張紹坤

（北京機(jī)電院高技術(shù)股份有限公司，北京 100027）

回轉(zhuǎn)窯危險(xiǎn)廢物焚燒系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

張紹坤

（北京機(jī)電院高技術(shù)股份有限公司，北京 100027）

回轉(zhuǎn)窯是危險(xiǎn)廢棄物處理中最有效的設(shè)備，具有廢物處理種類多等優(yōu)點(diǎn)。隨著回轉(zhuǎn)窯危險(xiǎn)廢物焚燒系統(tǒng)應(yīng)用越來越廣泛，該系統(tǒng)在應(yīng)用中的一些問題也暴露出來（如進(jìn)料水套容易破壞、廢物在窯內(nèi)焚燒不充分、回轉(zhuǎn)窯尾耐火材料容易脫落等），需要根據(jù)工程應(yīng)用進(jìn)行設(shè)備優(yōu)化設(shè)計(jì)。文章分析了回轉(zhuǎn)窯焚燒系統(tǒng)出現(xiàn)問題的原因，并給出了優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，對回轉(zhuǎn)窯焚燒系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了借鑒。

危險(xiǎn)廢物；回轉(zhuǎn)窯；熱灼減率

1 前言

危險(xiǎn)廢物是指根據(jù)國家統(tǒng)一規(guī)定的方法鑒別認(rèn)定的具有毒性、易燃性、易爆性、腐蝕性、化學(xué)反應(yīng)等性質(zhì)的，對人體健康和環(huán)境能造成危害的廢物，如醫(yī)療廢物、多氯聯(lián)苯類廢物、廢電池、廢礦物油、含汞廢日光燈管等。

危險(xiǎn)廢物需經(jīng)過處理才能進(jìn)入環(huán)境，焚燒法是最有效的危險(xiǎn)廢棄物處理方法，而回轉(zhuǎn)窯是危險(xiǎn)廢棄物處理中最有效的設(shè)備，具有可廢物處理種類多、處理量大等優(yōu)點(diǎn)?；剞D(zhuǎn)窯處理危險(xiǎn)廢物技術(shù)在發(fā)達(dá)國家如美國、加拿大、日本等早在20世紀(jì)70年代就已開始采用[1]。我國自20世紀(jì)90年代開始，逐步開始應(yīng)用回轉(zhuǎn)窯焚燒系統(tǒng)處理危險(xiǎn)廢物，目前，全國90%以上的危險(xiǎn)廢物處置中心都采用了危險(xiǎn)廢物焚燒處理系統(tǒng)。

隨著回轉(zhuǎn)窯危險(xiǎn)廢物焚燒系統(tǒng)應(yīng)用越來越廣泛，該系統(tǒng)在應(yīng)用中的一些問題也暴露出來，需要根據(jù)實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行設(shè)備優(yōu)化設(shè)計(jì)。本文結(jié)合某回轉(zhuǎn)窯焚燒項(xiàng)目，指出了目前回轉(zhuǎn)窯危險(xiǎn)廢物焚燒系統(tǒng)（主要包括回轉(zhuǎn)窯頭罩、回轉(zhuǎn)窯）中出現(xiàn)的一些問題，對這些問題進(jìn)行分析和研究，并給出了優(yōu)化方案，對回轉(zhuǎn)窯焚燒系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了一種思路，具有一定的借鑒意義。

2 回轉(zhuǎn)窯頭罩

2.1 回轉(zhuǎn)窯頭罩問題

回轉(zhuǎn)窯頭罩是回轉(zhuǎn)窯進(jìn)料端的罩體，回轉(zhuǎn)窯頭罩主要包括回轉(zhuǎn)窯頭罩體、進(jìn)料推頭、廢液噴槍、柴油燃燒器、回轉(zhuǎn)窯供風(fēng)口、檢修人孔門等組成?；剞D(zhuǎn)窯頭罩的作用主要有兩個(gè)：1）向回轉(zhuǎn)窯內(nèi)輸送物料，如固體廢物、液體廢物、氣體廢物等，同時(shí)供給物料焚燒所需的空氣；2）罩住回轉(zhuǎn)窯進(jìn)料端，避免煙氣外泄，將回轉(zhuǎn)窯與上料系統(tǒng)隔開。

