時間：2024-08-15
危險廢物（以下簡稱危廢）種類繁多、成分復雜、區域差異化嚴重，處理不當會帶來一系列民生和社會問題。實踐證明，高溫焚燒是危廢處置和減容化的有效途徑，其中回轉窯焚燒工藝是危廢處理中有效的處置工藝之一，具有處理危廢種類多,處理量大等優點。我國自20世紀90年代，逐步開始使用回轉窯焚燒系統處理危廢。近年來，因耐火材料損毀導致的停窯事故多有發生，嚴重影響了危廢焚燒生產線的穩定運轉率，對回轉窯危廢焚燒爐耐火內襯設計優化以及運行等提出了迫切需求。
1、我國危險廢物無害化處置現狀
我國的危廢處置從1990年開始起步，到1996年初步形成相關管理，直至2008年才形成《危廢名錄》， 2013年，兩高司法解釋，“非法排放、傾倒、處理3噸以上危廢將入刑”，被視為我國危廢處理行業啟動的關鍵點。2016年上半年，《土壤污染防治行動計劃》、《危險廢物名錄(2016年版)》等危廢處理相關專項規劃的相繼頒布實施,2017年，《“十三五”全國危險廢物規范化管理督查考核工作方案》頒布， 2018年，生態環境部開展“清廢行動2018”計劃、工信部開展長江經濟帶工業綠色發展行動，2019年11月12日，生態環境部辦公廳發布《危險廢物焚燒污染控制標準（二次征求意見稿）》， 2020年3月10日，標準《固體廢物玻璃化處理產物技術要求（征求意見稿）》公開征求意見等，均讓危廢處理行業發展提速，進一步催化危廢處理行業發展機遇。
隨著工業的發展，生產過程排放的危廢日益增多。2016年， 214個大、中城市工業危廢產生量達3344.6萬噸，其中，工業危廢綜合利用量占利用處置總量的45.3%，處置、貯存分別占比43.8%和10.9%，有效地利用和處置是處理工業危廢的主要途徑。2018年， 200個大、中城市工業危廢產生量達4643.0萬噸，預計2020年因為疫情原因，危廢將增至近1億噸。
2、我國危廢焚燒技術
實踐證明，回轉窯或水泥窯焚燒處理技術可以處理固體、液體和氣體狀態的工業危廢，是當今處理危廢為廣泛的處置技術。截至2019年7月，我國已取得危廢經營許可證的水泥窯協同處置項目75個（不包含港澳臺地區），核準規模462.52萬噸。目前水泥窯協同處理危廢主要包括固體危廢、廢液以及RDF替代燃料等，主要從預熱器、分解爐、后窯口以及窯頭罩等部位處理,與傳統填埋、焚燒的處理方式相比，水泥窯協同處置廢棄物有著明顯的優勢，但由于起步晚，技術、運營、監管等多方面的構建尚不健全。由于水泥工藝和產品質量管控日趨嚴格，很多危廢禁止在水泥窯中協同處置，而且協同危廢處理后對運營工況、煙氣成分、物料組份都造成很大變化和波動，加劇了水泥窯筒體腐蝕和系統內結圈或者結皮，縮短了耐火材料使用壽命，嚴重影響了水泥窯長周期穩定運行。
回轉窯焚燒爐是危廢焚燒裝置，主體設備由回轉窯、二燃室、余熱鍋爐、急冷塔、脫酸、除塵系統構成。經過預處理的各類危廢通過不同喂養方式進入燃燒系統，在自身重力和回轉窯的連續旋轉作用下，物料和助燃空氣充分接觸，完成干燥、氣化和燃燒過程，后殘留部分淬冷成灰渣。
