逆流式回轉窯危險廢物焚燒處置工藝影響因素的探討

張建平 馬翠翠

中國光大綠色環保有限公司 （江蘇蘇州 215101）

焚燒法是一種高溫熱處理技術，即以一定的過量空氣與被處理的有機廢物在焚燒爐內進行氧化燃燒反應，廢物中的有害有毒物質在高溫下氧化、熱解而被破壞，是一種可同時實現廢物無害化、減量化、資源化的處理技術[1]。經過20多年的發展和完善，國外用于處理危險廢物的焚燒技術已比較成熟。用于焚燒危險廢物的焚燒爐類型也多樣化，主要的類型有：回轉窯焚燒爐、熱解爐、流化床焚燒爐、多層焚燒爐和液體噴射焚燒爐。其中，回轉窯焚燒爐是目前用于危廢焚燒的主流爐型，根據危險廢物進料方向與回轉窯內煙氣的走向可分為順流式回轉窯和逆流式回轉窯。目前，絕大多數的回轉窯焚燒爐為順流式，主要原因是進料、進風及輔助燃燒器的布置簡便，操作維護方便，有利于廢物的進料及前置處理，但是存在氣、固混合不充分，熱傳導率低，濕度較大、可燃性較低的危險廢物的處置成本較高，工藝操作難度大，容易結焦，耐火材料腐蝕嚴重等問題[2]。在焚燒過程中，逆流式的設計可提供較佳的氣、固混合及接觸，且其熱傳導效率高，可提高燃燒率、降低處置成本、有效解決結焦問題。逆流式回轉窯已在馬來西亞等國得到很好的應用，性能測試和運營都達到比較滿意的效果。為更好地實現危廢焚燒處置無害化，現國內開始引進逆流式回轉窯焚燒工藝。

1 逆流式回轉窯焚燒工藝機理

逆流式回轉窯的物料與煙氣的流動方向相反。危險廢棄物由上料系統推入窯頭，一次風由窯尾進入。物料與窯頭溫度高、氧含量低的煙氣接觸，發生缺氧燃燒，產生的可燃氣體進入窯頭上部的二燃室。物料在窯頭發生缺氧燃燒后，在自身重力及窯的旋轉作用下向窯尾移動，與窯尾溫度低、氧含量高的一次風進行充分接觸，使窯尾灰渣燃盡，保證其熱灼減率合格。窯頭的可燃氣體進入二燃室進一步燃燒，較高的煙氣流速與特殊的煙道設計提高了煙氣的湍流度，從而保證煙氣的完全燃燒。當入爐廢料的熱值存在波動時，控制系統會自動啟動主燃燒器或輔助燃燒器，保證回轉窯和二燃室溫度達到要求。煙氣凈化采用二燃室+余熱鍋爐+急冷+活性炭噴入+小蘇打噴入+布袋除塵器+濕法脫酸的工藝。逆流式回轉窯焚燒工藝的具體流程見圖1。

2 逆流式回轉窯工藝控制的影響因素

危險廢物的焚燒過程非常復雜，受到很多因素和參數的影響，主要的控制參數有4個：焚燒溫度、湍流度、停留時間、過量空氣，稱為“3T+E”工藝原則。另外，隨著人們對回轉窯焚燒技術的不斷摸索和探討，發現物料特性也是比較重要的影響因素，其作用甚至比“3T+E”工藝原則的影響還要大。在本文中，物料特性主要從有害組分、揮發分含量、危險廢物形態和固定碳含量等方面進行闡述。

2.1“3T+E”工藝原則對逆流式回轉窯焚燒的影響

燃燒過程中，“3T+E”原則可實現物料的完全燃燒，確保危險廢物中有害組分充分分解，從而在源頭上控制酸性氣體、有害氣體(二噁英類等)的生成，全面控制煙氣排放的二次污染。“3T+E”工藝調節控制無論是對順流式回轉窯還是逆流式回轉窯都具有舉足輕重的影響。

（1）溫度

逆流式回轉窯溫度包含窯頭固定端溫度和窯體內的溫度。從進料系統進入回轉窯內的危險廢物在固定端進行水分蒸發、揮發分析出和初步分解，并在窯頭負壓作用下被吸入二燃室內進一步氧化分解和燃燒。如果窯頭固定端溫度（一般為850～1 050℃）過低，則會造成危險廢物揮發分不能充分揮發，從而導致窯體負荷增加并加快窯體耐火材料的腐蝕，也會間接造成危險廢物爐渣熱灼減率的不合格；而固定端溫度過高，則極易造成固定端結焦和固定端耐火材料壽命縮短，尤其是在加入含水率較高的危險廢物時。如果窯體溫度過低，固定碳含量高的危險廢物則不能充分燃燒，造成窯尾爐渣熱灼減率不合格；窯體溫度過高，對逆流式回轉窯來說需要開啟主燃燒器來提高回轉窯窯體溫度，這樣會增加運行成本，降低危險廢物焚燒處置的經濟效益。