目前，頭罩在運(yùn)行過程中的主要問題是：進(jìn)料推頭四周的冷卻水套容易破損。由于水套破損時(shí)，系統(tǒng)必須進(jìn)行停爐檢修，因此上述故障影響了固體廢物和液體廢物的進(jìn)料，進(jìn)而影響了廢物入爐量和回轉(zhuǎn)窯的利用率，需要進(jìn)行改進(jìn)。

2.2 頭罩問題分析

進(jìn)料推頭四周的冷卻水套的目的是對推料筒進(jìn)行冷卻，一方面可以防止推料筒因過熱而變形或損壞，另一方面可以避免因推料筒過熱而黏附物料造成進(jìn)料不暢。進(jìn)料推頭的水套結(jié)構(gòu)如圖1所示，冷卻水從推頭下方的進(jìn)水口進(jìn)入水套，通過水套中設(shè)置的迷宮后，再從推料上方的出水口排出，從冷卻水套出來的高溫水由冷卻水泵輸送進(jìn)入冷卻塔冷卻后，再進(jìn)入冷卻水套，循環(huán)運(yùn)行。水在冷卻水套內(nèi)強(qiáng)制循環(huán)，帶走回轉(zhuǎn)窯的高溫輻射熱，冷卻推料筒。冷卻水套破損的原因主要有三個(gè)：

（1）冷卻用水沒有經(jīng)過軟化處理，水的硬度較高，在水套內(nèi)加熱時(shí)，水中的鹽分和堿性物質(zhì)，如CaCO3、CaSO4、Mg(OH)2等，容易析出形成水垢，積聚在水套內(nèi)壁，影響換熱效果。并且由于水垢的厚薄不均，還會導(dǎo)致水局部過熱產(chǎn)生蒸汽，形成汽蝕，進(jìn)而導(dǎo)致水套破損。

（2）回轉(zhuǎn)窯的熱煙氣中含有較多的水分，這些水分遇冷附著在水套外表面，形成小露滴，同時(shí)煙氣中含有的酸性氣體，如HCl、SO2等，溶解在小露滴中，對水套外表面形成露點(diǎn)腐蝕，進(jìn)而導(dǎo)致水套破損。

（3）人為操作不當(dāng)，誤停冷卻水泵或關(guān)閉閥門，導(dǎo)致冷卻水套缺水而燒壞。

圖1 進(jìn)料推頭的水套結(jié)構(gòu)

2.3 頭罩優(yōu)化設(shè)計(jì)

針對運(yùn)行時(shí)頭罩出現(xiàn)的兩個(gè)問題，結(jié)合上述分析，所做優(yōu)化設(shè)計(jì)如下：

進(jìn)料的水冷夾套更換為風(fēng)冷夾套。風(fēng)冷夾套的圖紙如圖2所示，增設(shè)一臺冷卻風(fēng)機(jī)，用于進(jìn)料冷卻。進(jìn)料冷卻風(fēng)套主風(fēng)管通過法蘭和風(fēng)機(jī)管路相連，在主風(fēng)管上設(shè)有均布的支管，用于向風(fēng)冷夾套內(nèi)鼓風(fēng)，風(fēng)冷夾套內(nèi)部開口通向回轉(zhuǎn)窯內(nèi)部，即冷卻風(fēng)被加熱后直接進(jìn)入回轉(zhuǎn)窯內(nèi)部作為焚燒助燃風(fēng)，這樣既冷卻了進(jìn)料推筒，又對助燃風(fēng)進(jìn)行了預(yù)熱，節(jié)省了燃料。

圖2 風(fēng)冷夾套詳圖

3 回轉(zhuǎn)窯

3.1 回轉(zhuǎn)窯問題

典型回轉(zhuǎn)窯是回轉(zhuǎn)窯焚燒系統(tǒng)的核心設(shè)備，是由減速機(jī)驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)的水平圓柱形焚燒爐，通常與水平面呈2°～5°布置，典型的回轉(zhuǎn)窯如圖3所示。固體廢物和液體廢物由回轉(zhuǎn)窯頭部進(jìn)入回轉(zhuǎn)窯，隨著回轉(zhuǎn)窯的旋轉(zhuǎn)，由窯頭向窯尾移動(dòng)，在回轉(zhuǎn)窯內(nèi)依次經(jīng)歷烘干、熱解、焚燒、燃盡等階段，焚燒產(chǎn)生的灰渣由回轉(zhuǎn)窯尾部排出。

