回轉(zhuǎn)窯危險廢物焚燒爐耐火內(nèi)襯設(shè)計及優(yōu)化建議

危險廢物（以下簡稱危廢）種類繁多、成分復(fù)雜、區(qū)域差異化嚴重，處理不當會帶來一系列民生和社會問題。實踐證明，高溫焚燒是危廢安全處置和減容化的有效途徑，其中回轉(zhuǎn)窯焚燒工藝是危廢處理中最有效的處置工藝之一，具有處理危廢種類多、處理量大等優(yōu)點。我國自20世紀90年代，逐步開始使用回轉(zhuǎn)窯焚燒系統(tǒng)處理危廢。近年來，因耐火材料損毀導(dǎo)致的停窯事故多有發(fā)生，嚴重影響了危廢焚燒生產(chǎn)線的穩(wěn)定運轉(zhuǎn)率，對回轉(zhuǎn)窯危廢焚燒爐耐火內(nèi)襯設(shè)計優(yōu)化以及高效運行等提出了迫切需求。

1、我國危險廢物無害化處置現(xiàn)狀

我國的危廢處置從1990年開始起步，到1996年初步形成相關(guān)管理體系， 直至2008年才形成《國家危廢名錄》， 2013年，兩高司法解釋，“非法排放、 傾倒、處理3噸以上危廢將入刑”，被視為我國危廢處理行業(yè)啟動的關(guān)鍵點。2016年上半年，《土壤污染防治行動計劃》、《國家危險廢物名錄(2016年版)》等危廢處理相關(guān)專項規(guī)劃的相繼頒布實施，2017年，《“十三五”全國危險廢物規(guī)范化管理督查考核工作方案》頒布， 2018年，生態(tài)環(huán)境部開展“清廢行動2018”計劃、工信部開展長江經(jīng)濟帶工業(yè)綠色發(fā)展行動，2019年11月12日，生態(tài)環(huán)境部辦公廳發(fā)布《危險廢物焚燒污染控制標準（二次征求意見稿）》， 2020年3月10日，國家標準《固體廢物玻璃化處理產(chǎn)物技術(shù)要求（征求意見稿）》公開征求意見等，均讓危廢處理行業(yè)發(fā)展提速，進一步催化危廢處理行業(yè)發(fā)展機遇。

隨著工業(yè)的發(fā)展，生產(chǎn)過程排放的危廢日益增多。2016年， 214個大、 中城市工業(yè)危廢產(chǎn)生量達3344.6萬噸，其中，工業(yè)危廢綜合利用量占利用處置總量的45.3%，處置、貯存分別占比43.8%和10.9%，有效地利用和處置是處理工業(yè)危廢的主要途徑。2018年， 200個大、中城市工業(yè)危廢產(chǎn)生量達4643.0萬噸，預(yù)計2020年因為疫情原因，危廢將增至近1億噸。

2、 我國危廢焚燒技術(shù)

實踐證明，回轉(zhuǎn)窯或水泥窯焚燒處理技術(shù)可以處理固體、液體和氣體狀態(tài)的工業(yè)危廢，是當今處理危廢最為廣泛的處置技術(shù)。

截至2019年7月，我國已取得危廢經(jīng)營許可證的水泥窯協(xié)同處置項目75個（不包含港澳臺地區(qū)），核準規(guī)模462.52萬噸。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，典型入料方式如下圖所示。

圖注：水泥窯協(xié)同處理危廢系統(tǒng)

（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）

與傳統(tǒng)填埋、焚燒的處理方式相比，水泥窯協(xié)同處置廢棄物有著明顯的優(yōu)勢，但由于起步晚，技術(shù)、運營、監(jiān)管等多方面的體系構(gòu)建尚不健全。由于水泥工藝和產(chǎn)品質(zhì)量管控日趨嚴格，很多危廢禁止在水泥窯中協(xié)同處置，而且協(xié)同危廢處理后對運營工況、煙氣成分、物料組份都造成很大變化和波動，加劇了水泥窯筒體腐蝕和系統(tǒng)內(nèi)結(jié)圈或者結(jié)皮，縮短了耐火材料使用壽命，嚴重影響了水泥窯長周期穩(wěn)定運行。

回轉(zhuǎn)窯焚燒爐是專業(yè)危廢焚燒裝置，如下圖所示，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，最后殘留部分淬冷成灰渣。

圖注：回轉(zhuǎn)窯焚燒爐系統(tǒng)

（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）

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�；剞D(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)保要求日趨嚴格形勢下，專業(yè)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，其中專業(yè)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。

3 、回轉(zhuǎn)窯危廢焚燒爐耐火內(nèi)襯設(shè)計

1） 回轉(zhuǎn)窯本體

回轉(zhuǎn)窯焚燒爐最關(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)，如下圖所示�；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。

圖片圖注：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，如下圖所示，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。

圖注：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。

表注：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。現(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。

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，如圖所示：

圖注：二燃室典型耐火內(nèi)襯設(shè)計

（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。

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。

4 、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)

5 、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。隨著國家對危廢的監(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。