危险废物焚烧过程中结渣处理方法研究

摘要：危险废物焚烧过程中烟道的结焦堵塞问题，不仅会给危废焚烧处置企业的运营带来风险，还会增加额外的运行成本。因此，需要系统分析产生结焦的原因，并采取切实有效的控制手段。根据危废焚烧线实际运行情况，探索危废焚烧系统烟道结焦堵塞问题的解决方案。研究表明，二燃室出口结焦现象可通过喷加重质MgO、Al2O3药剂进行改善，余热锅炉的结焦状况可通过适量吹加熟石灰粉进行改善。

关键词：危废焚烧；二燃室；余热锅炉；结焦；灰熔点

中图分类号：D922.6；P237 文献标识码：A 文章编号：1008-9500（2024）10-00-05

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Research on Slagging Treatment Methods During Hazardous Waste Incineration Process

XIA Zhiyun

（Shanghai Chemical Industry Zone Anyue Suez Environmental Technology Co.， Ltd.， Shanghai 200000， China）

Abstract： The problem of coking and blockage in the flue during hazardous waste incineration not only poses risks to the operation of hazardous waste incineration disposal enterprises， but also increases additional operating costs. Therefore， it is necessary to systematically analyze the causes of coking and adopt practical and effective control measures. Based on the actual operation of the hazardous waste incineration line， explore solutions to the problem of coking and blockage in the flue of the hazardous waste incineration system. Research has shown that the coking phenomenon at the outlet of the secondary combustion chamber can be improved by injecting heavy MgO and Al2O3 agents， and the coking condition of the waste heat boiler can be improved by injecting an appropriate amount of hydrated lime powder.

Keywords： hazardous waste incineration; secondary combustion chamber; waste heat boiler; slagging; ash melting point

1 研究背景

危险废物焚烧工艺由进料系统、回转窑、二燃室、余热锅炉、急冷塔及烟气处理系统等组成。在危废焚烧厂实际运营中，接收废料成分复杂，焚烧过程中会发生一系列物理化学反应[1]。在高温条件下，一些低熔点的无机物，如玻璃、含铝镁包裹物（灰熔点为650 ℃）、碳酸钠（灰熔点为854 ℃）等，在温度较低时就开始熔化。此外，灰熔点较低的氧化铁易与灰熔点较高的二氧化硅反应，形成灰熔点较低的2FeO·SiO2。这些灰熔点较低的物质在高温下随着气体流动，黏附在焚烧线设备及管道壁面上，堵塞焚烧线烟气流动，系统内负压达不到生产工况要求，导致焚烧线减产或者停车，影响危废的实际处置量[2]。

在危废焚烧过程中，结焦问题在整个烟气通道都可能发生，已严重影响危废处置企业的正常运行。为缓解生产中的结焦问题，焚烧线需要频繁停车清渣或在线清渣，不仅具有高温作业风险，引起环保排放超标风险，还因为高能耗造成额外运行成本[3]。尤其是二燃室出口和余热锅炉第一回程，由于烟气温度显著降低，高温烟气在烟道内的流速、涡流场都有明显改变，会出现较严重的结焦现象，成为危废处置产能的限制瓶颈。因此，系统分析危废焚烧线结渣问题，探索合适的改善方案，对于解决结焦问题具有重要的意义[4-5]。

为改善危废焚烧线的稳定性，提高设备运转率，分别探究和验证二燃室出口和锅炉烟道的结焦结渣问题及其解决方法，并提出一系列具有较强操作性的改善方案。

2 二燃室结渣问题探究

2.1 结渣原因分析

分别采集不同区域危废焚烧厂二燃室出口结渣样品并分析检测，检测结果如表1所示。二燃室出口结焦物如图1所示。

根据结渣样品元素含量分析结果，二燃室出口结渣的主要元素为Si、Al、Ca、Fe、Na、Ti、O以及少量Mg、Na、K、Zn、Ba等。这些元素在1000 ℃高温下会形成氧化物或盐类，其中K、Na的氧化物和盐类具有较低熔点，在高温下形成熔融态，同时裹挟部分高熔点烟尘，黏附在烟道内壁形成结焦物。此外，SiO2、CaO以及碱金属氧化物一起形成玻璃态物质，其熔点较低，也会形成烟道内结焦物。

2.2 措施与方案

对上述样本的混合样品进行破碎和四分法处理后，使用灰熔点测试仪，参照《煤灰熔融性的测定方法》

（GB/T 219—2008），检测其变形温度（Deflection Temperature，DT）、软化温度（Softening Temperature，ST）、半球温度（Hemispherical Temperature，HT）和流动温度（Flow Temperature，FT）。样品在测试过程中的实时变化情况如图2所示，灰熔点测试结果如表2所示。结合焚烧炉内工况，高于1 100 ℃的烟气在二燃室出口开始降温，在余热锅炉第一回程内降低至750 ℃左右，可以判断样本检测结果与焚烧线工况具有较高的吻合度，其产生机理与原因分析一致。

从上述研究过程可知，要改善二燃室出口的结焦状况，其根本在于改善出口烟气中的烟尘和熔融态物质的成分。在实际生产中可选择的改善方式包括以下3种。

第一，改善危废焚烧的配比，降低熔融态物质的入炉量，改变烟气中Si、Al、Ca、Fe、Na、Ti、Mg等元素的含量分布，使其形成附着物，而不是黏附物，易于通过常规的蒸汽吹灰或爆破清灰等方式排出。第二，通过控制入炉固废总量，降低烟尘以及熔融态物质的总量，以减少结焦物的生成。第三，通过添加合适的抗结焦剂，改变烟气中的Si、Al、Ca、Fe、Na、Ti及Mg，提高其灰熔点，使其可以通过常规的蒸汽吹灰或爆破清灰等方式排出。

