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1、回转窑处理危险废物的工程设计张绍坤 （北京机电院高技术股份有限公司，北京，100027）摘 要危险废弃物因其对环境极大的破坏性，以及对人类和牲畜健康的巨大威胁而需特殊处理。热处理法是最有效的危险废弃物处理方法，而回转窑是危险废弃物处理中最有效的设备。本文介绍了回转窑处理危险废物在国内外的应用现状，在分析各种回转窑特点的基础上，总结出了当前最适合处理危险废物的回转窑的形式。本文结合工程实际，详细介绍了回转窑处理危险废物系统的设计过程，并对回转窑处理危险废物工程焚烧系统中出现的常见问题进行了深入的剖析。关键词：危险废物，回转窑，燃烧, 设计方案Engineering Design of Dispo
2、sing Hazardous Waste by Rotary Kiln SystemsZHANG Shaokun(Beijing Machinery Electricity Institute CO, . LTD )Abstract: Hazardous waste needs proper treatment for its huge danger to environment and health of human beings and animals. Thermal treatment was considered to be the most effective method to
3、dispose hazardous waste and rotary kiln was the most suitable facility for its versatile to handle all kinds of hazardous waste. The technology of utilizing rotary kiln to dispose hazardous waste and its latest progress made in this field were reviewed. Based on characteristics of all kinds of rotar
4、y kiln, the most suitable rotary kiln form for disposing hazardous waste was summarized. With project practice, detailed designing process of disposing hazardous waste was discussed. Finally, the most familiar problems in utilizing rotary kiln to dispose hazardous waste were analyzed. Keywords: haza
5、rdous waste, rotary kiln, combustion1绪 论在我国开始工业化，迈向城市化的同时，社会的物质消耗量也急剧增加，大量的废弃物也因此产生。在众多的废弃物中，危险废物占有较大比重。危险废物是指根据国家统一规定的方法鉴别认定的具有毒性、易燃性、易爆性、腐蚀性、化学反应等性质的，对人体健康和环境能造成危害的废物，如医院临床废物、多氯联苯类废物、废电池、废矿物油、含汞废日光灯管等。危险废物需经过处理才能进入环境，热处理法是最有效的危险废弃物处理方法，而回转窑是危险废弃物处理中最有效的设备。回转窑处理危险废物技术在发达国家如美国、加拿大、日本等早在七十年代就已开始采用。根据
6、日本麻省水泥株式会社的一份资料上显示，日本在回转窑上处理工业危险废物具有面广、量多的特点，目前已能处理包括生活污泥在内的多种危险废物。在我国，由于危险废物处理技术起步较晚，危险废弃物多在未处理的情况下排放。据统计：1998 年我国总计产生工业固体废弃物800068万t，其中危险废弃物973.6万t，而危险废物的处理量仅为130.8万t。这说明大部分的危险废弃物在未经处理的情况下排放，对环境带来的后果是十分严重的1。我国危险废物管理的阶段性目标是：到2010年，重点区域和重点城市的危险废物基本实现环境无害化处理；到2015年，所有城市的危险废物基本实现环境无害化处理处理。目前，国内各省、直辖市都
