危險(xiǎn)廢物焚燒處理回轉(zhuǎn)窯耐火材料內(nèi)襯設(shè)計(jì)原則

危險(xiǎn)廢物是指根據(jù)統(tǒng)一規(guī)定的方法鑒別認(rèn)定的具有毒性、易燃性、易爆性、腐蝕性、化學(xué)反應(yīng)等性質(zhì)的，對(duì)人體健康和環(huán)境能造成危害的廢物，如醫(yī)院臨床廢物、多氯聯(lián)苯類(lèi)廢物、廢電池、廢礦物油、含汞廢日光燈管等。

危險(xiǎn)廢物需經(jīng)過(guò)處理才能進(jìn)入環(huán)境，熱處理法是有效的危險(xiǎn)廢棄物處理方法，而回轉(zhuǎn)窯是危險(xiǎn)廢棄物處理中有效的設(shè)備。
在我國(guó)，由于危險(xiǎn)廢物處理技術(shù)起步較晚，危險(xiǎn)廢棄物多在未處理的情況下排放。目前，國(guó)內(nèi)各省、直轄市都已開(kāi)建或正準(zhǔn)備開(kāi)建省級(jí)危廢處理中心，我國(guó)的危險(xiǎn)廢物處理工作正在逐步趨于規(guī)范和完善。

1、回轉(zhuǎn)窯運(yùn)轉(zhuǎn)形式
按氣、固體在回轉(zhuǎn)窯內(nèi)流動(dòng)方向的不同，回轉(zhuǎn)窯可分為順流式回轉(zhuǎn)窯（Co-current flow kiln）和逆流式回轉(zhuǎn)窯（Counter-current flow kiln）兩種。
圖片圖注：回轉(zhuǎn)窯運(yùn)轉(zhuǎn)形式
在順流操作方式下，危險(xiǎn)廢棄物在窯內(nèi)預(yù)熱、 燃燒以及燃盡階段較為明顯， 進(jìn)料、進(jìn)風(fēng)及輔助燃燒器的布置簡(jiǎn)便，操作維護(hù)方便，有利于廢物的進(jìn)料及前置處理，同時(shí)煙氣停留時(shí)間較長(zhǎng)。
在逆流操作模式下，回轉(zhuǎn)窯可提供較佳的氣、 固混合及接觸， 傳熱效率高， 可增加其燃燒速度。但逆流操作方式需要復(fù)雜的上料系統(tǒng)和除渣系統(tǒng)，成本高；同時(shí)，由于氣固相對(duì)速度大，煙氣帶走的粉塵量相對(duì)較高，增加了控制回轉(zhuǎn)窯內(nèi)燃燒狀況和煙氣停留時(shí)間的難度。
因此，順流式回轉(zhuǎn)窯焚燒爐更適于危險(xiǎn)廢物的處理，應(yīng)用更為廣泛。

2、回轉(zhuǎn)窯燃燒模式
依據(jù)回轉(zhuǎn)窯內(nèi)燃燒時(shí)灰渣狀態(tài)和爐內(nèi)溫度的不同，回轉(zhuǎn)窯可分為熔渣式回轉(zhuǎn)窯(Slagging rotary kiln)和非熔渣式回轉(zhuǎn)窯( Non-slagging rotary kiln)。其中，非熔渣式又稱(chēng)“灰渣式”。

圖注：熔渣式與非熔渣式回轉(zhuǎn)窯對(duì)比
熔渣式回轉(zhuǎn)窯的溫度比非熔渣式高的多，由此可帶來(lái)如下問(wèn)題：回轉(zhuǎn)窯耐火材料、保溫材料要求較高；進(jìn)料系統(tǒng)和助燃系統(tǒng)所需材料成本增大且運(yùn)行壽命短；運(yùn)行過(guò)程中輔材消耗大，較昂貴；煙氣中重金屬和 NOx含量高，增加了后續(xù)煙氣處理成本。雖然熔渣式回轉(zhuǎn)窯熔渣熱灼減率低，焚燒，但是考慮運(yùn)行成本，耐火材料的使用壽命等問(wèn)題，并不占優(yōu)勢(shì)。所以，非熔渣式回轉(zhuǎn)窯在處理危險(xiǎn)廢物領(lǐng)域較熔渣式更為經(jīng)濟(jì)實(shí)用，在工程中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。
3、回轉(zhuǎn)窯處理危險(xiǎn)廢物的設(shè)計(jì)

