水泥窑协同处置生活垃圾旁路放风系统的实践研究

2022-07-08潘小平姚瑞宏江苏天山水泥集团有限公司江苏无锡45中材国际环境工程北京有限公司北京000宜兴天山水泥有限责任公司江苏宜兴455

水泥工程 2022年1期

渠华，嵇磊，潘小平，姚瑞宏（.江苏天山水泥集团有限公司，江苏无锡，45；.中材国际环境工程（北京）有限公司，北京，000；.宜兴天山水泥有限责任公司，江苏宜兴，455）

0 引言

近年来，随着我国城市生活垃圾产生量的迅速增加，生活垃圾合理处置的问题也越来越严峻。水泥窑因其特有的高温、碱性环境，已被若干工程案例证实是生活垃圾资源化和无害化处置的有效途径。然而生活垃圾中不可避免地含有氯、钾、钠、硫等对熟料生产不利的有害元素，这些元素若超过某一限值即可对烧成系统的工况和熟料质量产生负面影响，如烟室及预热器结皮、窑筒体结皮、熟料氯含量偏高等。

旁路放风技术无疑是解决这一问题的有效方法，其基本原理是在窑尾烟室附近新增一引风管，将窑内含有氯、钾、钠、硫等元素的无机盐类化合物或其离子态物质的高温含尘热烟气，强制引出窑系统，降低上述有害元素在窑系统内的浓度，减少系统结皮堵塞的概率。笔者以天山水泥某5000t/d熟料生产线协同处置450t/d生活垃圾工程为例，论述了旁路放风系统的工艺流程和装备配制，对实际运行过程中的技术问题进行了分析。

1 系统设计

1.1 基本情况

我厂协同处置生活垃圾项目采用中材环境的预分选技术，将生活垃圾分选为可燃垃圾、无机物、金属垃圾和渗滤液，其中可燃垃圾喂入分解炉替代部分煤粉燃烧处置。可燃垃圾的综合平均含水率约为45%，氯元素质量分数平均为0.456%（收到基），设计入炉处置能力为10t/h，出库生料的氯含量为0.020%（质量分数，下同）。协同处置生活垃圾之前，预热器C5下料管内热生料的氯含量约为0.6%～0.8%，窑系统结皮结圈现象不明显。协同处置生活垃圾后，当旁路放风不运行时，预热器C5下料管内热生料中的氯含量最高可达2.0%，出现了下料管结皮、烟室结皮和窑结圈的现象，因此有必要新增旁路放风系统。

1.2 旁路放风工艺流程

我厂旁路放风系统采用“一级急冷+二级冷却器+袋式除尘”的技术路线，即在烟室部位新增一根引风管，窑内高温含尘热烟气流进急冷室与冷却风机鼓入的冷风充分混合冷却，急冷室出口烟气温度控制在370℃以下，混合风再进入旋风收尘器，密度较大的颗粒（粗粉）被收集后返回窑内，密度较小的颗粒（细粉）随废气进入风冷式多管冷却器再次冷却至220℃左右，进入袋式收尘器，余风通过尾排风机引入窑尾烟囱，收尘灰（旁路放风灰）进入灰仓储存，本项目设计放风比例为7%，工艺流程见图1，主机设备参数见表1。

表1 旁路放风系统主机设备参数

图1 旁路放风系统工艺流程图

2 运行效果

2.1 引风管优化

旁路放风系统开机运行后，急冷室下方的引风管内常出现结皮堵死现象，直观表现是急冷室出口温度接近室温。取结皮料进行化学分析，发现多次清理结皮时结皮的外观和物理特性基本分为三类：（1）质地致密坚硬，落地有陶瓷片的清脆声，颜色呈深灰色；（2）质地较坚硬，外观呈片状，表面可见孔隙；（3）质地疏松，用手可捏碎，颜色呈灰白色。对这三类代表性的结皮进行化学分析，结果见表2。

通过表2的数据初步发现，第一类结皮的有害成分中，硫含量高；第二类结皮的有害成分中氯和钾的含量高；第三类结皮中没有含量特别高的有害成分，但氯和钾的含量明显高于入窑生料和熟料。笔者分析认为，高温烟气中氯、硫、钾的无机物呈气态，进入引风管道后迅速离开高温环境，气态无机物冷凝为固态，吸附在热的生料粉内，而热的生料粉又冷凝在温度相对低的引风管道内壁产生结皮，同时，气态无机物也会直接在引风管内壁浇注料上冷凝富集，逐步堵塞引风管。

