浅谈回转窑危险废物焚烧系统的优化
随着国名经济的迅猛发展，工业垃圾和生活垃圾成倍增加，它们带来的危害已成为不可忽视的生态环境问题。我国对危险废物集中处置设施建设相对滞后, 大部分危险废物处于低水平综合利用、简单贮存或直接排放状态。据不完全统计，,我国城市生活垃圾已达115 亿吨/ 年,人均日产量1～2kg/ 人·日,正以8 %～10 %的速度增长,占地约5 亿m2 ,由于处理量< 50 % ,垃圾逐年累计增加。工业垃圾约为生活垃圾的10～11 倍，,到1995 年累计量已有6614 亿吨。值得注意的是生活垃圾中的医院垃圾,其增长和累计增长速度也是惊人的。
面对这一严峻形势, 我国对危险废物集中处置制定如下规划目标: 2003 年, 建设一批前期基础好具有示范作用的危险废物和医疗废物集中处置工程。2004 年, 建设设区城市的医疗废物集中处置工程和其他危险废物处置工程。2005 年, 全国所有地区(行署、自治州) 建成医疗废物集中处置设施, 边远县(旗) 因地制宜建设医疗废物安全处置工程。根据这一规划目标, 处理危险废物成为了目前普遍研究的问题。
采用焚烧法处理生活垃圾是工业发达国家广泛采用并行之有效的方法。实践证明,焚烧法能够最大限度实现城市生活垃圾的减量化、无害化、资源化,而且具有占用土地资源最少的优点。回转窑是焚烧法中应用最多的一种炉型，该炉型技术成熟，操作简单灵活，广泛用于焚烧各种类型固体、半固体和液体废弃物，尤其适用于焚烧含水率较高、难处理工业废弃物及危险废弃物，它以处理量大、有害成分破除率高和设备简单可长期连续运转等特点，而被各国内外广泛应用[[1]]。联系我国当前危险废物处置的具体情况, 政府鼓励地方优先采用回转窑焚烧技术[2]。
1 回转窑式危险废物焚烧系统
1.1焚烧特性
(1) 焚烧炉温度：≥1100℃；
(2) 烟气停留时间：≥2s；
(3) 焚烧效率：≥99.9%；
(4) 焚毁去除率：≥99.99%
(5) 焚烧残渣的热灼减率：<5%。
1.2处理对象
回转窑式焚烧系统能焚烧各种垃圾，包括医院垃圾、危险品、混合垃圾等;垃圾的状态可以为固态，液态，半固态,浆状及气态，我公司处理的的危险废物种类分布统计结果见表1。
表1 危险废物分类 单位：t/a
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1.3焚烧法处理危险废物的工艺流程
(1)基本工艺流程框图
以某项目为例，工艺系统总体流程如图1所示。
(2)废物处理流程说明
1)运输贮存：危险废物利用专用容器及车辆集中收集运输进场，经检测、验证、计量后，需焚烧处理的危废和经过预处理后需焚烧的危废用专用容器和车辆运入暂存间内，卸入储料池和储料罐内。
2) 破碎预处理系统：主要处理不能直接焚烧的危险废物，对危险废物进行破碎（进料粒度要求不大于200mm），使之满足焚烧进料的要求。
3) 废物焚烧：采用旋转窑型焚烧炉技术焚烧处理、经过二燃室高温处理后的烟气则先经余热利用和降温、净化后达标排放。产生的残渣送填埋场直接填埋，飞灰经稳定固化填埋。
4) 医废收运车辆和周转箱消毒和清洗；每次运送完毕，均在厂内对运车辆和周转箱进行消毒、清洗。清洗污水收集入污水消毒处理设施。
5) 废气罐每次焚烧完成后，循环使用。
6) 飞灰处理：将余热锅炉、急冷脱酸、烟气净化产生的飞灰经过稳定固化处理后，送填埋场填埋。
7) 焚烧残渣：回转窑焚烧残渣送填埋场，经鉴别合格后，进行封闭填埋。二燃室、沉降室产生的飞灰经过高温处理，经鉴别合格后，进行封闭填埋，降低运行成本。
2回转窑焚烧系统的技术特点及存在的问题
2.1技术特点
(1)对垃圾的适应范围广
回转窑式焚烧炉可以分别接受固体及液体进料; 可以处理各种不同形状的固体、液体废物; 可以处理熔点低的物质; 可以将桶装或大型块状固体废物直接送入窑内处理; 通过自动调节炉体的回转速度, 进风量及进料量来控制垃圾的燃烧情况, 因此对物理成分不同的垃圾具有很强的适应性, 可以承受垃圾形态(粘度, 水分, 粒径) 热燃值、进料量等条件变化的冲击[2]。
(2)运行可靠
由于回转窑炉体与炉膛结构的独特设计且内部无运动部件, 加上耐高温材料的使用, 因此, 不存在磨损和高温损坏零部件的问题, 可长期连续运行。
(3)运行和维修费用底
