危險廢物焚燒過程中結(jié)渣處理方法研究

摘要：危險廢物焚燒過程中煙道的結(jié)焦堵塞問題，不僅會給危廢焚燒處置企業(yè)的運營帶來風(fēng)險，還會增加額外的運行成本。因此，需要系統(tǒng)分析產(chǎn)生結(jié)焦的原因，并采取切實有效的控制手段。根據(jù)危廢焚燒線實際運行情況，探索危廢焚燒系統(tǒng)煙道結(jié)焦堵塞問題的解決方案。研究表明，二燃室出口結(jié)焦現(xiàn)象可通過噴加重質(zhì)MgO、Al2O3藥劑進(jìn)行改善，余熱鍋爐的結(jié)焦?fàn)顩r可通過適量吹加熟石灰粉進(jìn)行改善。

關(guān)鍵詞：危廢焚燒；二燃室；余熱鍋爐；結(jié)焦；灰熔點

中圖分類號：D922.6；P237 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1008-9500（2024）10-00-05

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Research on Slagging Treatment Methods During Hazardous Waste Incineration Process

XIA Zhiyun

（Shanghai Chemical Industry Zone Anyue Suez Environmental Technology Co.， Ltd.， Shanghai 200000， China）

Abstract： The problem of coking and blockage in the flue during hazardous waste incineration not only poses risks to the operation of hazardous waste incineration disposal enterprises， but also increases additional operating costs. Therefore， it is necessary to systematically analyze the causes of coking and adopt practical and effective control measures. Based on the actual operation of the hazardous waste incineration line， explore solutions to the problem of coking and blockage in the flue of the hazardous waste incineration system. Research has shown that the coking phenomenon at the outlet of the secondary combustion chamber can be improved by injecting heavy MgO and Al2O3 agents， and the coking condition of the waste heat boiler can be improved by injecting an appropriate amount of hydrated lime powder.

Keywords： hazardous waste incineration; secondary combustion chamber; waste heat boiler; slagging; ash melting point

1 研究背景

危險廢物焚燒工藝由進(jìn)料系統(tǒng)、回轉(zhuǎn)窯、二燃室、余熱鍋爐、急冷塔及煙氣處理系統(tǒng)等組成。在危廢焚燒廠實際運營中，接收廢料成分復(fù)雜，焚燒過程中會發(fā)生一系列物理化學(xué)反應(yīng)[1]。在高溫條件下，一些低熔點的無機(jī)物，如玻璃、含鋁鎂包裹物（灰熔點為650 ℃）、碳酸鈉（灰熔點為854 ℃）等，在溫度較低時就開始熔化。此外，灰熔點較低的氧化鐵易與灰熔點較高的二氧化硅反應(yīng)，形成灰熔點較低的2FeO·SiO2。這些灰熔點較低的物質(zhì)在高溫下隨著氣體流動，黏附在焚燒線設(shè)備及管道壁面上，堵塞焚燒線煙氣流動，系統(tǒng)內(nèi)負(fù)壓達(dá)不到生產(chǎn)工況要求，導(dǎo)致焚燒線減產(chǎn)或者停車，影響危廢的實際處置量[2]。

在危廢焚燒過程中，結(jié)焦問題在整個煙氣通道都可能發(fā)生，已嚴(yán)重影響危廢處置企業(yè)的正常運行。為緩解生產(chǎn)中的結(jié)焦問題，焚燒線需要頻繁停車清渣或在線清渣，不僅具有高溫作業(yè)風(fēng)險，引起環(huán)保排放超標(biāo)風(fēng)險，還因為高能耗造成額外運行成本[3]。尤其是二燃室出口和余熱鍋爐第一回程，由于煙氣溫度顯著降低，高溫?zé)煔庠跓煹纼?nèi)的流速、渦流場都有明顯改變，會出現(xiàn)較嚴(yán)重的結(jié)焦現(xiàn)象，成為危廢處置產(chǎn)能的限制瓶頸。因此，系統(tǒng)分析危廢焚燒線結(jié)渣問題，探索合適的改善方案，對于解決結(jié)焦問題具有重要的意義[4-5]。

為改善危廢焚燒線的穩(wěn)定性，提高設(shè)備運轉(zhuǎn)率，分別探究和驗證二燃室出口和鍋爐煙道的結(jié)焦結(jié)渣問題及其解決方法，并提出一系列具有較強(qiáng)操作性的改善方案。

