固體或半固體，用噸箱、鐵桶或塑料桶包裝的廢液殘渣等通過上料提升機被提升至密封倉，密封倉門打開，驅(qū)動包裝廢料由上料提升機進入密封倉，接著密封倉門關(guān)閉并充氮保護；靠近破碎倉處的密封門打開，驅(qū)動包裝廢料由密封倉進入破碎倉并掉入破碎機內(nèi)進行破碎，將包裝廢料或鐵桶等破碎成尺寸小于200 mm×80 mm的片狀小物料；破碎后的物料在自重作用下掉進位于破碎機正下方的混合器，混合器中設(shè)有攪拌器，可將其內(nèi)的物料攪拌混合均勻，然后通過柱塞泵泵送至回轉(zhuǎn)窯內(nèi)進行焚燒處理。

推桿喂料器的主要結(jié)構(gòu)詳見圖1。推桿喂料器的作用主要是將一些小包裝物料或者已被破碎好的散裝物料（由抓斗抓取）推入回轉(zhuǎn)窯內(nèi)進行焚燒。推桿和喂料器主要由下料槽、雙閘板閥和液壓推料器組成。推桿和喂料器的主要工作流程是：將包袋物料或者抓斗由料坑抓取的已被破碎好的物料放進進料斗，物料靠自重掉在處于關(guān)閉狀態(tài)的雙閘閥上，上面的閘閥先打開，物料掉入下面處于關(guān)閉的閘閥上后，上閘閥關(guān)閉，接著下面的閘閥打開，物料掉入進料溜槽，這時液壓推料器向前推進將物料推入回轉(zhuǎn)窯內(nèi)進行焚燒處理。

另外，廢液或廢水等流動性能好的液體主要通過布置在回轉(zhuǎn)窯前墻或燃燒器上的霧化噴槍霧化成細小的顆粒，使其可在回轉(zhuǎn)窯內(nèi)迅速完全焚燒。廢氣主要在離心風(fēng)機的作用下經(jīng)風(fēng)管進入回轉(zhuǎn)窯內(nèi)進行焚燒處理。

（2）回轉(zhuǎn)窯筒體

回轉(zhuǎn)窯筒體主要由鋼板卷制并焊接而成，內(nèi)襯耐火材料，是危廢物料升溫、干燥、著火、燃燒、燃盡的主要場所。窯筒體一般傾斜地安裝在前后2對托輪上，與水平面的夾角為2°～5°（需根據(jù)物料特性及回轉(zhuǎn)窯的運行模式綜合選擇合適的傾角）。沿窯筒體長度方向上套有2個矩形輪帶，它們主要承受窯筒體、密封、物料等回轉(zhuǎn)窯的所有重量，并將其傳遞到托輪裝置上。窯筒體的尾端設(shè)有護板和風(fēng)冷套筒，前端設(shè)有專用風(fēng)機對窯口進行冷卻。另外，筒體上還設(shè)有大齒圈裝置，主要與回轉(zhuǎn)窯驅(qū)動裝置嚙合工作。

（3）回轉(zhuǎn)窯前后托輪組

回轉(zhuǎn)窯前后托輪組主要承受窯筒體的全部重量，并對窯筒體起定位限位作用，使其能安全平穩(wěn)地運轉(zhuǎn)。前后托輪組為調(diào)心式滾動軸承結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕，并配置有水冷裝置來降低軸承溫度，運行可靠，適應(yīng)性強。

（4）回轉(zhuǎn)窯驅(qū)動裝置

驅(qū)動裝置一般由主電機、輔助電機、抱閘電機、聯(lián)軸器、齒輪箱、傳動軸、小齒輪等組成，作用是給回轉(zhuǎn)窯提供動力使其旋轉(zhuǎn)。正常工作時，一般采用主電機進行驅(qū)動，但在系統(tǒng)突然斷電或主電機故障時，才使用輔助電機給回轉(zhuǎn)窯提供動力。

（5） 密封裝置

回轉(zhuǎn)窯前端和尾端都設(shè)有密封裝置，主要作用是在回轉(zhuǎn)窯運行過程中避免外界空氣進入回轉(zhuǎn)窯內(nèi)而擾亂回轉(zhuǎn)窯內(nèi)的物料平衡，保證回轉(zhuǎn)窯的安全平穩(wěn)運行。[3]回轉(zhuǎn)窯的密封通常有以下幾種：石墨密封、魚鱗片密封、氣缸式密封、迷宮式密封和擋板式密封。危廢處理行業(yè)中以石墨密封和魚鱗片密封為主。

