危废焚烧系统中的回转窑及其熔渣管理

李谈教

上海泓济环保科技股份有限公司 （上海 200433）

固体废物的分类方法有很多种:按其组成可分为有机废物和无机废物；按其形态可分为固态废物、半固态废物和液态（气态）废物；按其污染特性可分为危险废物和一般废物等。根据《中华人民共和国固体废物污染环境防治法》，固体废物可分为城市生活垃圾、工业固体废物和危险废物[1]。其中规定：危险废物是指列入国家危险废物名录或者根据国家规定的危险废物鉴别标准和鉴别方法认定的具有危险特性的固体废物。危险废物的特性通常包括急性毒性、易燃性、反应性、腐蚀性、浸出毒性和疾病传染性。

随着国内经济的快速发展和工业化水平的提高，工业固体废物的产量也呈现出迅速增加的态势。堆积存放和每年新产生的大量工业固体废物正在越来越多地侵占我国宝贵的土地资源，且在不同程度上污染了当地的土壤、水体和大气，严重影响并危害着人类的生存环境。目前，我国危险废物产量呈逐年增长态势。前瞻产业研究院数据显示，2015年，我国的危险废物产量达4 220万t，并预期会以12.0%的复合年增长率由2016年的4 850万t增加至2020年的7 620万t。值得注意的是，实际危废产量可能大大高于统计的数值，据估算，当前危险废物的实际产量已经达6 000万～10 000万t/a。

科学合理地处置危险废物已刻不容缓。1996年4月1日起实施的 《中华人民共和国固体废物污染环境防治法》确立了固体废物污染防治的“三化”[2]原则，即固体废物污染防治的“减量化、资源化、无害化”原则。

目前，采取焚烧的方式来处置危险废物已得到国内外的一致认同。世界上发达国家利用水泥窑焚烧危险废物、垃圾已有20余年的历史，焚烧不仅使废物减量化、无害化，而且将废物作为燃料利用，节省燃料，实现了废物的资源化。采用焚烧法处置危险废物，回转窑和二次燃烧室的组合是彻底焚毁危险废物中有毒有害物质的核心设备。

1 回转窑的主要组成部件及其作用

回转窑主要由前墙、筒体、前后托轮组、驱动装置、密封装置等组成，详见图1。

图1 推杆喂料器+回转窑+二燃室+出渣机

（1）回转窑前墙

回转窑前墙的主要作用是布置回转窑燃烧器、固废进料口、废液雾化喷枪、废气进气管道、点火枪、火焰探测器等，并密封回转窑前端。

回转窑是一种适应性很强的焚烧炉，在处理危废时，对废物的物理形态、详细组分等要求不高，固体、液体、胶状物质、气体都可以在其内进行焚烧处理。目前，在回转窑危废处置系统中，固体危废、胶状物质或废液残渣的进料方式大体有SMP（破碎+混合+泵送）进料系统和推杆喂料器两种。

SMP进料系统的主要结构如图2所示。

图2 SMP进料系统

SMP进料系统的主要工作流程是：用吨袋包装的固体或半固体，用吨箱、铁桶或塑料桶包装的废液残渣等通过上料提升机被提升至密封仓，密封仓门打开，驱动包装废料由上料提升机进入密封仓，接着密封仓门关闭并充氮保护；靠近破碎仓处的密封门打开，驱动包装废料由密封仓进入破碎仓并掉入破碎机内进行破碎，将包装废料或铁桶等破碎成尺寸小于200 mm×80 mm的片状小物料；破碎后的物料在自重作用下掉进位于破碎机正下方的混合器，混合器中设有搅拌器，可将其内的物料搅拌混合均匀，然后通过柱塞泵泵送至回转窑内进行焚烧处理。

推杆喂料器的主要结构详见图1。推杆喂料器的作用主要是将一些小包装物料或者已被破碎好的散装物料（由抓斗抓取）推入回转窑内进行焚烧。推杆和喂料器主要由下料槽、双闸板阀和液压推料器组成。推杆和喂料器的主要工作流程是：将包袋物料或者抓斗由料坑抓取的已被破碎好的物料放进进料斗，物料靠自重掉在处于关闭状态的双闸阀上，上面的闸阀先打开，物料掉入下面处于关闭的闸阀上后，上闸阀关闭，接着下面的闸阀打开，物料掉入进料溜槽，这时液压推料器向前推进将物料推入回转窑内进行焚烧处理。

另外，废液或废水等流动性能好的液体主要通过布置在回转窑前墙或燃烧器上的雾化喷枪雾化成细小的颗粒，使其可在回转窑内迅速完全焚烧。废气主要在离心风机的作用下经风管进入回转窑内进行焚烧处理。

