危废焚烧与烟气净化系统的设计难点及对策

2019-11-11王德锋

有色冶金设计与研究 2019年5期

王德锋

（杭州临江环境能源有限公司，浙江杭州 310000）

1 危废焚烧处理技术概况

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判定的具有危险特性的废物[1]。危险废物通常具有腐蚀性、毒性、易燃性、反应性或者感染性等一种或者几种危险特性，主要来自工业、医疗行业，主要产生于化学原料和化学制品制造业、非金属矿采选业、有色金属冶炼及造纸业[2]。2016年，环保部印发《国家危险废物名录：2016版》[1]对危废名录进行了修订，危废处置的合规化问题引起社会的高度重视。

目前，危废处理主要分为填埋法、焚烧法、固化法和化学法等。其中，焚烧处理是指将危险废物置于焚烧炉内，在高温和足够氧量的条件下进行氧化反应，分解或降解危险废物的过程。焚烧法适合有机物含量高、热值较高的废物，特别是对组分和来源复杂的废物，具有减容、减量效果好，能回收废物中所含的能量，无害化彻底的优点，现已成为危险废物无害化处理的主要选择之一。

回转窑焚烧炉作为危废焚烧生产线中的主要设备，可同时处理固废和废液，且几乎适用于所有可焚烧处置的废液，具有设备投资小、运行成本较低的优点[3]。

2 危废焚烧处理工艺存在的问题及对策

危险废物回转窑焚烧处理工艺包含废物预处理系统、焚烧系统、烟气处理系统等几个部分。其中,废物预处理系统包括废物的预处理和进料工序；焚烧系统由回转窑和二燃室、出渣及控制系统组成；烟气处理系统由余热回收、急冷和除尘设备、酸性气体吸收组成。危险废弃物经过多个处理工艺单元、复杂的化学反应和物理变化，存在的突发风险因素有很多，以下着重对其中4个主要工艺技术风险因素及对应的风险处理对策进行分析。

2.1 固废预处理及进料系统风险及处理对策

由于危险废弃物具有一定的易燃性，为防止危险废物破碎过程中可能产生的火灾事故，破碎机系统配置了注氮控氧系统。当破碎机插板阀前后配置的氧含量检测计检测到氧体积分数高于6%时，控制系统自动关闭上下液压闸门，进行注 N2、排料。考虑到回转窑的窑头进料时易发生回火现象，设计双液压翻板门来保证回转窑运行时的安全。进料时，上部液压门在进料斗料位到达设定值时自动打开，落料；上部液压门关闭后，下部液压门自动打开，固废通过溜槽进入回转窑。整个进料过程在密封和冷却状态下运行，确保安全运行[4]。

2.2 回转窑燃烧系统风险及处理对策

回转窑是一个有一定斜度的圆筒状物，运行时通过窑体的转动来促进物料在窑内充分混合并逐渐向窑尾移动。回转窑内衬一定厚度的耐火材料。一般耐火材料分为3层，最外层为硅酸钙板，中间一层耐火材料为高铝轻质砖，最内层材料成分含60%Al2O3。通常回转窑系统存在密封不严、窑头窑尾过热变形、窑内结焦等问题，严重时甚至可能存在耐火砖坍塌、烟气泄露、爆炸的风险。其中，回转窑尾部结焦问题经常出现，是由于回转窑窑头和窑尾燃烧温度的差异所造成的。当低熔点盐类肥料入窑燃烧，其熔融态灰渣在接近燃烧温度低的窑尾时，容易粘结在耐火材料上[5]。因此，在设计时对回转窑进行优化，将回转窑尾部直接插入二燃室底部，2个系统共用1个出渣口，同时在二燃室底部设置多组分燃烧机，为回转窑窑尾供热，保证达到一定的燃烧温度，使灰渣不易粘结。在进料系统中，可对入炉废物进行合适的配伍。如果含有低熔点盐类的废料，则必须提前进行掺合，再加入炉内。焚烧后，出料口需进行密封处理，避免延期泄漏造成污染。另一方面，由于耐火材料属于定期维护的损耗材料，耐火材料的质量需要根据回转窑温度曲线、腐蚀曲线、使用寿命进行比选，避免出现由于材料选取不当导致的回转窑垮塌、炉体变形等事故[6]。

