危廢回轉窯焚燒爐耐火內襯設計及優(yōu)化建議

危險廢物(以下簡(jiǎn)稱(chēng)危廢)種類(lèi)繁多、成分復雜、區域差異化嚴重，處理不當會(huì )帶來(lái)一系列民生和社會(huì )問(wèn)題。實(shí)踐證明，高溫焚燒是危廢安全處置和減容化的有效途徑，其中回轉窯焚燒工藝是危廢處理中最有效的處置工藝之一，具有處理危廢種類(lèi)多、處理量大等優(yōu)點(diǎn)。我國自20世紀90年代，逐步開(kāi)始使用回轉窯焚燒系統處理危廢。近年來(lái)，因耐火材料損毀導致的停窯事故多有發(fā)生，嚴重影響了危廢焚燒生產(chǎn)線(xiàn)的穩定運轉率，對回轉窯危廢焚燒爐耐火內襯設計優(yōu)化以及高效運行等提出了迫切需求。

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-回轉窯; 4-煙室; 5-分解爐; 6-預熱器 圖 1 水泥窯協(xié)同處理危廢系統
回轉窯焚燒爐是專(zhuān)業(yè)危廢焚燒裝置， 如圖2所示， 主體設備由回轉窯、 二燃室、 余熱鍋爐、急冷塔、脫酸、除塵系統構成。經(jīng)過(guò)預處理的各類(lèi)危廢通過(guò)不同喂養方式進(jìn)入燃燒系統， 在自身重力和回轉窯的連續旋轉作用下，物料和助燃空氣充分接觸， 完成干燥、氣化和燃燒過(guò)程， 最后殘留部分淬冷成灰渣。
1-料坑; 2-進(jìn)料系統; 3-回轉窯; 4-二燃室; 5-鍋爐; 6-急冷塔; 7-脫酸塔; 8-除塵; 9-煙囪 圖 2 回轉窯焚燒爐系統
根據爐氣和固體流動(dòng)方向的不同，或回轉窯中燃燒器的位置，回轉窯焚燒爐可以分為逆流和順流兩種形式。 其中， 燃燒器熱源在回轉窯的進(jìn)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(chēng)為逆流式。 目前危廢焚燒系統主要是以順流式回轉窯的設計為主， 逆流式回轉窯更適用于含水率高或熱值低的危廢等?；剞D窯焚燒爐具有適用性廣特點(diǎn)，可同時(shí)處理固體、液體和氣體的危廢。 環(huán)保要求日趨嚴格形勢下， 專(zhuān)業(yè)回轉窯危廢焚燒爐優(yōu)勢明顯。 據統計， 我國回轉窯危廢焚燒系統約有800條處理生產(chǎn)線(xiàn)，處理能力從20t/d到120t/d不等。 2018年我國危廢焚燒處置產(chǎn)能規模達到616萬(wàn)t/年，其中專(zhuān)業(yè)回轉窯焚燒占比53%，主要分布在浙江、江蘇、山東、河北、福建等地。

1、回轉窯危廢焚燒爐耐火內襯設計

1.1 回轉窯本體
回轉窯焚燒爐最關(guān)鍵設備即為回轉窯本體， 因其是一種動(dòng)態(tài)運轉設備，對內襯結構設計要求較高，首先要確保耐火內襯在動(dòng)態(tài)高溫狀態(tài)運行下整體內襯的穩定性，防止耐火磚掉磚、抽簽等問(wèn)題。對于危廢回轉窯系統而言，由于轉速比較慢，一般在1轉/分以下，可以根據廠(chǎng)房設計和節能要求選擇單層磚、雙層磚、復合磚和整體澆注等不同結構， 如圖3所示?；剞D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)一般根據處理溫度和危廢種類(lèi)不同，可以選擇高鋁質(zhì)、剛玉莫來(lái)石質(zhì)以及鉻鋯剛玉質(zhì)耐火材料等。


