回轉窯危險廢物焚燒爐耐火內襯設計及優化建議

發布時間：2021/11/18 17:41:46

危險廢物（以下簡稱危廢）種類繁多、成分複雜、區域差異化嚴重，處理不當會帶來一係列民生和社會問題。實踐證明，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係統處理危廢。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高效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體係， 直至2008年才形成《國家危廢名錄》， 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，《土壤汙染防治行動計劃》、《國家危險廢物名錄(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”全國危險廢物規範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《危險廢物焚燒汙染控製標準（二次征求意見稿）》， 2020年3月10日，國家標準《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（不包含港澳台地區），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、後窯口以及窯頭罩等部位處理，典型入料方式如下圖所示。

圖注：水泥窯協同處理危廢係統

（1-篦冷機；2-窯頭罩；3-回轉窯；4-煙室；5-分解爐；6-預熱器）

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，但由於起步晚，技術、運營、監管等多方麵的體係構建尚不健全。由於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，而且協同危廢處理後對運營工況、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係統內結圈或者結皮，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。

回轉窯焚燒爐是專業危廢焚燒裝置，如下圖所示，主體設備由回轉窯、二燃室、餘熱鍋爐、急冷塔、脫酸、除塵係統構成。經過預處理的各類危廢通過不同喂養方式進入燃燒係統，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，完成幹燥、氣化和燃燒過程，後殘留部分淬冷成灰渣。

圖注：回轉窯焚燒爐係統

（1-料坑；2-進料係統；3-回轉窯；4-二燃室；5-鍋爐；6-急冷塔；7-脫酸塔；8-除塵；9-煙囪）

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。目前危廢焚燒係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於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，專業回轉窯危廢焚燒爐優勢明顯。據統計，我國回轉窯危廢焚燒係統約有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，其中專業回轉窯焚燒占比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，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。對於危廢回轉窯係統而言，由於轉速比較慢，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、複合磚和整體澆注等不同結構，如下圖所示。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。

圖片圖注：回轉窯內襯設計

采用厚度230~300mm單層結構時，由於耐火材料導熱係數大多在1.7~2.0以上，後期高溫區窯外壁溫度達到350℃以上，但是整體結構穩定，適合於回轉窯在室外的項目。

采用隔熱磚和耐火磚雙層結構，因為隔熱磚導熱係數低，能起到降低窯皮溫度作用，窯外壁溫度可以控製在220℃左右甚至以下，節能效果好，但是對施工要求較高，適合於室內項目。這裏要注意隔熱磚強度一般要求大於20MPa，隔熱磚厚度設計不能低於50mm。

既要達到單層磚的穩定性，又要降低外壁溫度，可以設計複合磚，即工作麵是剛玉磚、鉻剛玉磚，背麵是氧化鋁空心球、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，而且由於工作層和隔熱層材質熱膨脹係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。

鑒於此，可以采用凹槽型複合磚設計，如下圖所示，工作層材質不變，尾部開槽後填充納米板等絕熱材料。這種凹槽磚型複合磚，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。

圖注：凹槽磚型設計示意圖

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，可以合理控製回轉窯外壁溫度。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幹排出是關鍵。

表注：幾種回轉窯設計方案優缺點

以上幾種設計方案優缺點如表1所示。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複合磚方式， 降低外壁溫度。而且從防腐蝕角度，筒體外壁溫度控製在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，絕熱材料是指矽酸鈣板、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，如圖所示：

圖注：二燃室典型耐火內襯設計

（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。這種方案介於前兩種方案之間，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

餘熱鍋爐部分主要是灰鬥、集箱、頂部密封以及出口煙道需要使用部分耐磨澆注料，其中灰鬥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於回轉窯本體區域。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、剛玉碳化矽質等耐火材料適用於此區域。

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，焚燒區域主要在幹燥段，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、剛玉碳化矽質材料同樣適用於此。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，物料在窯內反複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矽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鹽量大於5%以上後，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1~4%時，如式（1）所示，由於F和耐火材料中Si很容易反應形成SiF4氣化，造成襯裏基質結構破壞，快速侵蝕；要嚴格控製耐火材料中雜質含量尤其是二氧化矽含量，采用Cr2O3含量為9~15%鉻剛玉材料， 可以滿足回轉窯正常運行需要。

SiO2 + 4HF = SiF4↑ + 2H2O (1)

5 、結束語

危廢焚燒是新興領域，其中危廢種類複雜繁多，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。隨著國家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。