（2）回转窑筒体

回转窑筒体主要由钢板卷制并焊接而成，内衬耐火材料，是危废物料升温、干燥、着火、燃烧、燃尽的主要场所。窑筒体一般倾斜地安装在前后2对托轮上，与水平面的夹角为2°～5°（需根据物料特性及回转窑的运行模式综合选择合适的倾角）。沿窑筒体长度方向上套有2个矩形轮带，它们主要承受窑筒体、密封、物料等回转窑的所有重量，并将其传递到托轮装置上。窑筒体的尾端设有护板和风冷套筒，前端设有专用风机对窑口进行冷却。另外，筒体上还设有大齿圈装置，主要与回转窑驱动装置啮合工作。

（3）回转窑前后托轮组

回转窑前后托轮组主要承受窑筒体的全部重量，并对窑筒体起定位限位作用，使其能安全平稳地运转。前后托轮组为调心式滚动轴承结构，其结构紧凑，重量轻，并配置有水冷装置来降低轴承温度，运行可靠，适应性强。

（4）回转窑驱动装置

驱动装置一般由主电机、辅助电机、抱闸电机、联轴器、齿轮箱、传动轴、小齿轮等组成，作用是给回转窑提供动力使其旋转。正常工作时，一般采用主电机进行驱动，但在系统突然断电或主电机故障时，才使用辅助电机给回转窑提供动力。

（5） 密封装置

回转窑前端和尾端都设有密封装置，主要作用是在回转窑运行过程中避免外界空气进入回转窑内而扰乱回转窑内的物料平衡，保证回转窑的安全平稳运行。[3]回转窑的密封通常有以下几种：石墨密封、鱼鳞片密封、气缸式密封、迷宫式密封和挡板式密封。危废处理行业中以石墨密封和鱼鳞片密封为主。

另外，一般在回转窑的窑尾会设置一个二次燃烧室，其内衬有耐火材料，顶部设有紧急排放口，上部设置有独立的燃烧器，用于继续升高温度，使烟气温度高于1100℃[4]，确保在回转窑内未充分焚烧摧毁的有机废气在二次燃烧室内彻底被焚烧。同时，在回转窑尾端、二次燃烧室下部，通常会设置一个湿式出渣机，主要通过水冷的方式来冷却从回转窑尾部掉下的高温灰渣或二次燃烧室内靠自重掉落的高温颗粒物质，并对二次燃烧室下部起水封作用，防止外界空气进入焚烧系统。水冷过后的灰渣将通过刮板刮出并被收集到灰渣箱内。

2 危废焚烧系统中回转窑的运行模式

回转窑依据其内灰渣物态及温度范围，可分为灰渣式[5]和熔渣式[5]两种。一般可根据待处理废物的特性以及对产生的固体燃烧残渣的期望形式和质量，选择回转窑的运行模式。

灰渣式回转窑的操作温度通常低于900℃，危险废物通过燃烧被摧毁，窑内固体尚未熔融，窑尾排出的主要是灰渣，冷却后的灰渣松散性较好。但由于炉膛温度不高，危险废物对回转窑耐火材料的高温侵蚀不强，同等条件下耐火材料的使用寿命比熔渣式回转窑要长，但窑内易发生结渣块现象，灰渣中有害物质残留较多。

熔渣式回转窑的运行温度一般控制在1100℃以上；但对于综合性危废焚烧处置场，由于处理对象多且成分复杂，一些危险废物（盐类）熔点较低，在800～900℃之间开始熔化，也有一些危险废物熔点在1300～1450℃之间，因此该类型焚烧炉的温度控制较难，对操作要求较高。由于熔渣式回转窑炉膛温度较高，辅助燃料消耗较多，对耐火材料的要求高，因此成本较高。如果操作不当，窑内会出现挂壁等现象。另外，实验证明，温度提高，危险废物重金属挥发量增多，回转窑烟气中的重金属含量明显高于灰渣式回转窑，大大增加了烟气净化的负担。熔渣窑热灼减率低、焚烧彻底，这是其最大的优点。废物中的惰性物质除高熔点的金属及其化合物外，直接在窑内熔融，焚烧较完全。还应注意的是，熔渣窑可以在给定时间内以回转窑的模式运行，前提是所进废料和其他条件有利于该模式，但设计用于灰渣式的回转窑不能可靠地在熔渣模式下运行。