另外，一般在回轉(zhuǎn)窯的窯尾會設(shè)置一個二次燃燒室，其內(nèi)襯有耐火材料，頂部設(shè)有緊急排放口，上部設(shè)置有獨立的燃燒器，用于繼續(xù)升高溫度，使煙氣溫度高于1100℃[4]，確保在回轉(zhuǎn)窯內(nèi)未充分焚燒摧毀的有機廢氣在二次燃燒室內(nèi)徹底被焚燒。同時，在回轉(zhuǎn)窯尾端、二次燃燒室下部，通常會設(shè)置一個濕式出渣機，主要通過水冷的方式來冷卻從回轉(zhuǎn)窯尾部掉下的高溫灰渣或二次燃燒室內(nèi)靠自重掉落的高溫顆粒物質(zhì)，并對二次燃燒室下部起水封作用，防止外界空氣進入焚燒系統(tǒng)。水冷過后的灰渣將通過刮板刮出并被收集到灰渣箱內(nèi)。

2 危廢焚燒系統(tǒng)中回轉(zhuǎn)窯的運行模式

回轉(zhuǎn)窯依據(jù)其內(nèi)灰渣物態(tài)及溫度范圍，可分為灰渣式[5]和熔渣式[5]兩種。一般可根據(jù)待處理廢物的特性以及對產(chǎn)生的固體燃燒殘渣的期望形式和質(zhì)量，選擇回轉(zhuǎn)窯的運行模式。

灰渣式回轉(zhuǎn)窯的操作溫度通常低于900℃，危險廢物通過燃燒被摧毀，窯內(nèi)固體尚未熔融，窯尾排出的主要是灰渣，冷卻后的灰渣松散性較好。但由于爐膛溫度不高，危險廢物對回轉(zhuǎn)窯耐火材料的高溫侵蝕不強，同等條件下耐火材料的使用壽命比熔渣式回轉(zhuǎn)窯要長，但窯內(nèi)易發(fā)生結(jié)渣塊現(xiàn)象，灰渣中有害物質(zhì)殘留較多。

熔渣式回轉(zhuǎn)窯的運行溫度一般控制在1100℃以上；但對于綜合性危廢焚燒處置場，由于處理對象多且成分復(fù)雜，一些危險廢物（鹽類）熔點較低，在800～900℃之間開始熔化，也有一些危險廢物熔點在1300～1450℃之間，因此該類型焚燒爐的溫度控制較難，對操作要求較高。由于熔渣式回轉(zhuǎn)窯爐膛溫度較高，輔助燃料消耗較多，對耐火材料的要求高，因此成本較高。如果操作不當(dāng)，窯內(nèi)會出現(xiàn)掛壁等現(xiàn)象。另外，實驗證明，溫度提高，危險廢物重金屬揮發(fā)量增多，回轉(zhuǎn)窯煙氣中的重金屬含量明顯高于灰渣式回轉(zhuǎn)窯，大大增加了煙氣凈化的負(fù)擔(dān)。熔渣窯熱灼減率低、焚燒徹底，這是其最大的優(yōu)點。廢物中的惰性物質(zhì)除高熔點的金屬及其化合物外，直接在窯內(nèi)熔融，焚燒較完全。還應(yīng)注意的是，熔渣窯可以在給定時間內(nèi)以回轉(zhuǎn)窯的模式運行，前提是所進廢料和其他條件有利于該模式，但設(shè)計用于灰渣式的回轉(zhuǎn)窯不能可靠地在熔渣模式下運行。

3 回轉(zhuǎn)窯的“區(qū)域”劃分

危險廢物焚燒廠回轉(zhuǎn)窯的運行一般是通過平衡溫度、固體廢物與液體廢物的進料速率和轉(zhuǎn)速來實現(xiàn)的。這種平衡的結(jié)果是在窯內(nèi)執(zhí)行3個基本任務(wù):干燥和點火、燃燒以及燃盡。這3個任務(wù)都是在不同“區(qū)域”沿回轉(zhuǎn)窯完成的。根據(jù)具體的操作情況，每個區(qū)域的長度可能會有所不同。

（1）干燥和點火區(qū)域

在第一個區(qū)域，即在回轉(zhuǎn)窯的進料端，材料被烘干并點燃。高含水量的廢料通過在燃燒器中燃燒廢液或輔助燃料來進行干燥，以蒸發(fā)掉水分。一旦完成干燥，廢料中的有機物質(zhì)(如果有的話)就會開始燃燒。對于含水量高的固體來說，廢料完成干燥并開始燃燒的地方，標(biāo)志著第一個和第二個區(qū)域之間的過渡。如果在熔渣模式下操作，第一區(qū)域也用于啟動熔化過程。固體通常作為離散顆粒存在于進料區(qū)域中，并且當(dāng)它們通過第一區(qū)域時將開始熔化。在熔渣模式中，除了上面提到的其他區(qū)域轉(zhuǎn)變指標(biāo)之外，幾乎所有固體已經(jīng)達到熔融狀態(tài)的點是第一和第二窯區(qū)之間過渡的另一個指標(biāo)。

