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危廢回轉窯耐火材料內襯工程設計
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危廢回轉窯耐火材料內襯工程設計

發布時間:2021/12/29 17:26:37
危險廢物是指醫院臨床廢物、多氯聯苯廢物、廢電池、廢礦物油、含汞廢陽光燈管等對人體健康和環境有害的廢物。
危險廢物進入環境前需要進行處理。熱處理是危險廢物有效的處理方法,回轉窯是危險廢物處理中有效的設備。
在我國,由於危險廢物處理技術起步較晚,危險廢物大多在未經處理的情況下排放。目前,我國各省、直轄市已建成或準備建設省級危險廢物處理中心,我國危險廢物處理工作正逐步規範和完善。
1.回轉窯運行形式。
根據氣體和固體在回轉窯中的流向不同,回轉窯可分為順流回轉窯(co-curentflowkiln)和逆流回轉窯(counter-curentflowkiln)。
圖片注:回轉窯運行形式。
窯內危險廢物預熱、燃燒、熄滅階段,在順流運行方式下,爐窯的進料、進水、輔助燃燒器布置簡單,操作維修方便,利於廢物的進、燒、燒盡,煙塵停留時間長。
在逆流操作模式下,回轉窯可以提供更好的氣體。固體混合和接觸,傳熱效率高,可以提高其燃燒速度。但是,逆流運行方式要求複雜的進、出渣係統,成本較高;同時,由於氣固相對高,煙氣帶走的塵埃較多,增加了控製回轉窯燃燒狀態和煙氣停留時間的難度。
因此,順流回轉窯焚燒爐更適合危險廢物的處理,應用更廣泛。
2.回轉窯燃燒模式。
根據回轉窯內燃燒過程中灰渣狀態和爐內溫度的不同,回轉窯可分為熔渣回轉窯(Slagingrotarykiln)和非熔渣回轉窯(Non-slagingrotarykiln)。其中,非熔渣被稱為灰渣型。


圖注:熔渣回轉窯與非熔渣回轉窯的對比。

爐內爐溫遠遠高於非熔渣回轉窯,會帶來以下問題:回轉窯耐火材料及保溫材料要求較高;原料供應係統和助燃係統所需材料成本增加,運行壽命短;輔助材料在運轉過程中價格昂貴;煙氣中重金屬和NOx含量高,提高後排煙費用。盡管熔渣的回轉窯熔渣燃燒率低,焚燒徹底,但考慮到操作費用和耐火材料的壽命,仍不具優勢。因此,非熔渣回轉窯在危險廢物處理領域比熔渣回轉窯更經濟實用,在工程中應用越來越廣泛。
3.回轉窯危險廢物處理設計。