典型的回轉(zhuǎn)窯焚燒爐如圖所示，其設(shè)計(jì)主要分為如下幾個(gè)部分：回轉(zhuǎn)窯尺寸和運(yùn)轉(zhuǎn)方式的設(shè)計(jì)、燃燒設(shè)計(jì)、 耐火材料的設(shè)計(jì)、 焚燒系統(tǒng)的監(jiān)控設(shè)計(jì)等。

圖注：典型回轉(zhuǎn)窯焚燒爐
1
) 回轉(zhuǎn)窯尺寸和運(yùn)轉(zhuǎn)方式的設(shè)計(jì)
一般來(lái)講，用于危險(xiǎn)廢物處理的回轉(zhuǎn)窯，其典型的長(zhǎng)徑比值為 3.4～4.2，而回轉(zhuǎn)窯的尺寸須根據(jù)容積熱負(fù)荷參數(shù)來(lái)確定?；剞D(zhuǎn)窯容積熱負(fù)荷參數(shù)控制到爐內(nèi)燃燒狀況的好壞，回轉(zhuǎn)窯容積熱負(fù)荷的范圍一般為(4.2～104.5)×104kJ/(m3·h)。目前，很多項(xiàng)目確定回轉(zhuǎn)窯尺寸采用的方法是：首先，根據(jù)危險(xiǎn)廢物的成分計(jì)算出廢物的熱值，再根據(jù)廢物的處理量確定出每小時(shí)廢物在回轉(zhuǎn)窯內(nèi)燃燒所產(chǎn)生的熱量，然后根據(jù)選定的容積熱負(fù)荷確定出回轉(zhuǎn)窯的容積，后結(jié)合回轉(zhuǎn)窯的長(zhǎng)徑比，確定回轉(zhuǎn)窯的尺寸。
對(duì)于回轉(zhuǎn)窯的運(yùn)轉(zhuǎn)方式，在工程實(shí)踐中，回轉(zhuǎn)窯的傾斜角度一般在1～3°， 轉(zhuǎn)速為1～5 r/min，回轉(zhuǎn)窯的轉(zhuǎn)動(dòng)方向結(jié)合進(jìn)料方式和助燃方式確定。處理難焚燒的危險(xiǎn)廢物可采用大長(zhǎng)徑比與低轉(zhuǎn)速的回轉(zhuǎn)窯；而熱值較高、容易燃燒的危險(xiǎn)廢物，燃燒需要的時(shí)間稍短一些，可采用較大傾斜角與較高轉(zhuǎn)速的回轉(zhuǎn)窯來(lái)處理。

2) 燃燒設(shè)計(jì)
(1)危險(xiǎn)廢物的燃燒過(guò)程
危險(xiǎn)廢物進(jìn)入焚燒爐后首先接受到輔助燃燒器火焰和高溫窯壁的熱輻射而完成加熱、水分蒸發(fā)和可燃分析出的過(guò)程。隨著溫度的進(jìn)一步升高，固態(tài)物質(zhì)開(kāi)始分解燃燒。廢物中氣態(tài)成分和固態(tài)物質(zhì)析出的可燃?xì)怏w在高溫狀態(tài)也會(huì)快速分解燃燒。在回轉(zhuǎn)窯中，廢物中的無(wú)機(jī)可燃成分被燃盡，長(zhǎng)鏈環(huán)狀物質(zhì)會(huì)被分解成短鏈物質(zhì)進(jìn)入二燃室進(jìn)一步分解焚燒。
(2)焚燒系統(tǒng)的“3T+1E”控制原則
“3T+1E” 是指溫度（Temperature）、時(shí)間（Time）、擾動(dòng)（Turbulence）和空氣過(guò)剩系數(shù)綜合控制的原則。“3T+1E”原則能確保危險(xiǎn)廢物的有害成份的充分分解，從源頭上控制酸性氣體、有害氣體(二噁英類(lèi)物質(zhì))的生成，全面控制煙氣排放造成的二次污染。
溫度是保證在焚燒爐中危險(xiǎn)廢物得到破壞的重要的因素?；剞D(zhuǎn)窯（一燃室）設(shè)計(jì)溫度為1000℃，運(yùn)行溫度為 850～1000℃。二燃室設(shè)計(jì)溫度為1300℃， 正常運(yùn)行溫度為1100℃。二燃室采用和一燃室不同的溫度設(shè)計(jì)，保證了危險(xiǎn)廢物在二燃室中可充分焚毀。
溫度達(dá)到設(shè)計(jì)值后，為了使危險(xiǎn)廢物充分焚毀，停留時(shí)間足夠長(zhǎng)。通常地，固體物質(zhì)在回轉(zhuǎn)窯內(nèi)的停留時(shí)間為30～120分鐘；煙氣在回轉(zhuǎn)窯內(nèi)的流速控制在3～4.5米/秒，停留時(shí)間約2秒；煙氣在二燃室的流速一般控制在2～6米/秒，保證停留時(shí)間大于2秒。
送入爐膛中的廢物同氧氣充分接觸，才能在高溫下全部快速地氧化， 這就要求對(duì)廢棄物進(jìn)行適當(dāng)?shù)臄噭?dòng)。攪動(dòng)越頻繁，廢物和空氣混合越均勻越有利于焚燒。在工程實(shí)際中，主要利用供風(fēng)布置和輔助燃燒器的布置來(lái)增加擾動(dòng)。