圖3 回轉(zhuǎn)窯簡圖

目前，回轉(zhuǎn)窯在運(yùn)行過程中出現(xiàn)的問題主要有：

（1）回轉(zhuǎn)窯尾端的澆注料容易脫落，維修較為頻繁。

（2）部分塊狀危險(xiǎn)廢物焚燒后產(chǎn)生的殘?jiān)臒嶙茰p率高于5%，為6%～10%，不符合《危險(xiǎn)廢物集中焚燒處置工程建設(shè)技術(shù)規(guī)范》（HJ/T 176-2005）中“爐渣熱灼減率應(yīng)＜5%”的規(guī)定。

回轉(zhuǎn)窯為焚燒系統(tǒng)的核心設(shè)備，以上問題影響了回轉(zhuǎn)窯的穩(wěn)定運(yùn)行，影響了回轉(zhuǎn)窯的危險(xiǎn)廢物焚燒處理量，同時(shí)由于焚燒廢物產(chǎn)生殘?jiān)臒嶙茰p率過高，部分灰渣需要再次入爐焚燒，增加了焚燒工作量，因而急需進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

3.2 回轉(zhuǎn)窯問題分析

3.2.1 回轉(zhuǎn)窯尾端澆注料脫落問題分析

回轉(zhuǎn)窯尾部結(jié)構(gòu)如圖4所示?；剞D(zhuǎn)窯尾部的外面設(shè)有冷卻風(fēng)套，回轉(zhuǎn)窯的內(nèi)部設(shè)置了窯尾護(hù)鐵，其材質(zhì)為0Cr25Ni20，窯尾護(hù)鐵的截面近似呈工字型，在護(hù)鐵表面焊接有抓釘，抓釘?shù)牟馁|(zhì)與護(hù)鐵相同。通過抓釘?shù)墓潭?，澆注料澆筑在窯尾護(hù)鐵的四周，避免護(hù)鐵直接暴露在高溫?zé)煔庵卸鴵p壞。

圖4 回轉(zhuǎn)窯尾部結(jié)構(gòu)示意圖

在該回轉(zhuǎn)窯焚燒項(xiàng)目的運(yùn)行過程中，兩年之內(nèi)曾發(fā)生了三次窯尾澆注料脫落事故，對回轉(zhuǎn)窯的穩(wěn)定運(yùn)行造成了很壞的影響。通過對澆注料脫落后的窯尾檢查發(fā)現(xiàn)，脫落部分的澆注料為成塊脫落，脫落部分的抓釘裸露了出來，但脫落部分抓釘?shù)睦喂潭热院芨?，這說明了澆注料的脫落既不是由于煙氣對耐火材料的腐蝕造成的，又不是由于抓釘焊接不牢固等施工原因造成的。由于未脫落部分也存在明顯的裂縫（3～4mm），因此初步判定澆注料脫落的原因是受熱膨脹造成的。

查相關(guān)資料得出[2]：不銹鋼的熱膨脹系數(shù)約為16×10-6/℃，在900℃的環(huán)境下，其膨脹系數(shù)為λ1= 0.0144；耐火澆注料在900℃環(huán)境下，重?zé)€變化率不大于0.3%[3]，即λ2= 0.003。由于λ1/λ2≈ 5，所以，在900℃的環(huán)境中，不銹鋼的熱膨脹率約為澆注料的5倍。

由于窯尾護(hù)鐵原有結(jié)構(gòu)近似于工字型，且高溫下不銹鋼的熱膨脹率遠(yuǎn)大于澆注料，這樣就導(dǎo)致了夾在兩層鋼板中的澆注料會受鋼板熱膨脹的擠壓而變形，久而久之，這些澆注料就會出現(xiàn)脫落現(xiàn)象。