根據爐氣和固體流動方向的不同，或回轉窯中燃燒器的位置，回轉窯焚燒爐可以分為逆流和順流兩種形式。其中，燃燒器熱源在回轉窯的進料端，固體和煙氣走向相同，成為順流式；反之，燃燒器熱源在出料端，固體和煙氣走向相反，稱為逆流式。目前危廢焚燒系統主要是以順流式回轉窯的設計為主，逆流式回轉窯更適用于含水率高或熱值低的危廢等。回轉窯焚燒爐具有適用性廣特點，可同時處理固體、液體和氣體的危廢。環保要求日趨嚴格形勢下，回轉窯危廢焚燒爐優勢明顯。據統計,我國回轉窯危廢焚燒系統約有800條處理生產線,處理能力從20t/d到120t/d不等。2018年我國危廢焚燒處置產能規模達到616萬t/年，其中回轉窯焚燒占比53%，主要分布在浙江、江蘇、山東、河北、福建等地。
3、回轉窯危廢焚燒爐耐火內襯設計
1）回轉窯本體
回轉窯焚燒爐關鍵設備即為回轉窯本體，因其是一種動態運轉設備，對內襯結構設計要求較高，首先要確保耐火內襯在動態高溫狀態運行下整體內襯的穩定性，防止耐火磚掉磚、抽簽等問題。對于危廢回轉窯系統而言，由于轉速比較慢，一般在1轉/分以下，可以根據廠房設計和節能要求選擇單層磚、雙層磚、復合磚和整體澆注等不同結構，回轉窯耐火材料總厚度一般是250~300mm不等，其中工作層耐火磚材質一般根據處理溫度和危廢種類不同，可以選擇高鋁質、剛玉莫來石質以及鉻鋯剛玉質耐火材料等。采用厚度230~300mm單層結構時，由于耐火材料導熱系數大多在1.7~2.0以上，后期高溫區窯外壁溫度達到350℃以上，但是整體結構穩定，適合于回轉窯在室外的項目。
采用隔熱磚和耐火磚雙層結構，因為隔熱磚導熱系數低，能起到降低窯皮溫度作用，窯外壁溫度可以控制在220℃左右甚至以下，節能效果好，但是對施工要求較高，適合于室內項目。這里要注意隔熱磚強度一般要求大于20MPa，隔熱磚厚度設計不能低于50mm。
既要達到單層磚的穩定性，又要降低外壁溫度，可以設計復合磚，即工作面是剛玉磚、鉻剛玉磚，背面是氧化鋁空心球、高鋁或者粘土質，隔熱層厚度約為50~70mm。這種產品生產效率低，而且由于工作層和隔熱層材質熱膨脹系數和燒結收縮率不同，因此，在連接處容易產生微裂紋，廢品率較高。
鑒于此，可以采用凹槽型復合磚設計，工作層材質不變，尾部開槽后填充納米板等絕熱材料。這種凹槽磚型復合磚，不僅生產和施工方便，而且可以取得降低筒體外壁溫度30~50℃左右效果。
另外，部分回轉窯采用輕質澆注料或者纖維板等作為隔材料，工作層采用重質澆注料（金屬抓釘錨固）雙層澆注結構，可以合理控制回轉窯外壁溫度。該結構采用金屬件把耐火材料和筒體連為一體，不存在耐火磚脫落問題，但是金屬件焊接質量和澆注料中水份烘干排出是關鍵。
相比較而言,耐火磚方案檢修和更換方便，受環境和人為因素影響較小。現在新建項目回轉窯基本都是室外設計,隨著提產和環保要求，采用單層結構穩定性較好,高溫區可以考慮凹槽復合磚方式，降低外壁溫度。而且從防腐蝕角度，筒體外壁溫度控制在160~320℃區間，比較合理。
2）二燃室
二燃室主要功能是對煙氣進行二次燃燒處理，可燃成份、飛灰顆粒以及二噁英等焚燒分解，物理和化學反應同時存在，反應劇烈。二燃室一般包括耐火材料、保溫材料和絕熱材料。其中，耐火材料是指工作層重質澆注料、可塑料或者耐火磚等，保溫材料是指保溫澆注料和保溫磚等，絕熱材料是指硅酸鈣板、陶瓷纖維板以及納米板等。目前二燃室內襯