在危險(xiǎn)廢物燃燒過(guò)程中，空氣過(guò)剩系數(shù)反應(yīng)了燃燒狀況?？諝膺^(guò)剩系數(shù)大， 燃燒速度快，燃燒充分，但供風(fēng)量較大，產(chǎn)生的煙氣量大，使后續(xù)的煙氣處理負(fù)荷增大，不夠經(jīng)濟(jì)。反之，則燃燒不完全，甚至產(chǎn)生黑煙，有害物質(zhì)分解不。根據(jù)多年的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，通常取回轉(zhuǎn)窯的空氣過(guò)剩系數(shù)為1.1～1.3，回轉(zhuǎn)窯+二燃室總過(guò)剩空氣量系數(shù)為1.7～2.0。

3)  回轉(zhuǎn)窯耐火材料設(shè)計(jì)
(1)耐火材料的選用原則
耐火材料是決定焚燒爐使用壽命的關(guān)鍵，其選用原則如下：
a. 良好的耐磨性，以抵抗固體物料的磨損和熱氣流的沖刷；
b. 良好的化學(xué)穩(wěn)定性，以抵抗?fàn)t內(nèi)化學(xué)物質(zhì)的侵蝕；
c.良好的熱穩(wěn)定性 以抵抗?fàn)t溫的變化對(duì)材料的破壞；
d.高致密性，氣孔率低，減少酸性氣體侵入鋼制外殼發(fā)生酸性腐蝕的幾率；
e.合適的耐火度選擇，經(jīng)濟(jì)耐用。
(2)耐火材料設(shè)計(jì)
目前，在國(guó)內(nèi)外危險(xiǎn)廢物焚燒工程中，回轉(zhuǎn)窯采用的耐火磚主要有鉻剛玉磚、碳化硅磚、莫來(lái)石剛玉磚、高鋁磚等，可根據(jù)危險(xiǎn)廢物的成分進(jìn)行選擇。
工程設(shè)計(jì)中，回轉(zhuǎn)窯常采用 300mm 的耐高溫、耐腐蝕、耐磨的復(fù)合磚作為內(nèi)襯，耐火層采用致密高鋁、碳化硅、鉻剛玉或鉻剛玉碳化硅材質(zhì)耐火材料，隔熱層采用陶瓷纖維板鑲嵌，兩種材料一體結(jié)合。

