逆流式回转窑危险废物焚烧处置工艺影响因素的探讨

张建平 马翠翠

中国光大绿色环保有限公司 （江苏苏州 215101）

焚烧法是一种高温热处理技术，即以一定的过量空气与被处理的有机废物在焚烧炉内进行氧化燃烧反应，废物中的有害有毒物质在高温下氧化、热解而被破坏，是一种可同时实现废物无害化、减量化、资源化的处理技术[1]。经过20多年的发展和完善，国外用于处理危险废物的焚烧技术已比较成熟。用于焚烧危险废物的焚烧炉类型也多样化，主要的类型有：回转窑焚烧炉、热解炉、流化床焚烧炉、多层焚烧炉和液体喷射焚烧炉。其中，回转窑焚烧炉是目前用于危废焚烧的主流炉型，根据危险废物进料方向与回转窑内烟气的走向可分为顺流式回转窑和逆流式回转窑。目前，绝大多数的回转窑焚烧炉为顺流式，主要原因是进料、进风及辅助燃烧器的布置简便，操作维护方便，有利于废物的进料及前置处理，但是存在气、固混合不充分，热传导率低，湿度较大、可燃性较低的危险废物的处置成本较高，工艺操作难度大，容易结焦，耐火材料腐蚀严重等问题[2]。在焚烧过程中，逆流式的设计可提供较佳的气、固混合及接触，且其热传导效率高，可提高燃烧率、降低处置成本、有效解决结焦问题。逆流式回转窑已在马来西亚等国得到很好的应用，性能测试和运营都达到比较满意的效果。为更好地实现危废焚烧处置无害化，现国内开始引进逆流式回转窑焚烧工艺。

1 逆流式回转窑焚烧工艺机理

逆流式回转窑的物料与烟气的流动方向相反。危险废弃物由上料系统推入窑头，一次风由窑尾进入。物料与窑头温度高、氧含量低的烟气接触，发生缺氧燃烧，产生的可燃气体进入窑头上部的二燃室。物料在窑头发生缺氧燃烧后，在自身重力及窑的旋转作用下向窑尾移动，与窑尾温度低、氧含量高的一次风进行充分接触，使窑尾灰渣燃尽，保证其热灼减率合格。窑头的可燃气体进入二燃室进一步燃烧，较高的烟气流速与特殊的烟道设计提高了烟气的湍流度，从而保证烟气的完全燃烧。当入炉废料的热值存在波动时，控制系统会自动启动主燃烧器或辅助燃烧器，保证回转窑和二燃室温度达到要求。烟气净化采用二燃室+余热锅炉+急冷+活性炭喷入+小苏打喷入+布袋除尘器+湿法脱酸的工艺。逆流式回转窑焚烧工艺的具体流程见图1。

2 逆流式回转窑工艺控制的影响因素

危险废物的焚烧过程非常复杂，受到很多因素和参数的影响，主要的控制参数有4个：焚烧温度、湍流度、停留时间、过量空气，称为“3T+E”工艺原则。另外，随着人们对回转窑焚烧技术的不断摸索和探讨，发现物料特性也是比较重要的影响因素，其作用甚至比“3T+E”工艺原则的影响还要大。在本文中，物料特性主要从有害组分、挥发分含量、危险废物形态和固定碳含量等方面进行阐述。

2.1“3T+E”工艺原则对逆流式回转窑焚烧的影响

燃烧过程中，“3T+E”原则可实现物料的完全燃烧，确保危险废物中有害组分充分分解，从而在源头上控制酸性气体、有害气体(二噁英类等)的生成，全面控制烟气排放的二次污染。“3T+E”工艺调节控制无论是对顺流式回转窑还是逆流式回转窑都具有举足轻重的影响。

（1）温度

逆流式回转窑温度包含窑头固定端温度和窑体内的温度。从进料系统进入回转窑内的危险废物在固定端进行水分蒸发、挥发分析出和初步分解，并在窑头负压作用下被吸入二燃室内进一步氧化分解和燃烧。如果窑头固定端温度（一般为850～1 050℃）过低，则会造成危险废物挥发分不能充分挥发，从而导致窑体负荷增加并加快窑体耐火材料的腐蚀，也会间接造成危险废物炉渣热灼减率的不合格；而固定端温度过高，则极易造成固定端结焦和固定端耐火材料寿命缩短，尤其是在加入含水率较高的危险废物时。如果窑体温度过低，固定碳含量高的危险废物则不能充分燃烧，造成窑尾炉渣热灼减率不合格；窑体温度过高，对逆流式回转窑来说需要开启主燃烧器来提高回转窑窑体温度，这样会增加运行成本，降低危险废物焚烧处置的经济效益。

