危廢回轉(zhuǎn)窯焚燒爐耐火內(nèi)襯設(shè)計及優(yōu)化建議

 

目前水泥窯協(xié)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(yù)熱器、分解爐、后窯口以及窯頭罩等部位處理，典型入料方式如圖1所示。

 

 

1-篦冷機; 2-窯頭罩; 3-回轉(zhuǎn)窯; 4-煙室; 5-分解爐; 6-預(yù)熱器

圖 1 水泥窯協(xié)同處理危廢系統(tǒng)

 

回轉(zhuǎn)窯焚燒爐是危廢焚燒裝置， 如圖2所示， 主體設(shè)備由回轉(zhuǎn)窯、 二燃室、 余熱鍋爐、急冷塔、脫酸、除塵系統(tǒng)構(gòu)成。經(jīng)過預(yù)處理的各類危廢通過不同喂養(yǎng)方式進入燃燒系統(tǒng)， 在自身重力和回轉(zhuǎn)窯的連續(xù)旋轉(zhuǎn)作用下，物料和助燃空氣充分接觸， 完成干燥、氣化和燃燒過程， 后殘留部分淬冷成灰渣。

 

 

1-料坑; 2-進料系統(tǒng); 3-回轉(zhuǎn)窯; 4-二燃室; 5-鍋爐; 6-急冷塔; 7-脫酸塔; 8-除塵; 9-煙囪

 

圖 2 回轉(zhuǎn)窯焚燒爐系統(tǒng)

 

根據(jù)爐氣和固體流動方向的不同，或回轉(zhuǎn)窯中燃燒器的位置，回轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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。目前危廢焚燒系統(tǒng)主要是以順流式回轉(zhuǎn)窯的設(shè)計為主， 逆流式回轉(zhuǎn)窯更適用于含水率高或熱值低的危廢等。回轉(zhuǎn)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(huán)保要求日趨嚴(yán)格形勢下， 回轉(zhuǎn)窯危廢焚燒爐優(yōu)勢明顯。據(jù)統(tǒng)計， 我國回轉(zhuǎn)窯危廢焚燒系統(tǒng)約有800條處理生產(chǎn)線，處理能力從20t/d到120t/d不等。2018年我國危廢焚燒處置產(chǎn)能規(guī)模達到616萬t/年，其中回轉(zhuǎn)窯焚燒占比53%，主要分布在浙江、江蘇、山東、河北、福建等地。

 

1、回轉(zhuǎn)窯危廢焚燒爐耐火內(nèi)襯設(shè)計

 

1.1 回轉(zhuǎn)窯本體

 

回轉(zhuǎn)窯焚燒爐非常關(guān)鍵設(shè)備即為回轉(zhuǎn)窯本體， 因其是一種動態(tài)運轉(zhuǎn)設(shè)備，對內(nèi)襯結(jié)構(gòu)設(shè)計要求較高，首先要確保耐火內(nèi)襯在動態(tài)高溫狀態(tài)運行下整體內(nèi)襯的穩(wěn)定性，防止耐火磚掉磚、抽簽等問題。對于危廢回轉(zhuǎn)窯系統(tǒng)而言，由于轉(zhuǎn)速比較慢，一般在1轉(zhuǎn)/分以下，可以根據(jù)廠房設(shè)計和節(jié)能要求選擇單層磚、雙層磚、復(fù)合磚和整體澆注等不同結(jié)構(gòu)， 如圖3所示?；剞D(zhuǎn)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(zhì)一般根據(jù)處理溫度和危廢種類不同，可以選擇高鋁質(zhì)、剛玉莫來石質(zhì)以及鉻鋯剛玉質(zhì)耐火材料等。

 

 

圖 3 回轉(zhuǎn)窯內(nèi)襯設(shè)計

 

采用厚度230~300mm單層結(jié)構(gòu)時，由于耐火材料導(dǎo)熱系數(shù)大多在1.7~2.0以上，后期高溫區(qū)窯外壁溫度達到350℃以上， 但是整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，適合于回轉(zhuǎn)窯在室外的項目。

 

采用隔熱磚和耐火磚雙層結(jié)構(gòu)，因為隔熱磚導(dǎo)熱系數(shù)低，能起到降低窯皮溫度作用，窯外壁溫度可以控制在220℃左右甚至以下，節(jié)能效果好， 但是對施工要求較高， 適合于室內(nèi)項目。這里要注意隔熱磚強度一般要求大于20MPa，隔熱磚厚度設(shè)計不能低于50mm。

 

既要達到單層磚的穩(wěn)定性，又要降低外壁溫度，可以設(shè)計復(fù)合磚，即工作面是剛玉磚、 鉻剛玉磚，背面是氧化鋁空心球、 高鋁或者粘土質(zhì)，隔熱層厚度約為50~70mm。這種產(chǎn)品生產(chǎn)效率低，而且由于工作層和隔熱層材質(zhì)熱膨脹系數(shù)和燒結(jié)收縮率不同，因此，在連接處容易產(chǎn)生微裂紋，廢品率較高。

 

