危廢回轉(zhuǎn)窯焚燒爐耐火內(nèi)襯設(shè)計(jì)及優(yōu)化建議

危險(xiǎn)廢物(以下簡(jiǎn)稱(chēng)危廢)種類(lèi)繁多、成分復(fù)雜、區(qū)域差異化嚴(yán)重，處理不當(dāng)會(huì)帶來(lái)一系列民生和社會(huì)問(wèn)題。實(shí)踐證明，高溫焚燒是危廢安全處置和減容化的有效途徑，其中回轉(zhuǎn)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(lèi)多、處理量大等優(yōu)點(diǎn)。我國(guó)自20世紀(jì)90年代，逐步開(kāi)始使用回轉(zhuǎn)窯焚燒系統(tǒng)處理危廢。近年來(lái)，因耐火材料損毀導(dǎo)致的停窯事故多有發(fā)生，嚴(yán)重影響了危廢焚燒生產(chǎn)線的穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)率，對(duì)回轉(zhuǎn)窯危廢焚燒爐耐火內(nèi)襯設(shè)計(jì)優(yōu)化以及高效運(yùn)行等提出了迫切需求。

目前水泥窯協(xié)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(yù)熱器、分解爐、后窯口以及窯頭罩等部位處理，典型入料方式如圖1所示。

1-篦冷機(jī); 2-窯頭罩; 3-回轉(zhuǎn)窯; 4-煙室; 5-分解爐; 6-預(yù)熱器

圖 1 水泥窯協(xié)同處理危廢系統(tǒng)

回轉(zhuǎn)窯焚燒爐是專(zhuān)業(yè)危廢焚燒裝置， 如圖2所示， 主體設(shè)備由回轉(zhuǎn)窯、 二燃室、 余熱鍋爐、急冷塔、脫酸、除塵系統(tǒng)構(gòu)成。經(jīng)過(guò)預(yù)處理的各類(lèi)危廢通過(guò)不同喂養(yǎng)方式進(jìn)入燃燒系統(tǒng)， 在自身重力和回轉(zhuǎn)窯的連續(xù)旋轉(zhuǎn)作用下，物料和助燃空氣充分接觸， 完成干燥、氣化和燃燒過(guò)程， 后殘留部分淬冷成灰渣。

1-料坑; 2-進(jìn)料系統(tǒng); 3-回轉(zhuǎn)窯; 4-二燃室; 5-鍋爐; 6-急冷塔; 7-脫酸塔; 8-除塵; 9-煙囪

圖 2 回轉(zhuǎn)窯焚燒爐系統(tǒng)

根據(jù)爐氣和固體流動(dòng)方向的不同，或回轉(zhuǎn)窯中燃燒器的位置，回轉(zhuǎn)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(zhuǎn)窯的進(jìn)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(chēng)為逆流式。目前危廢焚燒系統(tǒng)主要是以順流式回轉(zhuǎn)窯的設(shè)計(jì)為主， 逆流式回轉(zhuǎn)窯更適用于含水率高或熱值低的危廢等�；剞D(zhuǎn)窯焚燒爐具有適用性廣特點(diǎn)，可同時(shí)處理固體、液體和氣體的危廢。環(huán)保要求日趨嚴(yán)格形勢(shì)下， 專(zhuān)業(yè)回轉(zhuǎn)窯危廢焚燒爐優(yōu)勢(shì)明顯。據(jù)統(tǒng)計(jì)， 我國(guó)回轉(zhuǎn)窯危廢焚燒系統(tǒng)約有800條處理生產(chǎn)線，處理能力從20t/d到120t/d不等。2018年我國(guó)危廢焚燒處置產(chǎn)能規(guī)模達(dá)到616萬(wàn)t/年，其中專(zhuān)業(yè)回轉(zhuǎn)窯焚燒占比53%，主要分布在浙江、江蘇、山東、河北、福建等地。

1、回轉(zhuǎn)窯危廢焚燒爐耐火內(nèi)襯設(shè)計(jì)