7、已开建或正准备开建省级危废处理中心，我国的危险废物处理工作正在逐步趋于规范和完善。2回转窑运转形式的确定目前，市场上回转窑的种类很多，其运行形式也各不相同，并不是所有的回转窑都可用于危险废物的处理工程，有必要根据危险废物的特点确定出适合危险废物处理的回转窑的形式。2.1回转窑操作方式的选择按气、固体在回转窑内流动方向的不同，回转窑可分为顺流式回转窑（co-current flow kiln）和逆流式回转窑（counter-current flow kiln）两种，详见图1-12。图1-1回转窑顺、逆流操作方式示意图在顺流操作方式下，危险废弃物在窑内预热、燃烧以及燃尽阶段较为明显，进料、进风及辅
8、助燃烧器的布置简便，操作维护方便，有利于废物的进料及前置处理，同时烟气停留时间较长。在逆流操作模式下，回转窑可提供较佳的气、固混合及接触，传热效率高，可增加其燃烧速度。但逆流操作方式需要复杂的上料系统和除渣系统，成本高；同时，由于气固相对速度大，烟气带走的粉尘量相对较高， 增加了控制回转窑内燃烧状况和烟气停留时间的难度。因此，顺流式回转窑焚烧炉更适于危险废物的处理，应用更为广泛。2.2回转窑燃烧模式的选择依据回转窑内燃烧时灰渣状态和炉内温度的不同，回转窑可分为熔渣式回转窑(slagging rotary kiln)和非熔渣式回转窑( non-slagging rotary kiln)。其中，非
9、熔渣式又称“灰渣式”。表1-1 熔渣式与非熔渣式回转窑对比表类型 比较非熔渣式熔渣式窑体结构相对简单比较复杂，对耐火材料要求高温度要求850100012001430物料停留时间相对较长相对较短添加原料不需要可能需要添加CaO、Al2O3、SiO2等原料来降低熔渣的熔点辅助燃料相对较少消耗量为非熔渣式的1至1.5倍烟气排放产生少量NOx产生NOx的数量为非熔渣式10倍以上运行成本较经济较昂贵熔渣式和非熔渣式的区别见表1-1，通过表中可以看出熔渣式回转窑的温度比非熔渣式高的多，由此可带来如下问题：回转窑耐火材料、保温材料要求较高；进料系统和助燃系统所需材料成本增大且运行寿命短；运行过程中辅材消耗大
10、，较昂贵；烟气中重金属和NOx含量高，增加了后续烟气处理成本。虽然熔渣式回转窑熔渣热灼减率低，焚烧彻底，但是考虑运行成本，耐火材料的使用寿命等问题，并不占优势。所以，非熔渣式回转窑在处理危险废物领域较熔渣式更为经济实用，在工程中的应用越来越广泛。3 回转窑处理危险废物的设计图2-1 典型回转窑焚烧炉典型的回转窑焚烧炉如图2-1所示3，其设计主要分为如下几个部分：回转窑尺寸和运转方式的设计、燃烧设计、耐火材料的设计、焚烧系统的安全监控设计等。3.1 回转窑尺寸和运转方式的设计一般来讲，用于危险废物处理的回转窑，其典型的长径比值为3.44.2，而回转窑的尺寸须根据容积热负荷参数来确定。回转窑容积热
11、负荷参数控制到炉内燃烧状况的好坏，文献中给出回转窑容积热负荷的范围为(4.2104.5)104 kJ/(m3h) 4 。目前，很多项目确定回转窑尺寸采用的方法是：首先，根据危险废物的成分计算出废物的热值，再根据废 物的处理量确定出每小时废物在回转窑内燃烧所产生的热量，然后根据选定的容积热负荷确定出回转窑的容积，最后结合回转窑的长径比，确定回转窑的尺寸。对于回转窑的运转方式，在工程实践中，回转窑的倾斜角度一般在13，转速为15 r/min，回转窑的转动方向结合进料方式和助燃方式确定。处理难焚烧的危险废物可采用大长径比与低转速的回转窑；而热值较高、容易燃烧的危险废物，燃烧需要的时间稍短一些，可采用
12、较大倾斜角与较高转速的回转窑来处理。3.2 燃烧设计3.2.1 危险废物的燃烧过程危险废物进入焚烧炉后首先接受到辅助燃烧器火焰和高温窑壁的热辐射而完成加热、水分蒸发和可燃分析出的过程。随着温度的进一步升高，固态物质开始分解燃烧。废物中气态成分和固态物质析出的可燃气体在高温状态也会快速分解燃烧。在回转窑中，废物中的无机可燃成分被燃尽，长链环状物质会被分解成短链物质进入二燃室进一步分解焚烧。3.2.2焚烧系统的“3T+1E”控制原则“3T+1E”是指温度（temperature）、时间（time）、扰动（turbulence）和空气过剩系数综合控制的原则。“3T+1E”原则能确保危险废物的有害成份