3.2.2 殘?jiān)鼰嶙茰p率過高問題分析

危險(xiǎn)廢物焚燒后殘?jiān)臒嶙茰p率過高，說明廢物在回轉(zhuǎn)窯內(nèi)焚燒不徹底，可能的原因有三個(gè)：

（1）焚燒溫度過低，導(dǎo)致回轉(zhuǎn)窯容積熱負(fù)荷過低。

（2）廢物入爐量過高或回轉(zhuǎn)窯的供風(fēng)量不足。

（3）廢物在回轉(zhuǎn)窯內(nèi)的停留時(shí)間不足。

經(jīng)過對該回轉(zhuǎn)窯焚燒項(xiàng)目處理的危險(xiǎn)廢物進(jìn)行化驗(yàn)，得出的廢物元素成分如表1所示。

表1 危險(xiǎn)廢物焚燒后的組成表

該危險(xiǎn)廢物的高位熱值[4]：

將表中數(shù)據(jù)代入，計(jì)算得：22,480kJ/kg。

該危險(xiǎn)廢物的低位熱值：

將表中數(shù)據(jù)和高位熱值代入，計(jì)算得：20,487kJ/kg。由于廢物焚燒處理量為1000kg/h，因此，廢物完全燃燒產(chǎn)生的熱量約為：

該項(xiàng)目回轉(zhuǎn)窯內(nèi)徑D=2.1m，有效長度L=10.0m，其有效容積為：

因此，該項(xiàng)目回轉(zhuǎn)窯內(nèi)容積熱負(fù)荷約為：

根據(jù)文獻(xiàn)查得[5]，回轉(zhuǎn)窯容積熱負(fù)荷的范圍為（4.2～104.5）×104kJ/m3·h，因此，該項(xiàng)目的回轉(zhuǎn)窯容積熱負(fù)荷符合常規(guī)要求。

另外，系統(tǒng)檢測溫度儀表顯示，回轉(zhuǎn)窯運(yùn)行時(shí)其內(nèi)部溫度穩(wěn)定在850℃～950℃，與其他項(xiàng)目一致且符合規(guī)范要求，因此導(dǎo)致殘?jiān)鼰嶙茰p率過高的原因不是焚燒溫度過低。

廢物完全焚燒時(shí)，其反應(yīng)方程式如下：

表2 危險(xiǎn)廢物焚燒產(chǎn)物分析表

根據(jù)上述化學(xué)方程式，得出該危險(xiǎn)廢物焚燒過程計(jì)算表如表2所示。

根據(jù)表2可得出，該危險(xiǎn)廢物完全燃燒所需的理論空氣量為：Vk0= 5.37Nm3/kg，回轉(zhuǎn)窯的過?？諝庀禂?shù)按照經(jīng)驗(yàn)值取1.2，則按照設(shè)計(jì)處理量Mh=1000kg/h，每小時(shí)所需空氣量為：

查回轉(zhuǎn)窯助燃風(fēng)機(jī)，得知回轉(zhuǎn)窯的一次供風(fēng)量為5712～10,562m3/h，風(fēng)機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定，能夠完全滿足危險(xiǎn)廢物焚燒的需要。并且經(jīng)危險(xiǎn)廢物進(jìn)料量統(tǒng)計(jì)顯示，危險(xiǎn)廢物的焚燒量平均約為1000kg/h，符合設(shè)計(jì)要求。因此，導(dǎo)致殘?jiān)鼰嶙茰p率過高的原因也不是廢物入爐量過高或回轉(zhuǎn)窯的供風(fēng)量不足。

經(jīng)過以上分析可知，危險(xiǎn)廢物焚燒后殘?jiān)臒嶙茰p率過高的主要原因是廢物在回轉(zhuǎn)窯內(nèi)的停留時(shí)間不足。

3.3 回轉(zhuǎn)窯優(yōu)化設(shè)計(jì)

針對回轉(zhuǎn)窯出現(xiàn)的問題，結(jié)合上述分析，所做優(yōu)化設(shè)計(jì)如下：

（1）針對回轉(zhuǎn)窯尾部澆注料脫落問題，優(yōu)化后的窯尾結(jié)構(gòu)如圖5所示。

此優(yōu)化方案取消了原窯尾護(hù)鐵中位于澆注料內(nèi)部的橫向環(huán)板，并縮短了縱向環(huán)板伸入回轉(zhuǎn)窯內(nèi)部的長度，這樣既可以方便抓釘焊接，又可以最大限度減少窯尾護(hù)鐵膨脹對澆注料的影響，避免了窯尾澆注料的脫落。