1.1 回轉(zhuǎn)窯本體

回轉(zhuǎn)窯焚燒爐非常關(guān)鍵設(shè)備即為回轉(zhuǎn)窯本體， 因其是一種動(dòng)態(tài)運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)備，對(duì)內(nèi)襯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求較高，首先要確保耐火內(nèi)襯在動(dòng)態(tài)高溫狀態(tài)運(yùn)行下整體內(nèi)襯的穩(wěn)定性，防止耐火磚掉磚、抽簽等問(wèn)題。對(duì)于危廢回轉(zhuǎn)窯系統(tǒng)而言，由于轉(zhuǎn)速比較慢，一般在1轉(zhuǎn)/分以下，可以根據(jù)廠房設(shè)計(jì)和節(jié)能要求選擇單層磚、雙層磚、復(fù)合磚和整體澆注等不同結(jié)構(gòu)， 如圖3所示。回轉(zhuǎn)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(zhì)一般根據(jù)處理溫度和危廢種類(lèi)不同，可以選擇高鋁質(zhì)、剛玉莫來(lái)石質(zhì)以及鉻鋯剛玉質(zhì)耐火材料等。

圖 3 回轉(zhuǎn)窯內(nèi)襯設(shè)計(jì)

采用厚度230~300mm單層結(jié)構(gòu)時(shí)，由于耐火材料導(dǎo)熱系數(shù)大多在1.7~2.0以上，后期高溫區(qū)窯外壁溫度達(dá)到350℃以上， 但是整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，適合于回轉(zhuǎn)窯在室外的項(xiàng)目。

采用隔熱磚和耐火磚雙層結(jié)構(gòu)，因?yàn)楦魺岽u導(dǎo)熱系數(shù)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(jié)能效果好， 但是對(duì)施工要求較高， 適合于室內(nèi)項(xiàng)目。這里要注意隔熱磚強(qiáng)度一般要求大于20MPa，隔熱磚厚度設(shè)計(jì)不能低于50mm。

既要達(dá)到單層磚的穩(wěn)定性，又要降低外壁溫度，可以設(shè)計(jì)復(fù)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(zhì)，隔熱層厚度約為50~70mm。這種產(chǎn)品生產(chǎn)效率低，而且由于工作層和隔熱層材質(zhì)熱膨脹系數(shù)和燒結(jié)收縮率不同，因此，在連接處容易產(chǎn)生微裂紋，廢品率較高。

鑒于此，可以采用凹槽型復(fù)合磚設(shè)計(jì)，如圖4所示，工作層材質(zhì)不變，尾部開(kāi)槽后填充納米板等絕熱材料。這種凹槽磚型復(fù)合磚， 不僅生產(chǎn)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。

圖 4 凹槽磚型設(shè)計(jì)示意圖

另外， 部分回轉(zhuǎn)窯采用輕質(zhì)澆注料或者纖維板等作為隔材料， 工作層采用重質(zhì)澆注料(金屬抓釘錨固)雙層澆注結(jié)構(gòu)，可以合理控制回轉(zhuǎn)窯外壁溫度。該結(jié)構(gòu)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(wèn)題， 但是金屬件焊接質(zhì)量和澆注料中水份烘干排出是關(guān)鍵。

表1 幾種回轉(zhuǎn)窯設(shè)計(jì)方案優(yōu)缺點(diǎn)

以上幾種設(shè)計(jì)方案優(yōu)缺點(diǎn)如表1所示。相比較而言， 耐火磚方案檢修和更換方便， 受環(huán)境和人為因素影響較小�，F(xiàn)在新建項(xiàng)目回轉(zhuǎn)窯基本都是室外設(shè)計(jì)， 隨著提產(chǎn)和環(huán)保要求，采用單層結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較好， 高溫區(qū)可以考慮凹槽復(fù)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(qū)間，比較合理。

1.2 二燃室

二燃室主要功能是對(duì)煙氣進(jìn)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(xué)反應(yīng)同時(shí)存在，反應(yīng)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(zhì)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(nèi)襯設(shè)計(jì)主要包括三種方式， 如圖5所示：