表2 引风管内三类结皮化学成分分析 %

为此，在利用停窑时间，通过调整引风管的走向，将引风管的长度由2m缩短至1.5m，同时在引风管上新增4台空气炮定时清理结皮。图2显示的是改造前后引风口的结皮情况，从改造后的运行效果来看，引风管道的结皮明显减少，保证了旁路放风系统稳定运行。

图2 改造前后引风管内结皮情况

2.2 除氯效果分析

引风管技改后，在旁路放风系统稳定运行且协同处置生活垃圾的情况下，统计了10月20日到12月3日这一时间段预热器C5下料管内热生料的氯含量，结果见图3。从图3中可以看出，同等放风比例的前提下，在协同处置生活垃圾初期（即A竖线往左区域），C5下料管内热生料的氯含量基本在0.8%左右，旁路放风灰的氯含量为14.76%；随着运行时间的增加（即A竖线与B竖线之间区域），C5下料管内热生料的氯含量上升至1.2%左右并趋于稳定，这可能是随着时间的推移，氯元素在窑系统内不断富集并趋于吸附脱附平衡；后续提高了旁路放风尾排风机的转速（即B竖线右部区域），提高了放风量，继续跟踪观测C5下料管内热生料氯含量，发现其含量有下降趋势，并稳定在1.1%左右，且检测到旁路放风灰中的氯含量为18.26%，这说明提高尾排风机的转速，有利于旁路放风系统氯元素的外排。

图3 C5下料管内热生料氯含量与时间的变化趋势

2.3 放风量测算

生活垃圾系统和窑工况相对稳定时，旁路放风尾排风机频率给定40Hz，冷却风机给定25Hz，检测了旁路放风系统各位置的烟气量和粉尘浓度，其结果见表3。

表3 旁路放风系统的烟气量及粉尘浓度测试结果(标况下)

在标况状态下，根据表4的数据以及公式（1）可估算出旁路放风量，经计算得到旁路放风量为6392 m3/h，旁路放风比例为7.02%，与设计目标基本相符。

2.4 旋风筒收尘效率与除氯效果的关系研究

我厂在旁路放风系统运行过程中，分别测试了旁路放风系统旋风筒入口含尘浓度、出口含尘浓度，并计算得到了该旋风筒的收尘效率约为82.95%。测试了烟室粉尘中的氯含量为4.22%、旋风筒出口粉尘中的氯含量为19.5%、旋风筒下料管粉尘中的氯含量为1.63%，细粉氯含量约为粗粉氯含量的12倍。此外，我们还测试了旋风筒下料管粉尘的粒径分布（粗粉）以及旋风筒出口粉尘的粒径分布（细粉），见图4和图5。从图4，5可以看出，粗粉的粒径分布范围较宽，80 μm以下的占到了85%左右，细粉的粒径分布范围较窄，13 μm以下的占到了85%左右。

图4 粗粉的粒径分布

图5 粗粉的粒径分布

根据上述测试分析数据，我们初步认为，旁路放风热烟气中的氯，绝大部分是以气态或离子态的形式存在于气体中，而并非附着在烟室高温气流的粉尘中；所谓“细粉”，一方面是烟室热烟气中夹带的粒径较小的那部分生料粉，因其比表面积大，吸附氯元素的能力较大，使得其氯含量高于粗粉；另一方面，也可能是烟室热烟气中气态或离子态的氯与气态的碱金属或碱土金属，在低温状态下重新整合形成的氯碱盐颗粒，使得其氯含量高于粗粉。

进而可以得知，该旁路放风旋风筒的分离效率若过高，含有较高氯含量的细粉不能被排出系统外，仍回至窑系统，除氯效果会有所下降；若分离效率过低，大量生料粉吸附氯元素后外排，除氯效率会有所提高，但提高的幅度不大，且大量热生料排出窑系统也会影响烧成热耗且对后续旁路放风灰的输送能力提出更高要求。因此，根据我厂运行经验，该旁路放风旋风筒的收尘效率控制在80%～85%之间比较合理。