（2）停留时间

时间是指废物暴露在焚烧温度下的时间和烟气流经整个焚烧炉炉膛的时间，包括烟气在二燃室内的停留时间（不少于2 s）。为了保证危险废物的破坏率，停留时间必须足够长，从而使最难于反应的危险废物也能够被有效破坏。在其他工艺相同的情况下，物料停留时间越长，危险废物燃烧越充分；若停留时间过短，则会造成危险废物的不完全燃烧，导致炉渣热灼减率和烟气在线监测指标不合格。

图1 逆流式回转窑危险废物焚烧处置图

（3）湍流度

湍流度即危险废物在炉膛内被搅动的程度。送入炉膛中的危险废物必须同氧气充分接触才能在高温下全部快速高效地氧化，这就要求危险废物在炉膛内有合适的湍流度；炉膛内危险废物的湍流度与回转窑的转速息息相关，在某种程度上可通过调节窑体的转速来实现。在实际的工艺调整中，湍流度并不是越大越好，也不是越小越好，而是根据回转窑的具体设计值及物料在窑体内翻转的状态来决定。合适的湍流度可以使物料更充分地与氧气接触并被充分燃烧氧化；湍流度选择不好，则会影响物料在窑体内的燃烧氧化程度及危险废物的处置量。

（4）过剩空气系数

废物燃烧所需空气由理论空气量和过剩空气量两部分组成，理论空气量和过剩空气量的和与理论空气量的比值即为过剩空气系数。过剩空气量的多少直接影响烟气中剩余的氧含量。过剩空气多可提高燃烧速率和烧净率，但需增加辅助燃料及鼓风量，扩大系统的烟处理能力及引风量，经济性较差。反之，则燃烧不完全，甚至产生黑烟，物料中有害物质分解不彻底。在逆流式回转窑的工艺控制中，一般将过剩空气系数设定在1.6～1.7之间。

实际上，仅改变其中一种因素来提高焚烧效率的作用是有限的，且对降低焚烧处置成本不利。在逆流式回转窑系统工艺控制过程中，这四者是相互制约、相互作用的，如：进入回转窑的一批危险废物固定碳含量较高，这时只开启燃烧器提高温度是不够的，还要适当增大过剩空气系数并降低回转窑的转速，以保证废料在燃烧过程中有充足的氧气和足够的时间实现完全燃烧。总之，废物必须与足够多的空气或氧气充分混合，在足够高的温度下经过合适的时间，才能完全燃烧或氧化。

2.2 物料特性对逆流式回转窑工艺的影响

由于危险废物的物理、化学、热能性质复杂多样，即使同一批废物，其组成、热值、形状、燃烧状态都会随时间与燃烧区域的不同而有较大的改变，且燃烧所产生废气的组成和废渣性质也随之改变[3]。热值无论对顺流式回转窑还是逆流式回转窑都是非常重要的考虑因素，其影响原理也相同，因此本文着重讨论有害组分、挥发分、固定碳含量及危险废物形态对逆流式回转窑焚烧工艺的影响。

（1）有害组分

危险废物焚烧中有害组分是指危险废物充分燃烧产生的对焚烧系统中的耐火材料具有腐蚀性或造成环境排放不达标的元素的总和，如硫、磷、卤族元素、碱金属、碱土金属，及汞、铅等重金属。

卤化及含硫有机物不仅影响危险废物的热值，也影响废物燃烧后的酸性气体含量和烟气处理系统的运行效果，控制不合理会造成氯气等酸性气体的产生，对耐火材料腐蚀性较大，而且焚烧烟气中也会含有HCl，SO2等腐蚀性气体，这些气体会对锅炉炉膛内部的材料产生腐蚀。因此对于卤族元素和硫元素含量高、数量大的危险废物，尽量经过配伍降低其含量后再进行焚烧处置，要求其含量一般控制在：w（C）＜2%，w（S）＜2%，w（F）＜0.5%（危险废物所含卤族元素主要是氯和氟，溴、碘含量一般比较低或为零）。