3 回转窑的“区域”划分

危险废物焚烧厂回转窑的运行一般是通过平衡温度、固体废物与液体废物的进料速率和转速来实现的。这种平衡的结果是在窑内执行3个基本任务:干燥和点火、燃烧以及燃尽。这3个任务都是在不同“区域”沿回转窑完成的。根据具体的操作情况，每个区域的长度可能会有所不同。

（1）干燥和点火区域

在第一个区域，即在回转窑的进料端，材料被烘干并点燃。高含水量的废料通过在燃烧器中燃烧废液或辅助燃料来进行干燥，以蒸发掉水分。一旦完成干燥，废料中的有机物质(如果有的话)就会开始燃烧。对于含水量高的固体来说，废料完成干燥并开始燃烧的地方，标志着第一个和第二个区域之间的过渡。如果在熔渣模式下操作，第一区域也用于启动熔化过程。固体通常作为离散颗粒存在于进料区域中，并且当它们通过第一区域时将开始熔化。在熔渣模式中，除了上面提到的其他区域转变指标之外，几乎所有固体已经达到熔融状态的点是第一和第二窑区之间过渡的另一个指标。

（2） 燃烧区域

在燃烧区域，允许危险废物中的有机物燃烧。在加热、干燥和（或）挥发性组分的强烈初始燃烧之后，允许废物在窑的中部区域处燃烧。通常，会有可见火焰出现，或者可见的光晕会持续存在。当废料中有机物耗尽时，火焰或发光最终会消失。当发生这种情况时，可以认为是窑中第二和第三个区域之间的过渡。

（3） 燃尽区域

在火焰或发光材料下沉之后，通常残留的碳或非常不易挥发的有机物残留在固体材料中。在第三个区域，温度升高并可提供额外的停留时间，且有足够的氧气，可以让这些材料在被排放到出渣机之前“浸泡”在富氧环境中，使其释放并且燃尽剩余的污染物。

4 回转窑的区域管理

理想情况下，每个区域沿窑的长度方向控制在大约相等的三分之一长度范围内。在实践中，焚烧某些废物时可能无法实现，或者可能需要进行修改以实现处理目标。对于操作员来说，最有效的方法就是目视观察废料的进料情况及其在回转窑内翻滚燃尽后被排放至出渣机的状况，目视检查灰渣收集箱中的灰渣，或通过安装在二次燃烧室下部、正对回转窑出口处的耐高温摄像机和视孔观察物料在窑内的翻滚燃烧状态，以及时调整回转窑的进料速率、助燃风量、温度和窑的转速等，来管理回转窑内各个区域及熔渣的情况。

5 回转窑的熔渣管理

虽然根据废料的种类，熔渣窑比灰渣窑性能优越，但是许多可能影响灰渣窑的潜在问题也可能成为熔渣窑的问题，熔渣窑的设计和操作只是为了尽量减少这些影响，仅回转窑的工作温度不是影响熔渣操作的因素。为了消除由结块或结环引起的潜在问题，在持续运营期间，对窑炉中的熔渣进行管理非常重要。熔渣窑必须始终如一地产生熔融态液体，该液体具有所需的流动特性（不应太厚或太薄），并且对于耐火材料不具有过度侵蚀性。尽管已提前给回转窑做好了玻璃保护层以承受大部分熔渣侵蚀，但是保护耐火材料以延长其使用寿命的最佳方式还是控制熔渣的化学性质。

玻璃和熔渣的化学性质非常复杂，且随着进料种类的不同会随时发生改变，难以控制，因此在大多数情况下，只要保持焚烧炉的清洁和高效运行即可。为了达到该目的，危废焚烧行业中对回转窑的熔渣管理有2个主要目标：（1）保持回转窑内壁不会出现结环或结块，维持熔渣在窑内运动的畅通性；（2）保护耐火材料免受化学侵蚀、机械磨损和热冲击。

可通过如下手段来实现熔渣的管理目标，以确保熔渣式回转窑能够长期、安全、平稳地运行：（1）在耐火砖表面建立玻璃基质的窑皮；（2）观察窑内焚烧状况，调节温度、废料进料和添加剂，以减小对耐火材料表面的保护层的影响，并保持熔渣均匀地流动；（3）观察出渣机排出的渣子，确认其尺寸和形状是否相对一致。

6 结语

要实现工业垃圾的无害化、减量化、资源化，焚烧是一种比较可靠和有效的手段。对于危险废弃物焚烧这个特定的领域，回转窑对品类繁多、组成复杂的工业危险垃圾、医疗垃圾具有很强的适应性，且运行稳定可靠、管理操作方便、设备维修简单，因此在国际危险废弃物焚烧领域中应用广泛，未来，其在国内危废处置行业中也会有很大的发展空间并发挥巨大的作用。