（2）針對危險(xiǎn)廢物焚燒后的殘?jiān)鼰嶙茰p率過高問題，采取的優(yōu)化措施為：對于特大體積的待燒物料，進(jìn)行破碎后再入爐焚燒；在窯內(nèi)增加砌筑揚(yáng)料塊，將廢物揚(yáng)起來，使之充分與助燃空氣接觸，焚燒得更充分；在不影響焚燒處理量的前提下，通過變頻控制，盡量減慢回轉(zhuǎn)窯的轉(zhuǎn)速，增加物料在窯內(nèi)的停留時(shí)間。這些優(yōu)化措施，可使廢物在回轉(zhuǎn)窯內(nèi)焚燒得更充分，焚燒的時(shí)間更長，有效降低回轉(zhuǎn)窯出渣的熱灼減率。該優(yōu)化方案實(shí)施后，回轉(zhuǎn)窯出渣的熱灼減率降低為3%～4%，滿足了規(guī)范的要求。

圖5 回轉(zhuǎn)窯尾部優(yōu)化示意圖

4 優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果

根據(jù)上述分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，對回轉(zhuǎn)窯危險(xiǎn)廢物焚燒系統(tǒng)進(jìn)行了改造，通過改造完成后一年多的運(yùn)行情況來看，此次優(yōu)化設(shè)計(jì)是比較成功的，具體體現(xiàn)在以下方面：

（1）解決了進(jìn)料水套容易損壞的問題。由于采用風(fēng)冷，進(jìn)料推頭的冷卻夾套故障率大為降低，由過去的每年約4次的檢修頻率，變?yōu)榱銠z修。同時(shí)由于優(yōu)化后取消了冷卻水泵和冷卻塔，節(jié)省了運(yùn)行功率。

（2）回轉(zhuǎn)窯尾部澆注料檢修頻率降低。優(yōu)化前，回轉(zhuǎn)窯尾部澆注料每年需要檢修3～4次；優(yōu)化后，回轉(zhuǎn)窯尾部澆注料每年僅需檢修一次，且檢修僅為補(bǔ)充因腐蝕而脫落的澆注料，檢修強(qiáng)度大為降低。

（3）回轉(zhuǎn)窯焚燒爐渣的熱灼減率符合規(guī)范規(guī)定。優(yōu)化后，爐渣的熱灼減率為2%～4%。

5 結(jié)論

本文中的這些改進(jìn)設(shè)計(jì)是在原有設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上優(yōu)化的，一方面需結(jié)合現(xiàn)有的條件，充分利用原有設(shè)備設(shè)施；另一方面要認(rèn)真分析問題出現(xiàn)的原因，只有把問題產(chǎn)生的根源分析清楚，才能有的放矢地提出優(yōu)化方案。

本次改進(jìn)設(shè)計(jì)的特點(diǎn)是投入資金少、優(yōu)化方案簡單易行，技術(shù)先進(jìn)、運(yùn)行可靠，有利于回轉(zhuǎn)窯危險(xiǎn)廢物焚燒系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，具有較高的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。對于其他回轉(zhuǎn)窯危險(xiǎn)廢物焚燒系統(tǒng)中出現(xiàn)的類似問題，可參考本文的優(yōu)化方案進(jìn)行優(yōu)化改造。

[1] 方偉.水泥回轉(zhuǎn)窯處置危險(xiǎn)廢物技術(shù)研究[J].水泥技術(shù)，2000，6 : 35-39.

[2] 尹傳華.金屬工藝學(xué)（第2版）[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

[3] 全國耐火材料標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會.耐火材料標(biāo)準(zhǔn)匯編[M].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2007.

[4] 王秉銓.工業(yè)爐設(shè)計(jì)手冊（第2版）[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000.

[5] 聶永豐.三廢處理工程技術(shù)手冊[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2000.

Optimizing Design for Incineration System of Hazardous Wastes in Rotary Kiln

ZHANG Shao-kun
(Beijing Machinery & Electricity Institute Co., Ltd, Beijing 100027, China)

The rotary kiln is the most effective equipment in the treatment of hazardous wastes and has many kinds of merit in the waste treatment. Along with the more and more use of incineration system of hazardous wastes in rotary kiln, some problems of the system are emerged in the application. It is required to carry through design of equipmqnt optimization in accordance with the engineering application. The paper analyzes the reasons emerged in the incineration system of rotary kiln and presents the optimizing design program as well as provides use for reference for optimizing design of the incineration system of rotary kiln.

hazardous waste; rotary kiln; rate reduction of heat bright

X705

A

1006-5377（2015）04-0059-05