碱金属、碱土金属元素一般以低熔点化合物的形式存在，由于熔点低，很容易达到熔融和气化的状态，从而引起回转窑内结焦及余热锅炉等设备堵塞，严重时会腐蚀耐火材料，降低整套系统的处置能力，增加运行成本。在实际工艺控制中，一般其总含量不超过5%。

控制重金属含量是实现焚烧系统正常运行和尾气达标排放的保障，如果前端控制不当，会增加布袋除尘器等后端设备的压力，并极易造成在线烟气检测不达标，不能实现达标排放。因此，可以在危险废物每次入炉的量和入炉次数上进行有效控制。

危险废物中磷元素主要是以有机磷化物的形式存在，焚烧产生的P2O5在400～700℃间会对金属产生腐蚀（主要是余热锅炉区域），如果控制不好磷元素的含量则会使余热锅炉的使用寿命大大缩短。逆流式回转窑的焚烧控制中，磷的含量一般不超过5%。

（2）挥发分含量

由于逆流式回转窑在设计时要求烟气在二燃室的停留时间不少于2 s，挥发分含量过高会造成过量的有机气体得不到充分分解或燃烧，导致焚烧系统在线监测指标不合格，严重时会出现烟囱冒黑烟现象，使排放不达标。挥发分含量过低时，少量有机气体在二燃室内焚烧并释放少量热量，二燃室温度不能长久保持在1 100℃及以上，需要开启辅助燃烧器，这样就会增加运行成本，从而降低经济效益。因此，适量的挥发分含量（一般在配伍时将其控制在20%～30%左右）对于稳定生产运行，实现达标排放和经济效益最大化起着重要作用。

（3）危险废物形态

危险废物的形态可分为液态、固态、黏稠态，其中固态可分为块状、粉末状和颗粒状。在这里主要讨论固态粉末状危险废物对逆流式回转窑焚烧工艺的影响。由于逆流式回转窑焚烧系统在窑头保持负压，当危险废物通过进料系统被投入到窑头固定端，经过短暂的脱水干燥后粉末状的危险废物会随着烟气被吸入到二燃室内而不是随着回转窑炉体的转动进入窑尾，所以单次投入的危险废物中粉末状废料含量越多，意味着被吸入二燃室进而进入二燃室后面焚烧系统的粉末状废料越多，会造成二燃室和烟道中积聚大量的灰尘，也会在一定程度上增加旋风除尘器和布袋除尘器的负荷，从而增加运行的人工投入量。

（4）固定碳含量

危险废物中固定碳含量越高，在某种程度上意味着挥发分、水分等含量越低，即能在窑头固定端被燃烧分解的危险废物比较少。在窑体转速、一二次风供风量一定的前提下，固定碳含量越高，表明需要在窑体内燃烧氧化的成分含量越高，这样极易造成窑尾炉渣热灼减率不合格。所以在危险废物焚烧配伍时，选择合适的固定碳含量对于保持焚烧系统工艺操作的稳定性具有极其重要的作用。在实际的逆流式回转窑工艺参数调整中，一般将固定碳含量控制在30%～50%左右，具体的控制量要根据实际工艺参数及危险废物检测的详细指标进行确定。

3 总结及展望

逆流式回转窑焚烧处置工艺是国内新兴的危险废物焚烧处置方式，由于其具有运行成本低、可有效避免窑尾结焦等优点而逐步被接受，但是逆流式回转窑在实际应用中也存在不足，如气固相对速度较大，烟气及窑头前端粉尘的含量相对较高，会使对回转窑内物料燃烧状况的掌握和保证二燃室内烟气的停留时间增加难度。应在分析我国现有危险废物特点和设备优缺点的基础上，综合考虑我国的经济承受能力和市场前景，加速技术引进和消化，或加快研究开发具有自主知识产权的危险废物焚烧炉及其技术。随着人们对危险废物认知的不断深入，逆流式回转窑危险废物焚烧处置必然会被我国越来越多的城市采用，物料配伍的科学技术性、较低的运行成本、规范化的技术管理将成为今后几年危废焚烧企业能够幸存的“法宝”。