1)方案一，包括耐火材料、保溫材料和絕熱材料; 這種三層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)， 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(jié)構(gòu)外壁溫度較高， 以305mm總厚為例，溫度達(dá)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(dá)到1300℃以上， 所以工作層選擇剛玉莫來(lái)石質(zhì)即可滿(mǎn)足使用要求，燃燒器區(qū)域工作層建議使用剛玉質(zhì)或者鉻剛玉質(zhì)材料。相比較而言， 方案一的三層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)穩(wěn)定性好，不容易因漏氣或者串火， 導(dǎo)致筒體高溫腐蝕或者超溫變形而停爐檢修。

圖 5 二燃室典型耐火內(nèi)襯設(shè)計(jì)

1.3 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(jié)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(qū)域溫度較高可以采用25mm絕熱材料作為隔熱層， 內(nèi)襯總厚度100mm即可。

2、典型回轉(zhuǎn)窯危廢工藝與耐火材料設(shè)計(jì)優(yōu)化建議

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)， 耐火材料損毀主要集中于回轉(zhuǎn)窯本體區(qū)域。危廢焚燒主要包括以下幾種典型處理工藝，針對(duì)此， 提出以下設(shè)計(jì)優(yōu)化建議。

1)處理含水率高物料

進(jìn)窯物料含水率高，進(jìn)料端耐火材料熱剝落嚴(yán)重，熱震穩(wěn)定性好的莫來(lái)石質(zhì)、剛玉莫來(lái)石質(zhì)、剛玉碳化硅質(zhì)等耐火材料適用于此區(qū)域。

2)窯頭廢液處理量大、 霧化不好

一般窯頭通過(guò)霧化槍處理廢液，焚燒區(qū)域主要在干燥段，受設(shè)備影響如果霧化效果不好時(shí)，該區(qū)域耐火材料也會(huì)出現(xiàn)剝落損毀，莫來(lái)石質(zhì)、剛玉莫來(lái)石質(zhì)、剛玉碳化硅質(zhì)材料同樣適用于此。運(yùn)行時(shí)，一般要增加檢查霧化設(shè)備頻次，同時(shí)廢液處理量不超過(guò)30%為宜。

3)鐵皮(桶)等硬料處理量大

鐵桶等物料硬度大，回轉(zhuǎn)窯轉(zhuǎn)速慢，物料在窯內(nèi)反復(fù)旋轉(zhuǎn)造成進(jìn)料區(qū)機(jī)械磨損嚴(yán)重。選擇強(qiáng)度高、耐磨性更好的剛玉碳化硅質(zhì)耐火材料使用效果良好。

4)含低熔點(diǎn)鹽量高的物料

物料含K、 Na鹽量大于5%以上后，熔點(diǎn)較低，容易形成高溫熔渣，對(duì)耐火材料滲透、侵蝕嚴(yán)重。出現(xiàn)高溫熔渣時(shí)， 高溫區(qū)耐火材料選擇鉻鋯剛玉質(zhì)較為合適，一般Cr2O3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(dá)1~4%時(shí)，如式(1)所示，由于F和耐火材料中Si很容易反應(yīng)形成SiF4氣化，造成襯里基質(zhì)結(jié)構(gòu)破壞，快速侵蝕;要嚴(yán)格控制耐火材料中雜質(zhì)含量尤其是二氧化硅含量，采用Cr2O3含量為9~15%鉻剛玉材料，可以滿(mǎn)足回轉(zhuǎn)窯正常運(yùn)行需要。

SiO2 + 4HF = SiF4↑ + 2H2O (1)

3、結(jié)束語(yǔ)

危廢焚燒是新興領(lǐng)域， 其中危廢種類(lèi)復(fù)雜繁多，物性、熱值差異較大，回轉(zhuǎn)窯和二燃室內(nèi)襯根據(jù)需要，設(shè)計(jì)形式多樣。隨著國(guó)家對(duì)危廢的監(jiān)管力度加大， 大型回轉(zhuǎn)窯焚燒技術(shù)將在危廢處理中得到更廣泛的應(yīng)用，對(duì)回轉(zhuǎn)窯焚燒爐耐火材料選型和設(shè)計(jì)提出了挑戰(zhàn)。與傳統(tǒng)高溫窯爐相比，耐火材料研究人員應(yīng)更多關(guān)注危廢物料特性、 工況特點(diǎn)(焚燒溫度、煙氣成分)等。