正如圖所示,典型的回轉窯焚燒爐的設計主要包括回轉窯大小和操作方式、燃燒設計、耐火材料設計、焚燒係統的安全監控設計等。


圖注:典型的回轉窯焚燒爐。

1)回轉窯尺寸及運行方式的設計。
一般危險廢物回轉窯典型長徑比為3.4~4.2,回轉窯的尺寸應根據體積熱負荷參數確定。回轉窯容積熱負荷參數控製爐內燃燒狀況,回轉窯容積熱負荷範圍一般為(4.2~104.5)×104kJ/(m3.h)。當前,很多項目都采用以下方法來確定回轉窯尺寸:先,根據危險廢物的組成,計算其發熱量,再根據其處置量,確定回轉窯每小時燃燒所產生的熱量,再根據所選的體積熱負荷,確定回轉窯容積,依據回轉窯的長徑比確定回轉窯的尺寸。
對於回轉窯的運行方式,在工程實踐中,回轉窯的傾斜角度一般為1~3°,轉速為1~5r/min。回轉窯的旋轉方向根據進料方式和助燃方式確定。難以焚燒的危險廢物可采用大長徑比、低速回轉窯處理;熱值高、易燃危險廢物燃燒時間短,可采用傾斜角大、轉速高的回轉窯處理。
2)燃燒設計。
危險廢物的燃燒過程。
危險廢物進入焚燒爐後,先接受輔助燃燒器火焰和高溫窯壁的熱輻射,完成加熱。水蒸發和可燃分析過程。隨著溫度的進一步升高,固體物質開始分解和燃燒。廢物中氣體成分和固體物質沉澱的可燃氣體也會在高溫下快速分解和燃燒。在回轉窯中,廢物中的無機可燃成分被燃燒,長鏈環物質被分解成短鏈物質,進入二燃室進一步分解和焚燒。
焚燒係統的3T+1E控製原則。
3T+1E是指溫度(Temperature)、時間(Time)、擾動(Turbulence)和空氣過剩係數綜合控製的原則。3T+1E原則可以保證危險廢物有害成分的充分分解,從源頭上控製酸性氣體和有害氣體的產生,全麵控製煙氣排放造成的二次汙染。
溫度是保證焚燒爐危險廢物徹底破壞的重要因素。回轉窯(一燃室)設計溫度為1000℃,運行溫度為850~1000℃。二燃室設計溫度為1300℃,正常運行溫度為1100℃。二燃室采用與一燃室不同的溫度設計,保證了二燃室危險廢物的充分焚燒。
溫度達到設計值後,為了充分焚燒危險廢物,停留時間必須足夠長。一般來說,固體物質在回轉窯中的停留時間為30~120分鍾;回轉窯煙氣流速控製在3~4.5米/秒,停留時間約2秒;二燃室煙氣流速一般控製在2~6米/秒,保證停留時間大於2秒。
送入爐內的廢物必須與氧氣充分接觸,才能在高溫下快速高效地氧化,需要適當攪拌廢物。攪拌越頻繁,廢氣混合越均勻,越有利於焚燒。在工程實踐中,主要采用供風布置和輔助燃燒器布置來增加擾動。
在危險廢物燃燒過程中,空氣過剩係數反映了燃燒狀況。空氣過剩係數大,燃燒速度快,燃燒充足,但風量大,煙氣量大,增加了後續煙氣處理負荷,不經濟。相反,燃燒不完全,甚至產生黑煙,有害物質分解不徹底。根據多年的實踐經驗,回轉窯的空氣過剩係數通常為1.1~1.3,回轉窯+二燃室的總空氣過剩係數為1.7~2.0。
3)回轉窯耐火材料設計。
(1)耐火材料的選擇原則。
耐火材料是決定焚燒爐使用壽命的關鍵,其選擇原則如下:
良好的耐磨性,以抵抗固體材料的磨損和熱氣流的衝刷;
b.良好的化學穩定性,以抵抗爐內化學物質的侵蝕;
良好的熱穩定性能抵抗爐溫變化對材料的破壞;
d.致密性高,孔隙率低,降低了酸性氣體侵入鋼殼酸性腐蝕的概率;
e.耐火性合適,經濟耐用。
(2)耐火材料設計。
目前,在國內外危險廢物焚燒工程中,回轉窯使用的耐火磚主要有鉻剛玉磚、碳化矽磚、莫來石剛玉磚、高鋁磚等,可根據危險廢物的成分進行選擇。