13、的充分分解，从源头上控制酸性气体、有害气体(二噁英类物质)的生成，全面控制烟气排放造成的二次污染。温度是保证在焚烧炉中危险废物得到彻底破坏的最重要的因素。回转窑（一燃室）设计温度为1000，运行温度为8501000。二燃室设计温度为1300，正常运行温度为1100。二燃室采用和一燃室不同的温度设计，保证了危险废物在二燃室中可充分焚毁。温度达到设计值后，为了使危险废物充分焚毁，停留时间必须足够长。通常地，固体物质在回转窑内的停留时间为30120分钟；烟气在回转窑内的流速控制在34.5米/秒，停留时间约2秒；烟气在二燃室的流速一般控制在26米/秒，保证停留时间大于2秒。送入炉膛中的废物必须同氧气充
14、分接触，才能在高温下全部快速高效地氧化，这就要求对废弃物进行适当的搅动。搅动越频繁，废物和空气混合越均匀越有利于焚烧。在工程实际中，主要利用供风布置和辅助燃烧器的布置来增加扰动。在危险废物燃烧过程中，空气过剩系数反应了燃烧状况。空气过剩系数大，燃烧速度快，燃烧充分，但供风量较大，产生的烟气量大，使后续的烟气处理负荷增大，不够经济。反之，则燃烧不完全，甚至产生黑烟，有害物质分解不彻底。根据多年的实践经验，通常取回转窑的空气过剩系数为1.11.3，回转窑+二燃室总过剩空气量系数为1.72.0。3.3 回转窑耐火材料设计3.3.1耐火材料的选用原则 耐火材料是决定焚烧炉使用寿命的关键，其选用原则如下
15、：1) 良好的耐磨性，以抵抗固体物料的磨损和热气流的冲刷；2) 良好的化学稳定性，以抵抗炉内化学物质的侵蚀；3) 良好的热稳定性，以抵抗炉温的变化对材料的破坏；4) 高致密性，通透气孔率小，减少酸性气体侵入钢制外壳发生酸性腐蚀的几率；5) 合适的耐火度选择，经济耐用。3.3.2 耐火材料设计目前，在国内外危险废物焚烧工程中，回转窑采用的耐火砖主要有莫来石刚玉砖、高铝砖等，可根据危险废物的成分进行选择。工程设计中，回转窑常采用300mm的耐高温、耐腐蚀、耐磨的复合高铝砖，作为耐火隔热层，其理化指标见表2-1。耐火层采用致密高铝耐火材料，隔热层采用轻质高铝耐火材料，两种材料压制成一体，再经过高温烧
16、结，线性变化系数几乎相同，在高温下不会断开。表2-1 回转窑用复合高铝砖理化指标性能重质耐火材料轻质耐火材料AL2O3 ， % 7050SiC ，% 8ZrO ， % 10气孔率， %20密度， g/cm32.652.0耐火度， 17901000荷重软化温度， 1480常温耐压强度，MPa8030导热系数，W /（mK）0.53.4 焚烧系统的监控设计利用回转窑焚烧危险废物系统的正常运行，离不开安全监控。通常回转窑焚烧系统需要监控的参数主要有：回转窑焚烧温度、回转窑内压力、回转窑外表面温度和焚烧烟气中的氧含量等。另外，还应装设观察孔和高温摄像装置，以便观察和监视窑内废物焚烧状况。3.4.1回转
17、窑焚烧温度监测温度监测通常通过热电偶温度计测量来实现，具体做法是：在烟气温度较稳定的回转窑的尾端设置多个热电偶监测点，利用各温度计的平均温度来反映回转窑的焚烧温度。如果温度过低，则增大辅助燃料的供应量或适当减少进料量；反之，则减少或暂停辅助燃料的供应，或者增大进料量。3.4.2回转窑内压力的监测回转窑内压力是焚烧系统正常运行的重要参数。焚烧系统要求负压运行。负压由烟气处理部分的引风机的抽力形成，以维持回转窑内压力为-100Pa左右为标准。负压过大，系统漏风增加，引风机电耗高；负压过小，燃烧工况波动时，窑内气体可能溢出窑外。为此，在回转窑尾部端板，安装有差压变送器，将回转窑内压力实时传入中控室监
18、控系统，参与焚烧控制与报警。当回转窑压力过高时，控制系统发出报警；当高于高限设定值时，控制系统将自动停止进料，焚烧系统进入“待料”状态。3.4.3 回转窑外表面温度监测回转窑外表面温度设计值一般为180，波动范围为150360。温度过高或过低，会加大对回转窑外包钢板的腐蚀，减少其使用寿命。另外，回转窑外表面的温度，还可以反映回转窑内部燃烧状况。所以，在回转窑运行过程中需要对其外表面温度进行监测，监测一般通过红外监测仪进行。3.4.4 烟气氧含量监测根据国家危险废物控制标准，烟气中的含氧浓度应为610%，即相当于空气过量系数4091%。二燃室出口烟道装有氧含量检测仪，监测烟气中含氧浓度，将二燃室
