危险废物逆流式回转窑焚烧系统探讨

章鹏飞，吴 明

(光大环保技术研究院(南京)有限公司，江苏 南京 211102)

1 引言

危险废物是具有特殊危害性的一类固体废物，对危险废物的安全处理处置一直是全世界各国关注的问题。焚烧法是当前危废处置的主流热处理技术，原理是在高温炉膛内使危险废物中的有毒有害物质深度氧化、彻底分解，高效实现无害化和减量化。焚烧法在国外已经有近30年的发展历史，技术成熟，应用广泛。焚烧炉型主要有：回转窑焚烧炉、流化床焚烧炉、热解炉、固定床焚烧炉、废液喷射炉等。其中应用最广泛的是回转窑焚烧炉，其优点是适应性强，可以用于处理除放射性和爆炸性废物之外的固态、液态、气态可燃危险废物，还可以回收热能和重金属等。

本文以江苏某化工园区30t/d危险废物焚烧逆流式回转窑项目为例，对逆流式回转窑进行研究和探讨。

2 回转窑

市场上回转窑焚烧炉的形式并不单一，从气固流向、燃烧模式等方面可以分为不同种类，不同种类回转窑焚烧炉各有其优缺点，根据具体废料的特性进行选择。

2.1 气固流向的选择

根据窑内烟气和物料的运动方向不同，回转窑可以分为顺流式回转窑和逆流式回转窑，原理见图1。

图1 回转窑内气固流向示意

国内危险废物焚烧处置市场上以顺流式回转窑为主流，顺流式回转窑内物料和烟气的运动方向相同，窑内物料的干燥段、燃烧段、燃尽段相对比较明显。主要优势有：窑头进料、进风以及启动燃烧器的布置方便、设备维护方便、烟气在窑内停留时间较长。

逆流式回转窑内物料和烟气的运动方向相反，窑内物料的干燥、燃烧和燃尽没有明确分区。相比较于顺流回转窑的优势在于：窑内气固混合充分，传热效率高，燃烧速率更快；通过配风调节可以使窑内呈现热解工况，窑内温度偏低，缓解结焦的情况；焚烧残渣可以加热一次风，换而言之一次风冷却焚烧残渣，使得逆流回转窑可以干式低温出渣，减少热损失。

2.2 燃烧模式的选择

根据运行时回转窑内的燃烧状态和温度，回转窑的燃烧状态可以分为灰渣式、熔渣式、热解式。

灰渣式是常见的回转窑燃烧模式，窑内温度在950～1100 ℃，废物被氧化分解销毁，回转窑尾排出的是正常的灰渣。熔渣式回转窑内温度在1200～1400 ℃，目的是彻底销毁废物中的有害成分，将残渣烧融，适合处理单一的、毒性很强的废物。熔渣式回转窑的缺点也很明显，窑内维持高温需要大量辅助燃料，运行成本高；耐火材料、保温材料寿命短，机械损耗及操作难度均较高；烟气中重金属和NOx含量高，增加后续烟气净化设施的压力[1]。

热解式回转窑内温度在800～950 ℃，危废在窑内热解产生的可燃气体进入二燃室继续燃烧，可以降低二燃室补充燃料消耗量，且烟气量低，热损失少，运行成本比其余两种回转窑更低。缺点是残渣可能焚烧不彻底，热灼减率不达标。总的来说，热解式回转窑节约能源、降低成本的优势明显，有发展前景。

2.3 逆流式回转窑设计

2.3.1 窑的尺寸设计

危险废物回转窑炉膛的尺寸，主要是由回转窑允许的容积热负荷和废料在窑体内所需的停留时间两个因素决定的。通常的做法是先按炉膛允许热负荷来确定炉膛的体积，然后按危险废物焚烧所必须的停留时间加以校核。一般来说，危废回转窑的转速为0.2～2 r/min[2]，长径比L/D在2～10之间，倾斜角度为1～3°，停留时间为30 min～2 h，回转窑的容积热负荷通常为(4.2～104.5)×104kJ/(m3·h)[3]。

本项目的逆流式回转窑的尺寸为内径φ2.07 m×6 m，长径比为2.9；与常规顺流式回转窑不相同，逆流回转窑倾斜角度采用4°；回转窑容积热负荷为36.7×104kJ/(m3·h)，与一般顺流回转窑相近。

关于固体废物在回转窑内的停留时间，众多研究者的研究成果表明影响物料在回转窑内的停留时间的主要因素是长径比、倾角、转速、物料安息角、进料速度和窑内壁摩擦系数等，但进料速度、窑内壁摩擦系数的影响较弱。Sullivan等人给出的停留时间计算公式[4]：

(1)

式中：L是窑长度(m)，D是窑内径(m)，θ是物料安息角(°)，n是窑转速(r/min)，α是窑倾角(°)。

公式(1)没有考虑窑内特殊结构的影响，如抄板、螺旋等结构。本项目的逆流回转窑内窑尾设计有螺旋结构，经过多次窑内填充沙子测试停留时间的试验，确定在计算逆流回转窑停留时间时公式(1)需要乘上系数k，k约为2.5～4.5。经过计算，在转速0.2 r/min下，本项目逆流式回转窑停留时间为63～112 min，与一般顺流回转窑相近。