4) 焚燒系統(tǒng)的監(jiān)控設(shè)計(jì)
利用回轉(zhuǎn)窯焚燒危險(xiǎn)廢物系統(tǒng)的正常運(yùn)行，離不開(kāi)監(jiān)控。通常回轉(zhuǎn)窯焚燒系統(tǒng)需要監(jiān)控的參數(shù)主要有：回轉(zhuǎn)窯焚燒溫度、回轉(zhuǎn)窯內(nèi)壓力、回轉(zhuǎn)窯外表面溫度和焚燒煙氣中的氧含量等。另外，還應(yīng)裝設(shè)觀察孔和高溫?cái)z像裝置，以便觀察和監(jiān)視窯內(nèi)廢物焚燒狀況。
(1)回轉(zhuǎn)窯焚燒溫度監(jiān)測(cè)
溫度監(jiān)測(cè)通常通過(guò)熱電偶溫度計(jì)測(cè)量來(lái)實(shí)現(xiàn)，具體做法是：在煙氣溫度較穩(wěn)定的回轉(zhuǎn)窯的尾端設(shè)置多個(gè)熱電偶監(jiān)測(cè)點(diǎn)，利用各溫度計(jì)的平均溫度來(lái)反映回轉(zhuǎn)窯的焚燒溫度。如果溫度過(guò)低，則增大輔助燃料的供應(yīng)量或適當(dāng)減少進(jìn)料量；反之，則減少或暫停輔助燃料的供應(yīng)，或者增大進(jìn)料量。
(2)回轉(zhuǎn)窯內(nèi)壓力的監(jiān)測(cè)
回轉(zhuǎn)窯內(nèi)壓力是焚燒系統(tǒng)正常運(yùn)行的重要參數(shù)。焚燒系統(tǒng)要求負(fù)壓運(yùn)行。負(fù)壓由煙氣處理部分的引風(fēng)機(jī)的抽力形成，以維持回轉(zhuǎn)窯內(nèi)壓力為-100Pa左右為標(biāo)準(zhǔn)。負(fù)壓過(guò)大，系統(tǒng)漏風(fēng)增加，引風(fēng)機(jī)電耗高；負(fù)壓過(guò)小，燃燒工況波動(dòng)時(shí)， 窯內(nèi)氣體可能溢出窯外。為此，在回轉(zhuǎn)窯尾部端板，安裝有差壓變送器，將回轉(zhuǎn)窯內(nèi)壓力實(shí)時(shí)傳入中控室監(jiān)控系統(tǒng)，參與焚燒控制與報(bào)警。
當(dāng)回轉(zhuǎn)窯壓力過(guò)高時(shí)，控制系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警；當(dāng)高于高限設(shè)定值時(shí)，控制系統(tǒng)將自動(dòng)停止進(jìn)料，焚燒系統(tǒng)進(jìn)入“待料”狀態(tài)。
(3)回轉(zhuǎn)窯外表面溫度監(jiān)測(cè)
回轉(zhuǎn)窯外表面溫度設(shè)計(jì)值一般為 180℃，波動(dòng)范圍為 150℃～360℃。溫度過(guò)高或過(guò)低，會(huì)加大對(duì)回轉(zhuǎn)窯外包鋼板的腐蝕，減少其使用壽命。另外，回轉(zhuǎn)窯外表面的溫度，還可以反映回轉(zhuǎn)窯內(nèi)部燃燒狀況。所以，在回轉(zhuǎn)窯運(yùn)行過(guò)程中需要對(duì)其外表面溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)一般通過(guò)紅外監(jiān)測(cè)儀進(jìn)行。
(4)煙氣氧含量監(jiān)測(cè)
根據(jù)危險(xiǎn)廢物控制標(biāo)準(zhǔn)，煙氣中的含氧濃度應(yīng)為 6～10%，即相當(dāng)于空氣過(guò)量系數(shù)40～91%。二燃室出口煙道裝有氧含量檢測(cè)儀，監(jiān)測(cè)煙氣中含氧濃度， 將二燃室出口煙氣氧含量控制在6～10%。
二燃室出口處煙氣的氧含量和溫度參與進(jìn)料連鎖控制。只有當(dāng)溫度、氧含量高于設(shè)定的限值時(shí)才允許進(jìn)料，這樣可以保證危險(xiǎn)廢物燃燒充分，降低顆粒物帶出量及延長(zhǎng)耐火材料使用壽命。