圖 3 回轉窯內襯設計
采用厚度230~300mm單層結構時(shí)，由于耐火材料導熱系數大多在1.7~2.0以上，后期高溫區窯外壁溫度達到350℃以上， 但是整體結構穩定，適合于回轉窯在室外的項目。

采用隔熱磚和耐火磚雙層結構，因為隔熱磚導熱系數低，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，節能效果好， 但是對施工要求較高， 適合于室內項目。 這里要注意隔熱磚強度一般要求大于20MPa，隔熱磚厚度設計不能低于50mm。

既要達到單層磚的穩定性，又要降低外壁溫度，可以設計復合磚，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)熱膨脹系數和燒結收縮率不同，因此，在連接處容易產(chǎn)生微裂紋，廢品率較高。

鑒于此，可以采用凹槽型復合磚設計，如圖4所示，工作層材質(zhì)不變，尾部開(kāi)槽后填充納米板等絕熱材料。 這種凹槽磚型復合磚， 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 凹槽磚型設計示意圖 另外， 部分回轉窯采用輕質(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)雙層澆注結構，可以合理控制回轉窯外壁溫度。該結構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(wèn)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 幾種回轉窯設計方案優(yōu)缺點(diǎn)。

以上幾種設計方案優(yōu)缺點(diǎn)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在新建項目回轉窯基本都是室外設計， 隨著(zhù)提產(chǎn)和環(huán)保要求，采用單層結構穩定性較好， 高溫區可以考慮凹槽復合磚方式，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℃區間，比較合理。
1.2 二燃室

二燃室主要功能是對煙氣進(jìn)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)反應同時(shí)存在，反應劇烈。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。 目前二燃室內襯設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; 這種三層結構設計， 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。該結構外壁溫度較高， 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(lái)石質(zhì)即可滿(mǎn)足使用要求，燃燒器區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， 方案一的三層結構設計穩定性好，不容易因漏氣或者串火， 導致筒體高溫腐蝕或者超溫變形而停爐檢修。

圖 5 二燃室典型耐火內襯設計
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米區域溫度較高可以采用25mm絕熱材料作為隔熱層， 內襯總厚度100mm即可。

2、典型回轉窯危廢工藝與耐火材料設計優(yōu)化建議

根據現場(chǎng)調研發(fā)現， 耐火材料損毀主要集中于回轉窯本體區域。危廢焚燒主要包括以下幾種典型處理工藝，針對此， 提出以下設計優(yōu)化建議。

1)處理含水率高物料

進(jìn)窯物料含水率高，進(jìn)料端耐火材料熱剝落嚴重，熱震穩定性好的莫來(lái)石質(zhì)、剛玉莫來(lái)石質(zhì)、剛玉碳化硅質(zhì)等耐火材料適用于此區域。

2)窯頭廢液處理量大、 霧化不好

一般窯頭通過(guò)霧化槍處理廢液，焚燒區域主要在干燥段，受設備影響如果霧化效果不好時(shí)，該區域耐火材料也會(huì )出現剝落損毀，莫來(lái)石質(zhì)、剛玉莫來(lái)石質(zhì)、剛玉碳化硅質(zhì)材料同樣適用于此。運行時(shí)，一般要增加檢查霧化設備頻次，同時(shí)廢液處理量不超過(guò)30%為宜。

3)鐵皮(桶)等硬料處理量大

鐵桶等物料硬度大，回轉窯轉速慢，物料在窯內反復旋轉造成進(jìn)料區機械磨損嚴重。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(diǎn)鹽量高的物料

物料含K、 Na鹽量大于5%以上后，熔點(diǎn)較低，容易形成高溫熔渣，對耐火材料滲透、侵蝕嚴重。出現高溫熔渣時(shí)， 高溫區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(shí)，如式(1)所示，由于F和耐火材料中Si很容易反應形成SiF4氣化，造成襯里基質(zhì)結構破壞，快速侵蝕;要嚴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(mǎn)足回轉窯正常運行需要。

SiO2 + 4HF = SiF4↑ + 2H2O (1)

3、結束語(yǔ)

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