2 二燃室結(jié)渣問題探究

2.1 結(jié)渣原因分析

分別采集不同區(qū)域危廢焚燒廠二燃室出口結(jié)渣樣品并分析檢測，檢測結(jié)果如表1所示。二燃室出口結(jié)焦物如圖1所示。

根據(jù)結(jié)渣樣品元素含量分析結(jié)果，二燃室出口結(jié)渣的主要元素為Si、Al、Ca、Fe、Na、Ti、O以及少量Mg、Na、K、Zn、Ba等。這些元素在1000 ℃高溫下會形成氧化物或鹽類，其中K、Na的氧化物和鹽類具有較低熔點，在高溫下形成熔融態(tài)，同時裹挾部分高熔點煙塵，黏附在煙道內(nèi)壁形成結(jié)焦物。此外，SiO2、CaO以及堿金屬氧化物一起形成玻璃態(tài)物質(zhì)，其熔點較低，也會形成煙道內(nèi)結(jié)焦物。

2.2 措施與方案

對上述樣本的混合樣品進(jìn)行破碎和四分法處理后，使用灰熔點測試儀，參照《煤灰熔融性的測定方法》

（GB/T 219—2008），檢測其變形溫度（Deflection Temperature，DT）、軟化溫度（Softening Temperature，ST）、半球溫度（Hemispherical Temperature，HT）和流動溫度（Flow Temperature，F(xiàn)T）。樣品在測試過程中的實時變化情況如圖2所示，灰熔點測試結(jié)果如表2所示。結(jié)合焚燒爐內(nèi)工況，高于1 100 ℃的煙氣在二燃室出口開始降溫，在余熱鍋爐第一回程內(nèi)降低至750 ℃左右，可以判斷樣本檢測結(jié)果與焚燒線工況具有較高的吻合度，其產(chǎn)生機(jī)理與原因分析一致。

從上述研究過程可知，要改善二燃室出口的結(jié)焦?fàn)顩r，其根本在于改善出口煙氣中的煙塵和熔融態(tài)物質(zhì)的成分。在實際生產(chǎn)中可選擇的改善方式包括以下3種。

第一，改善危廢焚燒的配比，降低熔融態(tài)物質(zhì)的入爐量，改變煙氣中Si、Al、Ca、Fe、Na、Ti、Mg等元素的含量分布，使其形成附著物，而不是黏附物，易于通過常規(guī)的蒸汽吹灰或爆破清灰等方式排出。第二，通過控制入爐固廢總量，降低煙塵以及熔融態(tài)物質(zhì)的總量，以減少結(jié)焦物的生成。第三，通過添加合適的抗結(jié)焦劑，改變煙氣中的Si、Al、Ca、Fe、Na、Ti及Mg，提高其灰熔點，使其可以通過常規(guī)的蒸汽吹灰或爆破清灰等方式排出。

在實際生產(chǎn)過程中，受到廢料市場條件的約束，企業(yè)自主選擇危廢和控制入爐固廢總量的操作空間不大，且不同處置企業(yè)的管理水平參差不齊，不能充分掌握入爐危廢的化學(xué)成分。因此，篩選抗結(jié)焦劑是研究的重點。

2.3 抗結(jié)焦劑研究

MgO-Al2O3-SiO2三元相圖如圖3所示。MgO、Al2O3的含量增加有助于提高其熔融溫度，而SiO2含量上升后，熔融溫度的上升并不顯著，而且在實際生產(chǎn)中會與堿金屬氧化物形成玻璃態(tài)物質(zhì)，降低熔融溫度。因此，本研究重點分析了重質(zhì)MgO粉末和α-Al2O3在不同配比和添加量下對結(jié)焦物灰熔點的影響。

重質(zhì)MgO在不同添加量下對結(jié)焦物灰熔點的影響不同，加入改善藥劑的量根據(jù)結(jié)焦成分量計算確定。實際生產(chǎn)中，平均每月需要清渣2次，總出渣量約為3.2 t/次，按此估算二燃室出口結(jié)焦物的產(chǎn)量約為4.4 kg/h。以此結(jié)焦物量為基準(zhǔn)，以5%、10%、20%、30%、40%的藥劑添加量，結(jié)焦物粉碎至粒徑0.1 mm以下，加0.1 mm篩過篩處理后的MgO藥劑，進(jìn)行對照測試，以評價其灰熔點變化。變形溫度對照分析如圖4所示，灰熔點變化對照分析如圖5所示。

由圖5可知，當(dāng)重質(zhì)MgO的添加量在30%以上時，結(jié)焦物的灰熔點可提高至1 190 ℃以上，明顯高于焚燒爐出口煙氣溫度，結(jié)焦物有望保持在固體形態(tài)，而不是熔融狀態(tài)，采用蒸汽吹灰、爆破清灰等常規(guī)清灰手段可以順利排出。