（2） 燃燒區(qū)域

在燃燒區(qū)域，允許危險廢物中的有機物燃燒。在加熱、干燥和（或）揮發(fā)性組分的強烈初始燃燒之后，允許廢物在窯的中部區(qū)域處燃燒。通常，會有可見火焰出現(xiàn)，或者可見的光暈會持續(xù)存在。當(dāng)廢料中有機物耗盡時，火焰或發(fā)光最終會消失。當(dāng)發(fā)生這種情況時，可以認(rèn)為是窯中第二和第三個區(qū)域之間的過渡。

（3） 燃盡區(qū)域

在火焰或發(fā)光材料下沉之后，通常殘留的碳或非常不易揮發(fā)的有機物殘留在固體材料中。在第三個區(qū)域，溫度升高并可提供額外的停留時間，且有足夠的氧氣，可以讓這些材料在被排放到出渣機之前“浸泡”在富氧環(huán)境中，使其釋放并且燃盡剩余的污染物。

4 回轉(zhuǎn)窯的區(qū)域管理

理想情況下，每個區(qū)域沿窯的長度方向控制在大約相等的三分之一長度范圍內(nèi)。在實踐中，焚燒某些廢物時可能無法實現(xiàn)，或者可能需要進行修改以實現(xiàn)處理目標(biāo)。對于操作員來說，最有效的方法就是目視觀察廢料的進料情況及其在回轉(zhuǎn)窯內(nèi)翻滾燃盡后被排放至出渣機的狀況，目視檢查灰渣收集箱中的灰渣，或通過安裝在二次燃燒室下部、正對回轉(zhuǎn)窯出口處的耐高溫攝像機和視孔觀察物料在窯內(nèi)的翻滾燃燒狀態(tài)，以及時調(diào)整回轉(zhuǎn)窯的進料速率、助燃風(fēng)量、溫度和窯的轉(zhuǎn)速等，來管理回轉(zhuǎn)窯內(nèi)各個區(qū)域及熔渣的情況。

5 回轉(zhuǎn)窯的熔渣管理

雖然根據(jù)廢料的種類，熔渣窯比灰渣窯性能優(yōu)越，但是許多可能影響灰渣窯的潛在問題也可能成為熔渣窯的問題，熔渣窯的設(shè)計和操作只是為了盡量減少這些影響，僅回轉(zhuǎn)窯的工作溫度不是影響熔渣操作的因素。為了消除由結(jié)塊或結(jié)環(huán)引起的潛在問題，在持續(xù)運營期間，對窯爐中的熔渣進行管理非常重要。熔渣窯必須始終如一地產(chǎn)生熔融態(tài)液體，該液體具有所需的流動特性（不應(yīng)太厚或太薄），并且對于耐火材料不具有過度侵蝕性。盡管已提前給回轉(zhuǎn)窯做好了玻璃保護層以承受大部分熔渣侵蝕，但是保護耐火材料以延長其使用壽命的最佳方式還是控制熔渣的化學(xué)性質(zhì)。

玻璃和熔渣的化學(xué)性質(zhì)非常復(fù)雜，且隨著進料種類的不同會隨時發(fā)生改變，難以控制，因此在大多數(shù)情況下，只要保持焚燒爐的清潔和高效運行即可。為了達到該目的，危廢焚燒行業(yè)中對回轉(zhuǎn)窯的熔渣管理有2個主要目標(biāo)：（1）保持回轉(zhuǎn)窯內(nèi)壁不會出現(xiàn)結(jié)環(huán)或結(jié)塊，維持熔渣在窯內(nèi)運動的暢通性；（2）保護耐火材料免受化學(xué)侵蝕、機械磨損和熱沖擊。

可通過如下手段來實現(xiàn)熔渣的管理目標(biāo)，以確保熔渣式回轉(zhuǎn)窯能夠長期、安全、平穩(wěn)地運行：（1）在耐火磚表面建立玻璃基質(zhì)的窯皮；（2）觀察窯內(nèi)焚燒狀況，調(diào)節(jié)溫度、廢料進料和添加劑，以減小對耐火材料表面的保護層的影響，并保持熔渣均勻地流動；（3）觀察出渣機排出的渣子，確認(rèn)其尺寸和形狀是否相對一致。

6 結(jié)語

要實現(xiàn)工業(yè)垃圾的無害化、減量化、資源化，焚燒是一種比較可靠和有效的手段。對于危險廢棄物焚燒這個特定的領(lǐng)域，回轉(zhuǎn)窯對品類繁多、組成復(fù)雜的工業(yè)危險垃圾、醫(yī)療垃圾具有很強的適應(yīng)性，且運行穩(wěn)定可靠、管理操作方便、設(shè)備維修簡單，因此在國際危險廢棄物焚燒領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛，未來，其在國內(nèi)危廢處置行業(yè)中也會有很大的發(fā)展空間并發(fā)揮巨大的作用。