19、出口烟气氧含量控制在610%。 二燃室出口处烟气的氧含量和温度参与进料连锁控制。只有当温度、氧含量高于设定的最低限值时才允许进料，这样可以保证危险废物燃烧充分，降低颗粒物带出量及延长耐火材料使用寿命。4 回转窑处理危险废物工程中的问题利用回转窑处理危险废物有很多优势，但在实际的工程中也存在一些问题，如结焦问题、安全问题等，需要进一步解决，优化系统。4.1 结焦问题回转窑处理危险废物过程中的结焦情况主要有两种：低熔点盐类在炉内的结焦；窑尾出渣口部位的密封片处缝隙有冷空气渗入和除渣机中的水分蒸发导致局部温度下降而形成结焦。第一种结焦方式形成的原理是：在焚烧处理废物的过程中，危险废物在高温下会进行分
20、解，分解后的元素在高温下会重新组合，形成一部分低熔点盐类（主要是碱性成分和卤化物的结合）。这些低熔点盐类在高温下非常粘稠，它们会发生自身粘结并粘附其它物质而在回转窑内结焦。这类结焦不易清除，主要办法是控制废物的进料和控制焚烧炉的燃烧温度，通常是采用如下一些措施防止结焦：1) 进料时将含有钠、钾等成分的废物与卤素含量高的废物安排 在不同的时间段进行焚烧；2) 对于含盐量较高的废物采取与其他废物搭配，例如掺入溶点高的物质如石灰等，再进行焚烧；3) 控制焚烧温度，合理供风；4) 选择可防止挂壁的耐火砖。如果窑内已经出现较严重低熔点盐结焦时，可以适当降低回转窑燃烧温度，待低熔点盐顺利焚烧进入出渣系统后
21、再将窑内温度调整到正常运行温度。第二种结焦方式主要是由于灰渣遇冷凝固造成的，清除方式如图3-1所示，利用安装在回转窑后端板上除焦燃烧喷嘴进行熔化使其脱落。为防止此类方式的结焦，可采用高效的密封装置，防止冷空气的侵入。 图3-1 回转窑尾部结焦清除方式4.2 安全问题利用回转窑处理危险废物系统存在的最大的安全问题是：回转窑内压力在短时间内迅速增高，超过极限值，造成设备损坏，有害烟气等物质外泄，甚至发生爆炸。造成回转窑内压力迅速升高的主要原因有两个：回转窑内的危险废物发生爆燃；系统突然停电，导致后续烟气处理系统中引风机停止工作。 为确保回转窑焚烧系统的安全，除采用连锁控制安全系统外，在机械设计方面
22、还有两套安全防护措施： 除渣机水封槽的一级泄压。除渣机水封槽正常运行时起到密封作用，使窑内烟气与和外部大气隔绝。当窑内压力高于安全设定值时，烟气就突破水封自动泄放，保证焚烧系统的安全。紧急排放烟囱的二级泄压。二燃室的顶端设计一段紧急排放烟囱。烟囱通向室外，系统正常运行时处于封闭状态，但当焚烧系统内的压力达到限定值时，内部高压烟气就可冲开烟囱上的门盖，排向大气，保护系统的安全。5结 论随着社会的发展，危险废物的种类在增多，数量在急剧增大，对社会和环境造成的危害也越来越大，对其进行处理是迫在眉睫的事情。回转窑焚烧系统广泛的物料适应性使之成为处理危险废弃物的最佳选择。但是目前国内回转窑焚烧技术还不完
23、善，废物经焚烧后的烟气处理工程复杂，回转窑的运行成本较高等因素，使得回转窑在处理危险废物领域进展较慢。近年来，国家出台了一系列危险废物处理的政策，在政策的带动下，全国各省市都开始或准备开始建设集中的危险废物处理中心。这些危险废物处理中心的建设将使我国危险废物处理工作进入一个新的阶段，同时也会促进回转窑处理危险废物技术更加完善。参考文献1 中国环境年鉴1999.北京:中国环境年鉴社,1999.2 David A. Tillman. Rotary incineration systems for solid hazardous wastes. Chemical Engineering Progress ,1990(7) :1930.3 朱 江,蒋旭光,刘 刚,严建华,池 涌.回转窑处理危险废弃物技术探讨.环境工程.2004.vol.22(5):5761.4 聂永丰. 三废处理工程技术手册. 北京:化学工业出版社,2000.(文章来源：中国冶金装备网 )