4、回轉(zhuǎn)窯處理危險(xiǎn)廢物工程中的問(wèn)題
利用回轉(zhuǎn)窯處理危險(xiǎn)廢物有很多優(yōu)勢(shì)，但在實(shí)際的工程中也存在一些問(wèn)題， 如結(jié)焦問(wèn)題、問(wèn)題等，需要進(jìn)一步解決，優(yōu)化系統(tǒng)。
1) 結(jié)焦問(wèn)題
回轉(zhuǎn)窯處理危險(xiǎn)廢物過(guò)程中的結(jié)焦情況主要有兩種：低熔點(diǎn)鹽類(lèi)在爐內(nèi)的結(jié)焦；窯尾出渣口部位的密封片處縫隙有冷空氣滲入和除渣機(jī)中的水分蒸發(fā)導(dǎo)致局部溫度下降而形成結(jié)焦。
結(jié)焦方式形成的原理是：在焚燒處理廢物的過(guò)程中，危險(xiǎn)廢物在高溫下會(huì)進(jìn)行分解，分解后的元素在高溫下會(huì)重新組合，形成一部分低熔點(diǎn)鹽類(lèi)（主要是堿性成分和鹵化物的結(jié)合）。這些低熔點(diǎn)鹽類(lèi)在高溫下非常粘稠，它們會(huì)發(fā)生自身粘結(jié)并粘附其它物質(zhì)而在回轉(zhuǎn)窯內(nèi)結(jié)焦。
這類(lèi)結(jié)焦不易清除，主要辦法是控制廢物的進(jìn)料和控制焚燒爐的燃燒溫度， 通常是采用如下一些措施防止結(jié)焦：
(1)進(jìn)料時(shí)將含有鈉、鉀等成分的廢物與鹵素含量高的廢物安排在不同的時(shí)間段進(jìn)行焚燒；
(2)對(duì)于含鹽量較高的廢物采取與其他廢物搭配，例如摻入溶點(diǎn)高的物質(zhì)如石灰等，再進(jìn)行焚燒；
(3)控制焚燒溫度，合理供風(fēng)；
(4)選擇可防止掛壁的耐火磚。

如果窯內(nèi)已經(jīng)出現(xiàn)較嚴(yán)重低熔點(diǎn)鹽結(jié)焦時(shí)，可以適當(dāng)降低回轉(zhuǎn)窯燃燒溫度， 待低熔點(diǎn)鹽順利焚燒進(jìn)入出渣系統(tǒng)后再將窯內(nèi)溫度調(diào)整到正常運(yùn)行溫度。
第二種結(jié)焦方式主要是由于灰渣遇冷凝固造成的，清除方式為利用安裝在回轉(zhuǎn)窯后端板上除焦燃燒噴嘴進(jìn)行熔化使其脫落。為防止此類(lèi)方式的結(jié)焦，可采用的密封裝置，防止冷空氣的侵入。

2) 問(wèn)題
利用回轉(zhuǎn)窯處理危險(xiǎn)廢物系統(tǒng)存在的的問(wèn)題是：回轉(zhuǎn)窯內(nèi)壓力在短時(shí)間內(nèi)迅速增高，超過(guò)極限值，造成設(shè)備損壞，有害煙氣等物質(zhì)外泄，甚至發(fā)生爆炸。
造成回轉(zhuǎn)窯內(nèi)壓力迅速升高的主要原因有兩個(gè)：回轉(zhuǎn)窯內(nèi)的危險(xiǎn)廢物發(fā)生爆燃；系統(tǒng)突然停電，導(dǎo)致后續(xù)煙氣處理系統(tǒng)中引風(fēng)機(jī)停止工作。
為確保回轉(zhuǎn)窯焚燒系統(tǒng)的，除采用連鎖控制系統(tǒng)外，在機(jī)械設(shè)計(jì)方面還有兩套防護(hù)措施：除渣機(jī)水封槽的一級(jí)泄壓。除渣機(jī)水封槽正常運(yùn)行時(shí)起到密封作用，使窯煙氣與和外部大氣隔絕。當(dāng)窯內(nèi)壓力高于設(shè)定值時(shí)，煙氣就突破水封自動(dòng)泄放，保證焚燒系統(tǒng)的。
緊急排放煙囪的二級(jí)泄壓。二燃室的頂端設(shè)計(jì)一段緊急排放煙囪。煙囪通向室外，系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)處于封閉狀態(tài)，但當(dāng)焚燒系統(tǒng)內(nèi)的壓力達(dá)到限定值時(shí)， 內(nèi)部高壓煙氣就可沖開(kāi)煙囪上的門(mén)蓋，排向大氣，保護(hù)系統(tǒng)的。