在工程設計中,回轉窯常采用300mm耐高溫、耐腐蝕、耐磨的複合磚作為襯裏,耐火層采用致密高鋁、碳化矽、鉻剛玉或鉻剛玉碳化矽耐火材料,隔熱層鑲嵌陶瓷纖維板,兩種材料結合。
4)焚燒係統的監控設計。
利用回轉窯焚燒危險廢物係統的正常運行離不開安全監控。通常,回轉窯焚燒係統的監測參數主要包括:回轉窯焚燒溫度、回轉窯內壓力、回轉窯外表麵溫度和焚燒煙氣中的氧含量。此外,還應安裝觀察孔和高溫攝像頭裝置,以觀察和監測窯內廢物的焚燒情況。
(1)監測回轉窯焚燒溫度。
溫度監測通常通過熱電偶溫度計測量來實現。具體方法是在煙氣溫度穩定的回轉窯尾端設置多個熱電偶監測點,利用每個溫度計的平均溫度反映回轉窯的焚燒溫度。如果溫度過低,增加輔助燃料的供應或適當減少進料量;相反,減少或暫停輔助燃料的供應或增加進料量。
(2)監測回轉窯內壓力。
回轉窯內的壓力是焚燒係統正常運行的重要參數。焚燒係統需要負壓運行。負壓由煙氣處理部分引風機的抽力形成,標準是將回轉窯內的壓力保持在-100Pa左右。負壓過大,係統漏氣增加,引風機功耗高;當負壓過小,燃燒條件波動時,窯內氣體可能會溢出窯外。因此,回轉窯尾端板安裝了差壓變送器,將回轉窯內的壓力實時傳遞到中控室監控係統,參與焚燒控製和報警。
回轉窯壓力過高時,控製係統發出報警;當高於設定值時,控製係統會自動停止進料,焚燒係統會進入待料狀態。
(3)監測回轉窯外表麵溫度。
回轉窯外表麵溫度設計值一般為180℃,波動範圍為150℃~360℃。溫度過高或過低會增加對回轉窯外包鋼板的腐蝕,降低其使用壽命。此外,回轉窯外表麵的溫度也能反映回轉窯內部的燃燒狀況。因此,在回轉窯運行過程中,需要監測其外表麵溫度,通常由紅外監測器監測。
(4)監測煙氣氧含量。
根據國家危險廢物控製標準,煙氣中的含氧濃度應為6~10%,相當於空氣過量係數的40~91%。二燃室出口煙道配有氧含量探測器,監測煙氣中的氧含量,將二燃室出口煙氣的氧含量控製在6~10%。
二燃室出口煙氣的氧含量和溫度參與進料連鎖控製。隻有當溫度和氧含量高於設定的低限值時,才允許進料,以確保危險廢物充分燃燒,減少顆粒物輸出,延長耐火材料的使用壽命。
4.危險廢物回轉窯處理問題。
利用回轉窯處理危險廢物有很多優點,但在實際工程中也存在結焦、安全等問題,需要進一步解決和優化係統。
1)結焦問題。
危險廢物回轉窯處理過程中的結焦主要有兩種:爐內低熔點鹽的結焦;窯尾出渣口密封件處的縫隙有冷空氣滲透和除渣機中水分蒸發,導致局部溫度下降,形成結焦。
第一種結焦方法的原理是:在廢物焚燒處理過程中,危險廢物在高溫下分解,分解的元素在高溫下重新組合,形成部分低熔點鹽(主要是堿性成分和鹵化物的結合)。這些低熔點鹽在高溫下非常粘稠,在回轉窯中結焦。
這種結焦不易去除,主要方法是控製廢物進料和焚燒爐燃燒溫度,通常采取以下措施防止結焦:
(1)進料時,將含鈉、鉀等成分的廢物和鹵素含量高的廢物安排在不同時期焚燒;
(2)含鹽量高的廢物與其他廢物搭配,如石灰等溶點高的物質,然後焚燒;
控製焚燒溫度,合理供風;
(4)選擇能防止掛壁的耐火磚。

如果窯內已經出現較嚴重低熔點鹽結焦時,可以適當降低回轉窯燃燒溫度, 待低熔點鹽順利焚燒進入出渣係統後再將窯內溫度調整到正常運行溫度。
第二種結焦方式主要是由於灰渣遇冷凝固造成的,清除方式為利用安裝在回轉窯後端板上除焦燃燒噴嘴進行熔化使其脫落。為防止此類方式的結焦,可采用高效的密封裝置,防止冷空氣的侵入。
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