除此之外，本项目逆流式回转窑内的烟气流速为1.6～2 m/s，低于一般回转窑内烟气流速，可以有效地缓解逆流式回转窑内烟气携带飞灰量大的问题。

2.3.2 燃烧模式设计

本项目的逆流式回转窑选择采用窑内控制热解的燃烧模式，回转窑内的过量空气系数控制在0.7～0.8，总体来说窑内是稍微缺氧的状态，实现危险废物的部分燃烧和部分热解气化。因此回转窑内的气体温度维持在850～950 ℃，不至于温度过高使窑内物料熔融、结焦，也不至于温度过低导致燃烧不完全、残渣热灼减率不达标。

窑内燃烧的过程主要是：危险废物首先在窑头停留一段时间，在炉膛高温辐射作用下发生干燥和少量分解反应；随后废料进入回转窑前部，与氧含量低的烟气接触和混合，主要发生热解反应，少量燃烧反应，产生含大量可燃气体的烟气从窑头进入二燃室继续燃烧；废料到回转窑中后部后，在窑内与一次风充分混合，残余碳剧烈燃烧，达到完全燃尽，残渣从窑尾排出。

3 二燃室

不同于传统顺流式回转窑系统中直筒式二燃室结构，本项目逆流式回转窑系统采用的是曲折烟道式二燃室，二燃室尺寸为内径φ1.3 m×28.6 m，属于“细长”型结构，结构形式见示意图2。

图2 曲折烟道式二燃室示意图

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和二噁英的生成，全面控制烟气排放的二次污染。逆流式回转窑系统的二燃室的设计过程中充分考虑了“3T+E”原则。

(1)温度。由于回转窑中采用的是控制热解技术，窑内热解产生了大量可燃性气体进入二燃室，与二次风混合后充分燃烧，保证二燃室内温度达到国家标准要求(≥1100 ℃)，还可以达到不补燃或少补燃的目的。

(2)湍流度。二燃室内湍流度大小与烟气流速和炉膛结构直接相关，表征的是可燃性气体与二次风的混合程度。湍流度越大，表明流场越紊乱，可燃气体与二次风混合的越充分，有助于有害成分和二噁英的彻底焚毁。本项目二燃室内设计烟气流速为10～11 m/s，高流速和曲折烟道式设计保证二燃室内产生强烈湍流。

(3)停留时间。由二燃室的总长度和内部烟气流速计算出二燃室内停留时间是2.6～2.86 s，满足国家标准要求的>2 s。

(4)过量空气。过量空气系数大，燃烧充分，但供风量较大，产生的烟气量大，后续烟气处理负荷增大；反之则燃烧不完全，有害物质分解不彻底[5]。本项目二燃室内过量空气系数取1.1～1.2，维持二燃室出口烟气的氧含量在7%～9%。

4 运行状况

本项目属于为化工园区配套建设的危险废物处置项目，设计的焚烧系统处置能力为30 t/d(1250 kg/h)，整套焚烧系统24 h连续运行，废物的低位热值为3500 kcal/kg，危险废物混合物元素成分见表1。

本项目危险废物焚烧工艺单元主要包括进料系统、焚烧系统、余热利用系统以及烟气净化与排放系统。该工程采用“进料机构+逆流式回转窑+二燃室+余热锅炉+旋风除尘器+急冷塔+干式文丘里脱酸(活性炭喷

表1 危险废物成分数据

射)+布袋除尘器+湿式洗涤塔”的处理工艺。

整个焚烧系统配备了自动控制系统和烟气在线监测系统，在线显示运行工况和烟气排放数据，并能根据反馈对主要的工艺参数进行调节。相关的运行数据和烟气检测数据见表2。

表2 运行数据和烟气检测数据

5 结语

回转窑是国家工信部、环保部重点推荐的废物处理炉型，有对物料适应性强、工作连续性好等优点。逆流式回转窑和顺流式回转窑同属于回转窑焚烧炉，各有各的技术特色，都可以用于危险废物的焚烧处置。

本项目的逆流式回转窑工程实践证明采用“逆流回转窑+曲折烟道式二燃室”的焚烧工艺，同样能保证危险废物的减量化和无害化，焚烧残渣的热灼减率<5%，燃烧效率>99.9%，焚毁去除率>99.99%，烟气达标排放。

逆流回转窑项目的成功运行证明了其在危险废物焚烧处置领域的价值，但也应该注意到其存在的一些问题，如配风难以精确控制、曲折烟道式二燃室积灰结焦等问题，这些问题有待进一步深入研究。随着环保形势的日益严峻，国家出台了一系列关于危险废物处理处置的政策，在政策带动下，全国各地陆续建设起不同规模的危险废物处置项目，将促进回转窑焚烧技术日趋完善。