本研究同時分析了重質(zhì)MgO和α-Al2O3混配對結(jié)焦物灰熔點的影響，評價重質(zhì)MgO、SiO2、α-Al2O3以及這些藥劑按一定比例混配后，對結(jié)焦物灰熔點的影響。當(dāng)結(jié)焦物產(chǎn)率為30%時，控制添加用量，參照上述實驗條件，進(jìn)行模擬測試，所得結(jié)果如圖6、圖7所示。研究表明，以重質(zhì)MgO、α-Al2O3為主體成分的抗結(jié)焦劑均能顯著提高結(jié)焦物的熔融溫度，有助于改善二燃室出口結(jié)焦?fàn)顩r。相對而言，以SiO2和CaO為主體的抗結(jié)焦劑對灰熔點沒有明顯的改善作用。

3 鍋爐結(jié)渣問題探究

3.1 結(jié)渣原因分析

危廢焚燒線余熱鍋爐內(nèi)的結(jié)渣主要發(fā)生在第一回程底部，溫度約為700 ℃。本研究同樣采集鍋爐底部的結(jié)渣樣品進(jìn)行分析檢測，結(jié)焦樣品元素分析結(jié)果如表3所示，鍋爐結(jié)焦樣品如圖8所示。

基于上述分析結(jié)果，可以判斷結(jié)焦物以Na、K的磷酸鹽、硫酸鹽和氯化物鹽的形式存在。結(jié)渣樣本呈充分熔融后的凝固態(tài)，如果改善其熔融狀態(tài)，一方面可考慮改變其化學(xué)組成，另一方面可通過加入高熔點粉狀藥劑改變其物理形態(tài)，使結(jié)焦組分在蒸汽吹灰和爆破清灰的作用下從鍋爐內(nèi)排出。

3.2 措施與方案

對結(jié)焦物進(jìn)行模擬改善實驗，將結(jié)焦物破碎后分別加熱到600 ℃和750 ℃，保持30 min，結(jié)果如圖9所示，可見樣品在750 ℃時完全恢復(fù)熔融態(tài)，與最初對鍋爐溫度及結(jié)焦物狀態(tài)的判斷一致。

按鍋爐結(jié)焦物產(chǎn)生速率的10%、20%、30%添加熟石灰粉末（純度大于95%，粒度小于0.1 mm），并加入適量去離子水充分混合反應(yīng)，熟石灰與鍋爐結(jié)焦物混合效果如圖10所示。

將混合物蒸干后取底部殘渣，在600 ℃和750 ℃下分別灼燒，對照實驗結(jié)果如下。第一，在未添加入熟石灰的測試中，加水溶解并蒸干的過程對樣品的熔融溫度未見實質(zhì)影響。第二，加入熟石灰可以有效改善鍋爐結(jié)焦物的熔融溫度。第三，當(dāng)熟石灰粉的加入量達(dá)到結(jié)焦物量的20%以后，原鍋爐結(jié)焦物完全轉(zhuǎn)化為疏松的固體顆粒，不再具有熔融后的黏附形態(tài)。殘渣灼燒對照結(jié)果如圖11所示。

4 結(jié)論

危廢焚燒過程中的結(jié)焦問題受多方面因素影響，如廢料成分的多變性、焚燒爐溫度控制、煙氣湍流、廢料爐內(nèi)停留時間等，其詳細(xì)的產(chǎn)生機(jī)理有待更多探究。本研究深入探討了結(jié)焦物產(chǎn)生的機(jī)理，并從實際生產(chǎn)操作角度優(yōu)化方案，得出以下結(jié)論。第一，二燃室出口結(jié)焦現(xiàn)象可通過噴加以重質(zhì)MgO、α-Al2O3等為主體材料的藥劑加以改善，詳細(xì)方案需要根據(jù)不同焚燒線的運行特點進(jìn)行調(diào)整。第二，適量吹加熟石灰粉可以改善焚燒線余熱鍋爐第一回程的結(jié)焦?fàn)顩r。此方案對于因磷酸鹽、硫酸鹽在鍋爐內(nèi)結(jié)焦而受影響的危廢焚燒線具有一定的指導(dǎo)作用。

參考文獻(xiàn)

1 李春雨.典型危險廢物在兩段式回轉(zhuǎn)窯焚燒系統(tǒng)內(nèi)的熱處置和結(jié)渣特性研究及其應(yīng)用[D].杭州：浙江大學(xué)，2011.

2 邢楊榮.危險廢物焚燒配伍與燃燒反應(yīng)分析[J].環(huán)境工程，2008（增刊1）：203-204.

3 褚衍旭，高 勇，李 東，等.危險廢物焚燒處置工藝進(jìn)料配伍研究[J].環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展，2018（6）：165-167.

4 胡 明，虎 訓(xùn)，邵哲如，等.危險廢物焚燒灰渣熔融過程中重金屬元素?zé)崃W(xué)平衡計算[J].環(huán)境工程學(xué)報，2018（9）：2672-2679.

5 陸子龍，肖惠平，朱 霞，等.危廢焚燒系統(tǒng)中膜式壁式余熱鍋爐的設(shè)計及應(yīng)用[J].工業(yè)鍋爐，2012（6）：25-27.