設計主要包括三種方式：
(1)方案一：包括耐火材料、保溫材料和絕熱材料；這種三層結構設計，以總厚度450mm為例，外壁溫度為80~90℃。
(2)方案二：包括耐火材料和保溫材料。該結構外壁溫度較高，以305mm總厚為例，溫度達到150~180℃。
(3)方案三：包括耐火材料和絕熱材料。這種方案介于前兩種方案之間，以270mm總厚為例，外壁溫度約為110~140℃。
一般而言，二燃室溫度約為1100~1200℃，燃燒器局部溫度甚至達到1300℃以上，所以工作層選擇剛玉莫來石質即可滿足使用要求，燃燒器區域工作層建議使用剛玉質或者鉻剛玉質材料。相比較而言,方案一的三層結構設計穩定性好，不容易因漏氣或者串火，導致筒體高溫腐蝕或者超溫變形而停爐檢修。
3）其他部位
余熱鍋爐部分主要是灰斗、集箱、頂部密封以及出口煙道需要使用部分耐磨澆注料，其中灰斗采用絕熱材料和耐磨澆注料雙層結果較多，總厚度一般在200~250mm。
急冷塔使用耐酸澆注料或者耐酸膠泥，頂部往下約2米區域溫度較高可以采用25mm絕熱材料作為隔熱層，內襯總厚度100mm即可。
4、典型回轉窯危廢工藝與耐火材料設計優化
建議根據現場調研發現，耐火材料損毀主要集中于回轉窯本體區域。危廢焚燒主要包括以下幾種典型處理工藝，針對此，提出以下設計優化建議。
1）處理含水率高物料
進窯物料含水率高，進料端耐火材料熱剝落嚴重,熱震穩定性好的莫來石質、剛玉莫來石質、剛玉碳化硅質等耐火材料適用于此區域。
2）窯頭廢液處理量大、霧化不好
一般窯頭通過霧化槍處理廢液，焚燒區域主要在干燥段，受設備影響如果霧化效果不好時，該區域耐火材料也會出現剝落損毀，莫來石質、剛玉莫來石質、剛玉碳化硅質材料同樣適用于此。運行時，一般要增加檢查霧化設備頻次，同時廢液處理量不超過30%為宜。
3）鐵皮（桶）等硬料處理量大
鐵桶等物料硬度大，回轉窯轉速慢，物料在窯內反復旋轉造成進料區機械磨損嚴重。選擇強度高、耐磨性更好的剛玉碳化硅質耐火材料使用效果良好。
4）含低熔點鹽量高的物料
物料含K、Na鹽量大于5%以上后，熔點較低，容易形成高溫熔渣，對耐火材料滲透、侵蝕嚴重。出現高溫熔渣時，高溫區耐火材料選擇鉻鋯剛玉質較為合適，一般Cr203含量為3~10%不等。
5）含氟量高的物料
物料中含氟比例較高，達1~4%時，由于F和耐火材料中Si很容易反應形成SiF4氣化，造成襯里基質結構破壞，快速侵蝕；要嚴格控制耐火材料中雜質含量尤其是二氧化硅含量，采用Cr203含量為9~15%鉻剛玉材料，可以滿足回轉窯正常運行需要。
5、結束語
危廢焚燒是新興領域，其中危廢種類復雜繁多，物性、熱值差異較大，回轉窯和二燃室內襯根據需要，設計形式多樣。隨著對危廢的監管力度加大，大型回轉窯焚燒技術將在危廢處理中得到更廣泛的應用，對回轉窯焚燒爐耐火材料選型和設計提出了挑戰。與傳統高溫窯爐相比，耐火材料研究人員應更多關注危廢物料特性、工況特點（焚燒溫度、煙氣成分）等。
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