（2）停留時間

時間是指廢物暴露在焚燒溫度下的時間和煙氣流經整個焚燒爐爐膛的時間，包括煙氣在二燃室內的停留時間（不少于2 s）。為了保證危險廢物的破壞率，停留時間必須足夠長，從而使最難于反應的危險廢物也能夠被有效破壞。在其他工藝相同的情況下，物料停留時間越長，危險廢物燃燒越充分；若停留時間過短，則會造成危險廢物的不完全燃燒，導致爐渣熱灼減率和煙氣在線監測指標不合格。

圖1 逆流式回轉窯危險廢物焚燒處置圖

（3）湍流度

湍流度即危險廢物在爐膛內被攪動的程度。送入爐膛中的危險廢物必須同氧氣充分接觸才能在高溫下全部快速高效地氧化，這就要求危險廢物在爐膛內有合適的湍流度；爐膛內危險廢物的湍流度與回轉窯的轉速息息相關，在某種程度上可通過調節窯體的轉速來實現。在實際的工藝調整中，湍流度并不是越大越好，也不是越小越好，而是根據回轉窯的具體設計值及物料在窯體內翻轉的狀態來決定。合適的湍流度可以使物料更充分地與氧氣接觸并被充分燃燒氧化；湍流度選擇不好，則會影響物料在窯體內的燃燒氧化程度及危險廢物的處置量。

（4）過剩空氣系數

廢物燃燒所需空氣由理論空氣量和過剩空氣量兩部分組成，理論空氣量和過剩空氣量的和與理論空氣量的比值即為過剩空氣系數。過剩空氣量的多少直接影響煙氣中剩余的氧含量。過剩空氣多可提高燃燒速率和燒凈率，但需增加輔助燃料及鼓風量，擴大系統的煙處理能力及引風量，經濟性較差。反之，則燃燒不完全，甚至產生黑煙，物料中有害物質分解不徹底。在逆流式回轉窯的工藝控制中，一般將過剩空氣系數設定在1.6～1.7之間。

實際上，僅改變其中一種因素來提高焚燒效率的作用是有限的，且對降低焚燒處置成本不利。在逆流式回轉窯系統工藝控制過程中，這四者是相互制約、相互作用的，如：進入回轉窯的一批危險廢物固定碳含量較高，這時只開啟燃燒器提高溫度是不夠的，還要適當增大過剩空氣系數并降低回轉窯的轉速，以保證廢料在燃燒過程中有充足的氧氣和足夠的時間實現完全燃燒。總之，廢物必須與足夠多的空氣或氧氣充分混合，在足夠高的溫度下經過合適的時間，才能完全燃燒或氧化。

2.2 物料特性對逆流式回轉窯工藝的影響

由于危險廢物的物理、化學、熱能性質復雜多樣，即使同一批廢物，其組成、熱值、形狀、燃燒狀態都會隨時間與燃燒區域的不同而有較大的改變，且燃燒所產生廢氣的組成和廢渣性質也隨之改變[3]。熱值無論對順流式回轉窯還是逆流式回轉窯都是非常重要的考慮因素，其影響原理也相同，因此本文著重討論有害組分、揮發分、固定碳含量及危險廢物形態對逆流式回轉窯焚燒工藝的影響。

（1）有害組分

危險廢物焚燒中有害組分是指危險廢物充分燃燒產生的對焚燒系統中的耐火材料具有腐蝕性或造成環境排放不達標的元素的總和，如硫、磷、鹵族元素、堿金屬、堿土金屬，及汞、鉛等重金屬。

鹵化及含硫有機物不僅影響危險廢物的熱值，也影響廢物燃燒后的酸性氣體含量和煙氣處理系統的運行效果，控制不合理會造成氯氣等酸性氣體的產生，對耐火材料腐蝕性較大，而且焚燒煙氣中也會含有HCl，SO2等腐蝕性氣體，這些氣體會對鍋爐爐膛內部的材料產生腐蝕。因此對于鹵族元素和硫元素含量高、數量大的危險廢物，盡量經過配伍降低其含量后再進行焚燒處置，要求其含量一般控制在：w（C）＜2%，w（S）＜2%，w（F）＜0.5%（危險廢物所含鹵族元素主要是氯和氟，溴、碘含量一般比較低或為零）。