2.3 锅炉积灰腐蚀问题及处理对策

目前，焚烧系统余热锅炉设备通常采用膜式壁式余热锅炉、单锅筒自然循环低压锅炉。余热锅炉采用膜式壁围合的方式形成3个辐射直立烟道，内部不再设置换热面。膜式壁采用悬吊方式，壁外设有刚性梁，整个膜式壁组成刚性吊箍式结构悬吊在顶梁上，并可以向下自由膨胀。膜式壁式余热锅炉受热面结构形成如图1所示[7]。

图1 膜式壁式余热锅炉受热面结构形式

由于余热锅炉内烟气的气体成分不同，高温腐蚀的问题常发生在不同的烟气温度下。例如当烟气温度高于350℃时，烟气中的硫化物、卤化物将对管壁造成高温腐蚀；烟气温度在120～170℃范围内，含HCL、SO2和SO3的烟气也会对管壁造成腐蚀。烟气的腐蚀会造成锅炉壁穿孔、烟气逃逸等一系列问题，因此余热锅炉出口温度的设计是一大难点。根据《危险废物集中焚烧处置工程建设技术规范》要求，为防止二噁英在低温段再生，危险废物焚烧的热能利用应避开200~500℃的温度区间；同时考虑避开管壁会发生HCl和SOx露点腐蚀的120~170℃温度区域，以及高于350℃的区域。综合上述考虑，为了有效地预防余热锅炉系统风险，通常将余热锅炉出口温度设计在550℃以上，输送的饱和蒸汽温度应设计在190~300℃之间[8]。

2.4 急冷塔湿壁腐蚀问题及处理对策

急冷蒸发塔在危废焚烧中应用广泛，其主要作用是利用喷雾冷却技术对余热锅炉出口的烟气进行急冷（通常要求是1 s内将高温烟气的温度降至200℃左右），在此过程中最大程度地降低焚烧烟气中二噁英的含量。塔内设有多支双流体雾化喷枪，主要将雾化后的水与高温烟气充分混合，利用水的瞬间气化带走高温烟气中的大量热量[9]。急冷蒸发塔结构见图2。

影响急冷塔湿壁腐蚀的主要因素有高温烟气、冷却水量、喷枪及其布置位置等。由于多种因素的影响，焚烧后的烟气量会随着物料的质量及热值的变化而发生改变。例如，进料热值发生较大波动时，急冷塔会需要更多的冷却水量来维持急冷塔的出口温度。如果雾化喷枪的冷却水量超过其最大设定值，喷枪的雾化效果就会变差。

图2 蒸发急冷塔结构

因此，在危废焚烧系统中，需要均衡使用喷枪，且尽可能多布置喷枪以减小每支喷枪的负荷，改善急冷塔雾化冷却效果。喷枪布置的位置也直接决定了雾化颗粒的区域重叠情况，大面积的重叠区域会导致雾化颗粒变大，延长蒸发时间，同时也会造成现蒸发急冷塔湿底现象。反之，如果雾化颗粒并未完全将急冷塔内径范围覆盖，则可能出现部分烟气不能有效地在短时间内冷却的情况，致使低温段二噁英的再生。为充分混合进入急冷塔的高温烟气与雾化后的冷却水雾，高温烟气进入蒸发急冷塔烟道的形状最好有5倍直径的直管段烟道，以改善进入蒸发急冷塔的高温烟气的流场分布，且对蒸发急冷塔做到不湿壁，也不湿底。

另外，建议在采购蒸发急冷塔内部浇注料的时候优先考虑其耐高温、耐酸碱、耐冲刷等特性，以降低塔内高速混合烟气冲刷、减薄、腐蚀浇注料表面的风险。急冷塔外壳需做外保温，使其外壳温度始终高于酸露点腐蚀温度，避免在壳体产生酸冷凝腐蚀的情况。以上措施可确保蒸发急冷塔的长期稳定运行[10]。