鑒于此，可以采用凹槽型復(fù)合磚設(shè)計，如圖4所示，工作層材質(zhì)不變，尾部開槽后填充納米板等絕熱材料。這種凹槽磚型復(fù)合磚， 不僅生產(chǎn)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 4 凹槽磚型設(shè)計示意圖

 

另外， 部分回轉(zhuǎn)窯采用輕質(zhì)澆注料或者纖維板等作為隔材料， 工作層采用重質(zhì)澆注料(金屬抓釘錨固)雙層澆注結(jié)構(gòu)，可以合理控制回轉(zhuǎn)窯外壁溫度。該結(jié)構(gòu)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(zhì)量和澆注料中水份烘干排出是關(guān)鍵。

 

 

表1 幾種回轉(zhuǎn)窯設(shè)計方案優(yōu)缺點

 

以上幾種設(shè)計方案優(yōu)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(huán)境和人為因素影響較小?，F(xiàn)在新建項目回轉(zhuǎn)窯基本都是室外設(shè)計， 隨著提產(chǎn)和環(huán)保要求，采用單層結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較好， 高溫區(qū)可以考慮凹槽復(fù)合磚方式，降低外壁溫度。而且從防腐蝕角度， 筒體外壁溫度控制在160~320℃區(qū)間，比較合理。

 

1.2 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(xué)反應(yīng)同時存在，反應(yīng)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(zhì)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， 絕熱材料是指硅酸鈣板、陶瓷纖維板以及納米板等。目前二燃室內(nèi)襯設(shè)計主要包括三種方式， 如圖5所示：

 

1)方案一，包括耐火材料、保溫材料和絕熱材料; 這種三層結(jié)構(gòu)設(shè)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(jié)構(gòu)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。這種方案介于前兩種方案之間， 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(zhì)即可滿足使用要求，燃燒器區(qū)域工作層建議使用剛玉質(zhì)或者鉻剛玉質(zhì)材料。相比較而言， 方案一的三層結(jié)構(gòu)設(shè)計穩(wěn)定性好，不容易因漏氣或者串火， 導(dǎo)致筒體高溫腐蝕或者超溫變形而停爐檢修。

 

 

圖 5 二燃室典型耐火內(nèi)襯設(shè)計

 

1.3 其他部位

 

余熱鍋爐部分主要是灰斗、集箱、 頂部密封以及出口煙道需要使用部分耐磨澆注料， 其中灰斗采用絕熱材料和耐磨澆注料雙層結(jié)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(qū)域溫度較高可以采用25mm絕熱材料作為隔熱層， 內(nèi)襯總厚度100mm即可。

 

2、典型回轉(zhuǎn)窯危廢工藝與耐火材料設(shè)計優(yōu)化建議

 

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)研發(fā)現(xiàn)， 耐火材料損毀主要集中于回轉(zhuǎn)窯本體區(qū)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(shè)計優(yōu)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(yán)重，熱震穩(wěn)定性好的莫來石質(zhì)、剛玉莫來石質(zhì)、剛玉碳化硅質(zhì)等耐火材料適用于此區(qū)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(qū)域主要在干燥段，受設(shè)備影響如果霧化效果不好時，該區(qū)域耐火材料也會出現(xiàn)剝落損毀，莫來石質(zhì)、剛玉莫來石質(zhì)、剛玉碳化硅質(zhì)材料同樣適用于此。運行時，一般要增加檢查霧化設(shè)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(zhuǎn)窯轉(zhuǎn)速慢，物料在窯內(nèi)反復(fù)旋轉(zhuǎn)造成進料區(qū)機械磨損嚴(yán)重。選擇強度高、耐磨性更好的剛玉碳化硅質(zhì)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鹽量大于5%以上后，熔點較低，容易形成高溫熔渣，對耐火材料滲透、侵蝕嚴(yán)重。出現(xiàn)高溫熔渣時， 高溫區(qū)耐火材料選擇鉻鋯剛玉質(zhì)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，由于F和耐火材料中Si很容易反應(yīng)形成SiF4氣化，造成襯里基質(zhì)結(jié)構(gòu)破壞，快速侵蝕;要嚴(yán)格控制耐火材料中雜質(zhì)含量尤其是二氧化硅含量，采用Cr2O3含量為9~15%鉻剛玉材料，可以滿足回轉(zhuǎn)窯正常運行需要。

 

SiO2 + 4HF = SiF4↑ + 2H2O (1)

 

3、結(jié)束語

 

危廢焚燒是新興領(lǐng)域， 其中危廢種類復(fù)雜繁多，物性、熱值差異較大，回轉(zhuǎn)窯和二燃室內(nèi)襯根據(jù)需要，設(shè)計形式多樣。隨著對危廢的監(jiān)管力度加大， 大型回轉(zhuǎn)窯焚燒技術(shù)將在危廢處理中得到更廣泛的應(yīng)用，對回轉(zhuǎn)窯焚燒爐耐火材料選型和設(shè)計提出了挑戰(zhàn)。與傳統(tǒng)高溫窯爐相比，耐火材料研究人員應(yīng)更多關(guān)注危廢物料特性、 工況特點(焚燒溫度、煙氣成分)等。