堿金屬、堿土金屬元素一般以低熔點化合物的形式存在，由于熔點低，很容易達到熔融和氣化的狀態，從而引起回轉窯內結焦及余熱鍋爐等設備堵塞，嚴重時會腐蝕耐火材料，降低整套系統的處置能力，增加運行成本。在實際工藝控制中，一般其總含量不超過5%。

控制重金屬含量是實現焚燒系統正常運行和尾氣達標排放的保障，如果前端控制不當，會增加布袋除塵器等后端設備的壓力，并極易造成在線煙氣檢測不達標，不能實現達標排放。因此，可以在危險廢物每次入爐的量和入爐次數上進行有效控制。

危險廢物中磷元素主要是以有機磷化物的形式存在，焚燒產生的P2O5在400～700℃間會對金屬產生腐蝕（主要是余熱鍋爐區域），如果控制不好磷元素的含量則會使余熱鍋爐的使用壽命大大縮短。逆流式回轉窯的焚燒控制中，磷的含量一般不超過5%。

（2）揮發分含量

由于逆流式回轉窯在設計時要求煙氣在二燃室的停留時間不少于2 s，揮發分含量過高會造成過量的有機氣體得不到充分分解或燃燒，導致焚燒系統在線監測指標不合格，嚴重時會出現煙囪冒黑煙現象，使排放不達標。揮發分含量過低時，少量有機氣體在二燃室內焚燒并釋放少量熱量，二燃室溫度不能長久保持在1 100℃及以上，需要開啟輔助燃燒器，這樣就會增加運行成本，從而降低經濟效益。因此，適量的揮發分含量（一般在配伍時將其控制在20%～30%左右）對于穩定生產運行，實現達標排放和經濟效益最大化起著重要作用。

（3）危險廢物形態

危險廢物的形態可分為液態、固態、黏稠態，其中固態可分為塊狀、粉末狀和顆粒狀。在這里主要討論固態粉末狀危險廢物對逆流式回轉窯焚燒工藝的影響。由于逆流式回轉窯焚燒系統在窯頭保持負壓，當危險廢物通過進料系統被投入到窯頭固定端，經過短暫的脫水干燥后粉末狀的危險廢物會隨著煙氣被吸入到二燃室內而不是隨著回轉窯爐體的轉動進入窯尾，所以單次投入的危險廢物中粉末狀廢料含量越多，意味著被吸入二燃室進而進入二燃室后面焚燒系統的粉末狀廢料越多，會造成二燃室和煙道中積聚大量的灰塵，也會在一定程度上增加旋風除塵器和布袋除塵器的負荷，從而增加運行的人工投入量。

（4）固定碳含量

危險廢物中固定碳含量越高，在某種程度上意味著揮發分、水分等含量越低，即能在窯頭固定端被燃燒分解的危險廢物比較少。在窯體轉速、一二次風供風量一定的前提下，固定碳含量越高，表明需要在窯體內燃燒氧化的成分含量越高，這樣極易造成窯尾爐渣熱灼減率不合格。所以在危險廢物焚燒配伍時，選擇合適的固定碳含量對于保持焚燒系統工藝操作的穩定性具有極其重要的作用。在實際的逆流式回轉窯工藝參數調整中，一般將固定碳含量控制在30%～50%左右，具體的控制量要根據實際工藝參數及危險廢物檢測的詳細指標進行確定。

3 總結及展望

逆流式回轉窯焚燒處置工藝是國內新興的危險廢物焚燒處置方式，由于其具有運行成本低、可有效避免窯尾結焦等優點而逐步被接受，但是逆流式回轉窯在實際應用中也存在不足，如氣固相對速度較大，煙氣及窯頭前端粉塵的含量相對較高，會使對回轉窯內物料燃燒狀況的掌握和保證二燃室內煙氣的停留時間增加難度。應在分析我國現有危險廢物特點和設備優缺點的基礎上，綜合考慮我國的經濟承受能力和市場前景，加速技術引進和消化，或加快研究開發具有自主知識產權的危險廢物焚燒爐及其技術。隨著人們對危險廢物認知的不斷深入，逆流式回轉窯危險廢物焚燒處置必然會被我國越來越多的城市采用，物料配伍的科學技術性、較低的運行成本、規范化的技術管理將成為今后幾年危廢焚燒企業能夠幸存的“法寶”。