由于设备结构可靠, 炉膛内部无运动机械, 因此制造及维修费用较低, 与其它炉型相比运动功率小,噪音低且比较节能, 炉膛内耐火砖炉衬定期维修约每年一次, 平时只需对炉外的动力部分进行日常维护便可。
(4)自动化程度高
除自动化程度很高的自动监控系统外, 还配有手动控制做备份, 并配置监视器, 可在控制室内对运行情况进行监控。在运行过程中计算机自动调节推料器频率, 以控制垃圾进料量, 调节炉体转速, 以控制垃圾在炉中的停留时间(0.5～1h ) , 调节进风量和燃烧器的启闭, 以控制燃烧温度。通过计算机对执行机构的动态控制, 达到最佳的焚烧效果。自动化程度高, 工人劳动强度低。
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图1 工艺流程
2.2存在的问题
(1)烟气中含尘量高
回转窑式炉由于炉内物料在炉体旋转作用下不停翻滚与强湍流烟气接触, 在物料得到充分燃烧的同时, 容易导致烟气中粉尘含量偏高。
(2)热效率低
为保证垃圾能够充分燃烧, 系统对过剩空气需求量高, 这时在负压的作用下, 窑内有大量的热量将被带走, 热效率底。
(3)窑头部位可能泄露窑内烟气
回转窑的进料口在窑头部位, 在进料过程进料口可能泄露窑内燃烧产生的烟气, 如何避免这一问题, 关键是设计和运行回转窑及二次燃烧要控制在负压约0. 5kPa, 以免有毒的未完全燃烧气体逸出炉外, 由于负压必需严格回转窑的气密度, 气密度不佳易造成大量空气的吸入, 这样便难以维持炉内适当的温度, 这是技术的关键。
(4)尾部易形成熔渣
由于医疗垃圾当中的玻璃制品含量较高, 在回转窑的高温焚烧过程中, 玻璃易结成大块熔渣, 堵塞窑尾的出灰口。解决这一问题，需要深入研究垃圾的结渣机理，制定合理的焚烧方案, 消除大块熔渣的形成条件。
3回转窑焚烧系统的优化
3.1危险废物焚烧结焦原理和防止措施
(1)危险废物焚烧结焦原理
由于危险废物成分复杂，含盐和玻璃等低熔点的物质，在焚烧过程中形成熔融和半熔融状态。
危险废物焚烧内壁面的积灰、结渣是一种普遍现象，在炉膛内火焰中心处的温度高，燃料中的灰分大多呈熔化状态，结渣主要由熔化或部分熔化的颗粒碰撞在熔融的沉淀物形式出现在内表面上。造成结渣的主要原因是灰份的成份及其熔点。废物焚烧形成结渣由于灰层的形成和惰性气体的比例增加、氧化剂穿透灰层进入物料深部与可燃物进行反应也愈困难,整个反应减弱。温度比焚烧段有所下降，这就是燃尽阶段的到来，直到整个剩余可燃质烧尽[3]。
焚烧炉膛火中心温度一般可达1000℃，燃料中的灰份大多呈熔化状态，而四周壁附近烟温较低，如果烟气中携带的灰粒在接触壁面时仍呈熔化或粘性状态，则会逐渐粘附在管壁上形成紧密的灰渣层。焚烧炉结焦由许多复杂的因素引起，如炉内空气动力场、炉型、燃烧器布置方式及结构特性，废物的尺寸等都将影响炉内结焦状况。保证空气和燃料的良好混合，避免在内壁附近形成还原性气氛，合理而良好的炉内空气动力工况是防止锅炉内结的前提。
了解低熔盐等生成的特点，对于控制低熔盐粘结形成的结焦是十分重要。一般可以通过对废物的元素分析来判定废物的灰渣特性。在焚烧处理废物的过程盐类物质由于和其它元素的化合分解成份会被改变，它们会和其他组份重新结合成新的组份。
一个典型的例子是碱性成分(钠、钾)和卤化物(氯、氟)的结合。需要处理的废物中大多都含有氯或氟，当处理的其他废物中含有钠或钾时，低熔盐就会形成。典型的钠盐(NaCl)，单一成份的熔点是800℃。通过化学结合钠和氯时它会变得非常粘稠，它会发生自身粘结并粘附其它物质。一个大的块状物或长圆状物一旦形成，就会粘结更多的其它物质。这些粘状物在它完全被覆盖前可能得不到充分的焚烧分解。它们落到灰渣处理系统，会发生阻塞。
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灰渣的熔点还与其盐类组份的比例有关。如氯化钠和硫酸钠组合物的熔点低于纯盐的熔点；当两者的比例接近60/40时为最低。
(2)回转窑防焦和除焦
回转窑的尾部结渣如下图所示。防止结渣的措施是选用高效的密封材料。此类结渣的处理是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。
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图2 NaCl- Na2SO4系统熔点
