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危险废物焚烧处理回转窑耐火材料内衬设计原则

2021-12-29 17:33:22 点击:

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有效的设备。
在澳门新莆京娱乐网站国,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。目前,国内各省、直辖市都已开建或正准备开建省级危废处理中心,澳门新莆京娱乐网站国的危险废物处理工作正在逐步趋于规范和完善。

1、回转窑运转形式
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。
图片图注:回转窑运转形式
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、回转窑燃烧模式
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,非熔渣式又称“灰渣式”。

图注:熔渣式与非熔渣式回转窑对比
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,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,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

典型的回转窑焚烧炉如图所示,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。

图注:典型回转窑焚烧炉
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 3.4~4.2,而回转窑的尺寸须根据容积热负荷参数来确定。回转窑容积热负荷参数控制到炉内燃烧状况的好坏,回转窑容积热负荷的范围一般为(4.2~104.5)×104kJ/(m3·h)。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,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1~3°, 转速为1~5 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,可采用较大倾斜角与较高转速的回转窑来处理。

2) 燃烧设计
(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。
(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破坏的重要的因素。回转窑(一燃室)设计温度为1000℃,运行温度为 850~1000℃。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,停留时间足够长。通常地,固体物质在回转窑内的停留时间为30~120分钟;烟气在回转窑内的流速控制在3~4.5米/秒,停留时间约2秒;烟气在二燃室的流速一般控制在2~6米/秒,保证停留时间大于2秒。
送入炉膛中的废物同氧气充分接触,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。根据多年的实践经验,通常取回转窑的空气过剩系数为1.1~1.3,回转窑+二燃室总过剩空气量系数为1.7~2.0。

3)  回转窑耐火材料设计
(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:
a. 良好的耐磨性,以抵抗固体物料的磨损和热气流的冲刷;
b. 良好的化学稳定性,以抵抗炉内化学物质的侵蚀;
c.良好的热稳定性 以抵抗炉温的变化对材料的破坏;
d.高致密性,气孔率低,减少酸性气体侵入钢制外壳发生酸性腐蚀的几率;
e.合适的耐火度选择,经济耐用。
(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铬刚玉砖、碳化硅砖、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、耐磨的复合砖作为内衬,耐火层采用致密高铝、碳化硅、铬刚玉或铬刚玉碳化硅材质耐火材料,隔热层采用陶瓷纤维板镶嵌,两种材料一体结合。

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。
(1)回转窑焚烧温度监测
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。
(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)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 150℃~360℃。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。
(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 6~10%,即相当于空气过量系数40~91%。二燃室出口烟道装有氧含量检测仪,监测烟气中含氧浓度, 将二燃室出口烟气氧含量控制在6~10%。
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。
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。
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,清除方式为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。

2) 安全问题
利用回转窑处理危险废物系统存在的的安全问题是: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。

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