在实际生产过程中，受到废料市场条件的约束，企业自主选择危废和控制入炉固废总量的操作空间不大，且不同处置企业的管理水平参差不齐，不能充分掌握入炉危废的化学成分。因此，筛选抗结焦剂是研究的重点。

2.3 抗结焦剂研究

MgO-Al2O3-SiO2三元相图如图3所示。MgO、Al2O3的含量增加有助于提高其熔融温度，而SiO2含量上升后，熔融温度的上升并不显著，而且在实际生产中会与碱金属氧化物形成玻璃态物质，降低熔融温度。因此，本研究重点分析了重质MgO粉末和α-Al2O3在不同配比和添加量下对结焦物灰熔点的影响。

重质MgO在不同添加量下对结焦物灰熔点的影响不同，加入改善药剂的量根据结焦成分量计算确定。实际生产中，平均每月需要清渣2次，总出渣量约为3.2 t/次，按此估算二燃室出口结焦物的产量约为4.4 kg/h。以此结焦物量为基准，以5%、10%、20%、30%、40%的药剂添加量，结焦物粉碎至粒径0.1 mm以下，加0.1 mm筛过筛处理后的MgO药剂，进行对照测试，以评价其灰熔点变化。变形温度对照分析如图4所示，灰熔点变化对照分析如图5所示。

由图5可知，当重质MgO的添加量在30%以上时，结焦物的灰熔点可提高至1 190 ℃以上，明显高于焚烧炉出口烟气温度，结焦物有望保持在固体形态，而不是熔融状态，采用蒸汽吹灰、爆破清灰等常规清灰手段可以顺利排出。

本研究同时分析了重质MgO和α-Al2O3混配对结焦物灰熔点的影响，评价重质MgO、SiO2、α-Al2O3以及这些药剂按一定比例混配后，对结焦物灰熔点的影响。当结焦物产率为30%时，控制添加用量，参照上述实验条件，进行模拟测试，所得结果如图6、图7所示。研究表明，以重质MgO、α-Al2O3为主体成分的抗结焦剂均能显著提高结焦物的熔融温度，有助于改善二燃室出口结焦状况。相对而言，以SiO2和CaO为主体的抗结焦剂对灰熔点没有明显的改善作用。

3 锅炉结渣问题探究

3.1 结渣原因分析

危废焚烧线余热锅炉内的结渣主要发生在第一回程底部，温度约为700 ℃。本研究同样采集锅炉底部的结渣样品进行分析检测，结焦样品元素分析结果如表3所示，锅炉结焦样品如图8所示。

基于上述分析结果，可以判断结焦物以Na、K的磷酸盐、硫酸盐和氯化物盐的形式存在。结渣样本呈充分熔融后的凝固态，如果改善其熔融状态，一方面可考虑改变其化学组成，另一方面可通过加入高熔点粉状药剂改变其物理形态，使结焦组分在蒸汽吹灰和爆破清灰的作用下从锅炉内排出。

3.2 措施与方案

对结焦物进行模拟改善实验，将结焦物破碎后分别加热到600 ℃和750 ℃，保持30 min，结果如图9所示，可见样品在750 ℃时完全恢复熔融态，与最初对锅炉温度及结焦物状态的判断一致。

按锅炉结焦物产生速率的10%、20%、30%添加熟石灰粉末（纯度大于95%，粒度小于0.1 mm），并加入适量去离子水充分混合反应，熟石灰与锅炉结焦物混合效果如图10所示。

将混合物蒸干后取底部残渣，在600 ℃和750 ℃下分别灼烧，对照实验结果如下。第一，在未添加入熟石灰的测试中，加水溶解并蒸干的过程对样品的熔融温度未见实质影响。第二，加入熟石灰可以有效改善锅炉结焦物的熔融温度。第三，当熟石灰粉的加入量达到结焦物量的20%以后，原锅炉结焦物完全转化为疏松的固体颗粒，不再具有熔融后的黏附形态。残渣灼烧对照结果如图11所示。

4 结论

危废焚烧过程中的结焦问题受多方面因素影响，如废料成分的多变性、焚烧炉温度控制、烟气湍流、废料炉内停留时间等，其详细的产生机理有待更多探究。本研究深入探讨了结焦物产生的机理，并从实际生产操作角度优化方案，得出以下结论。第一，二燃室出口结焦现象可通过喷加以重质MgO、α-Al2O3等为主体材料的药剂加以改善，详细方案需要根据不同焚烧线的运行特点进行调整。第二，适量吹加熟石灰粉可以改善焚烧线余热锅炉第一回程的结焦状况。此方案对于因磷酸盐、硫酸盐在锅炉内结焦而受影响的危废焚烧线具有一定的指导作用。

参考文献

1 李春雨.典型危险废物在两段式回转窑焚烧系统内的热处置和结渣特性研究及其应用[D].杭州：浙江大学，2011.

2 邢杨荣.危险废物焚烧配伍与燃烧反应分析[J].环境工程，2008（增刊1）：203-204.

3 褚衍旭，高 勇，李 东，等.危险废物焚烧处置工艺进料配伍研究[J].环境与可持续发展，2018（6）：165-167.

4 胡 明，虎 训，邵哲如，等.危险废物焚烧灰渣熔融过程中重金属元素热力学平衡计算[J].环境工程学报，2018（9）：2672-2679.

5 陆子龙，肖惠平，朱 霞，等.危废焚烧系统中膜式壁式余热锅炉的设计及应用[J].工业锅炉，2012（6）：25-27.