1) 防止低熔盐的结焦措施
主要办法是控制废物的进料和控制焚烧炉的燃烧温度。
进料时将钠钾盐分的废物和卤素含量高废物安排在不同的时间段进行焚烧。
对于含盐量较高的废物采取与其他废物搭配，掺入溶点高的物质如石灰等。
控制焚烧温度，合理供风。
选择防挂壁的耐火砖。
密封采用国外技术，减少漏风，防止烟温降低而导致结焦。
2) 对已经结焦的措施
如果观察到窑内出现低熔盐结焦时，可以适当降低回转窑燃烧温度。待低熔盐顺利焚烧进入出渣系统后将窑内温度调整到正常运行温度。
在窑尾设燃气燃烧器，对于已经结焦的物质采用高温融化的方法使其熔化排除。
对于上述方式不能清除的结焦采用水炮或电钻清除结焦。
3.2污染物控制工艺优化
随着对环境质量要求的不断提高，对二噁英及其他污染物的排放浓度要求也越来越高，故应该全面提高尾气处理系统水平。
我公司对焚烧处置系统工艺路线进行了优化，整个处理系统按照欧盟2000/76/EC进行设计，采取以下措施控制二噁英，重金属等物质，确保焚烧系统尾气达标排放。
(1)物料分类存放，科学配伍。废物进场经检验，验收，计量后，按照其物性分类存放,分别进入固体存放区，半固体存放区，高热值废液罐，低热值废液罐，临时废液罐。废物入炉前，需依其成份、热值等参数进行搭配，对于酸性物质和重金属类物质应控制单次进料的数量，尽可能保障焚烧系统稳定运行，降低焚烧残渣的热灼减率。
(2)余热锅炉设脱硝反应室。在高温环境及氧的作用下, 通过雾化泵将浓度为3-5%的尿素CO(NH2)2溶液提升进入喷嘴，靠空气压力雾化喷入脱硝反应室内,烟气在喷嘴下方区域与雾化的尿素溶液充分混合,烟气中NOX组分在O2的存在下与CO(NH2)2发生还原反应,于此同时尿素溶液水分全部被烟气汽化，被烟气带走，在CO(NH2)2与NOX的比例在2：1时，NOX的还原效率在50%左右。多余的尿素转化为氨，经活性炭吸附，在低温段进一步与NOX发生还原反应，可大大减少NOX的排放浓度。
(3)除酸采用干法和湿法两级脱酸相结合，提高除酸效果。采用干法增湿脱酸，急冷塔出口烟道中设文丘里装置，向内加入脱硫剂石灰粉，在Ca/S为1-1.5时，能达到90-97%的脱酸效率。用湿法洗涤脱酸处理烟气，进一步提高处理效果，湿法洗涤作为干法脱酸的补充，确保烟污染物的达标排放，同时由于焚烧物中含有氟利昂，该物质焚烧后生成光气，造成二次污染，采用碱液湿法洗涤，是吸收光气的最有效方法。
采用活性碳吸附和布袋除尘器高效去除重金属以及残留的微量二噁英。烟气管道上设置活性炭喷射装置，活性炭具有极大的比表面积和极强的吸附能力，与烟气充分混合，吸附烟气中的污染物质。布袋除尘器选用进口PTFE滤料+PTFE腹膜材质，将烟气中的粉尘截留在膜的表面。活性碳喷射＋滤袋式除尘器过滤的工艺组合去除效率可达99.9%，确保尾气达标排放。
4 结 论
回转窑作为危险废物处理系统的主要焚烧设备，具有设备简单、运行可靠、物料适应范围广和投资小等优点，在危废处理领域得到广泛的应用。但目前实际工程中还存在燃烧不充分、窑尾结渣、密封不严，脱硫效率低等工程问题。
(1) 详细介绍了回转窑焚烧系统的各部分组成及工艺。
(2) 分析了回转窑焚烧系统在危险废物焚烧领域的优势，以及燃烧不充分、窑尾结渣、密封不严，脱硫效率低等一些工程问题。
(3) 对回转窑的结渣机理进行了深入研究，提出了一套切实可行的除焦和防焦措施，提高了回转窑系统的稳定性。
(4) 对于脱硫系统的若干优化，使整个处理系统污染物排放水平达到欧盟2000/76/EC标准。
参考文献
[[1]] R. Clyde, E. Demp sey, T imo thy Oppelt, Incineration of Hazardous W aste: A Critical Review Update, A ir and W aste,1994, 43: 25～ 73
[2] 聂永丰．三废处理工程技术手册固态废弃物卷[M]．北京：化学工业出版社,2000: 335．
[3] J. 塞克利, J. W. 埃文斯, H. Y. 索恩. 胡道和译. 气——固反应. 北京: 中国建筑工业出版社, 1986.
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