危險廢物焚燒處理回轉窯耐火材料內襯設計原則

危險廢物是指根據國家統一規定的方法鑒別認定的具有毒性、易燃性、易爆性、腐蝕性、化學反應等性質的，對人體健康和環境能造成危害的廢物，如醫院臨床廢物、多氯聯苯類廢物、廢電池、廢礦物油、含汞廢日光燈管等。

危險廢物需經過處理才能進入環境，熱處理法是有效的危險廢棄物處理方法，而回轉窯是危險廢棄物處理中有效的設備。
在我國，由于危險廢物處理技術起步較晚，危險廢棄物多在未處理的情況下排放。目前，國內各省、直轄市都已開建或正準備開建省級危廢處理中心，我國的危險廢物處理工作正在逐步趨于規范和完善。

1、回轉窯運轉形式
按氣、固體在回轉窯內流動方向的不同，回轉窯可分為順流式回轉窯（Co-current flow kiln）和逆流式回轉窯（Counter-current flow kiln）兩種。
圖片圖注：回轉窯運轉形式
在順流操作方式下，危險廢棄物在窯內預熱、 燃燒以及燃盡階段較為明顯， 進料、進風及輔助燃燒器的布置簡便，操作維護方便，有利于廢物的進料及前置處理，同時煙氣停留時間較長。
在逆流操作模式下，回轉窯可提供較佳的氣、 固混合及接觸， 傳熱效率高， 可增加其燃燒速度。但逆流操作方式需要復雜的上料系統和除渣系統，成本高；同時，由于氣固相對速度大，煙氣帶走的粉塵量相對較高，增加了控制回轉窯內燃燒狀況和煙氣停留時間的難度。
因此，順流式回轉窯焚燒爐更適于危險廢物的處理，應用更為廣泛。

2、回轉窯燃燒模式
依據回轉窯內燃燒時灰渣狀態和爐內溫度的不同，回轉窯可分為熔渣式回轉窯(Slagging rotary kiln)和非熔渣式回轉窯( Non-slagging rotary kiln)。其中，非熔渣式又稱“灰渣式”。

圖注：熔渣式與非熔渣式回轉窯對比
熔渣式回轉窯的溫度比非熔渣式高的多，由此可帶來如下問題：回轉窯耐火材料、保溫材料要求較高；進料系統和助燃系統所需材料成本增大且運行壽命短；運行過程中輔材消耗大，較昂貴；煙氣中重金屬和 NOx含量高，增加了后續煙氣處理成本。雖然熔渣式回轉窯熔渣熱灼減率低，焚燒徹底，但是考慮運行成本，耐火材料的使用壽命等問題，并不占優勢。所以，非熔渣式回轉窯在處理危險廢物領域較熔渣式更為經濟實用，在工程中的應用越來越廣泛。
3、回轉窯處理危險廢物的設計

典型的回轉窯焚燒爐如圖所示，其設計主要分為如下幾個部分：回轉窯尺寸和運轉方式的設計、燃燒設計、 耐火材料的設計、 焚燒系統的安全監控設計等。

圖注：典型回轉窯焚燒爐
1
) 回轉窯尺寸和運轉方式的設計
一般來講，用于危險廢物處理的回轉窯，其典型的長徑比值為 3.4～4.2，而回轉窯的尺寸須根據容積熱負荷參數來確定。回轉窯容積熱負荷參數控制到爐內燃燒狀況的好壞，回轉窯容積熱負荷的范圍一般為(4.2～104.5)×104kJ/(m3·h)。目前，很多項目確定回轉窯尺寸采用的方法是：首先，根據危險廢物的成分計算出廢物的熱值，再根據廢物的處理量確定出每小時廢物在回轉窯內燃燒所產生的熱量，然后根據選定的容積熱負荷確定出回轉窯的容積，后結合回轉窯的長徑比，確定回轉窯的尺寸。
對于回轉窯的運轉方式，在工程實踐中，回轉窯的傾斜角度一般在1～3°， 轉速為1～5 r/min，回轉窯的轉動方向結合進料方式和助燃方式確定。處理難焚燒的危險廢物可采用大長徑比與低轉速的回轉窯；而熱值較高、容易燃燒的危險廢物，燃燒需要的時間稍短一些，可采用較大傾斜角與較高轉速的回轉窯來處理。

2) 燃燒設計
(1)危險廢物的燃燒過程
危險廢物進入焚燒爐后首先接受到輔助燃燒器火焰和高溫窯壁的熱輻射而完成加熱、水分蒸發和可燃分析出的過程。隨著溫度的進一步升高，固態物質開始分解燃燒。廢物中氣態成分和固態物質析出的可燃氣體在高溫狀態也會快速分解燃燒。在回轉窯中，廢物中的無機可燃成分被燃盡，長鏈環狀物質會被分解成短鏈物質進入二燃室進一步分解焚燒。
(2)焚燒系統的“3T+1E”控制原則
“3T+1E” 是指溫度（Temperature）、時間（Time）、擾動（Turbulence）和空氣過剩系數綜合控制的原則。“3T+1E”原則能確保危險廢物的有害成份的充分分解，從源頭上控制酸性氣體、有害氣體(二噁英類物質)的生成，全面控制煙氣排放造成的二次污染。
溫度是保證在焚燒爐中危險廢物得到徹底破壞的重要的因素。回轉窯（一燃室）設計溫度為1000℃，運行溫度為 850～1000℃。二燃室設計溫度為1300℃， 正常運行溫度為1100℃。二燃室采用和一燃室不同的溫度設計，保證了危險廢物在二燃室中可充分焚毀。
溫度達到設計值后，為了使危險廢物充分焚毀，停留時間必須足夠長。通常地，固體物質在回轉窯內的停留時間為30～120分鐘；煙氣在回轉窯內的流速控制在3～4.5米/秒，停留時間約2秒；煙氣在二燃室的流速一般控制在2～6米/秒，保證停留時間大于2秒。
送入爐膛中的廢物必須同氧氣充分接觸，才能在高溫下全部快速高效地氧化， 這就要求對廢棄物進行適當的攪動。攪動越頻繁，廢物和空氣混合越均勻越有利于焚燒。在工程實際中，主要利用供風布置和輔助燃燒器的布置來增加擾動。

在危險廢物燃燒過程中，空氣過剩系數反應了燃燒狀況。空氣過剩系數大， 燃燒速度快，燃燒充分，但供風量較大，產生的煙氣量大，使后續的煙氣處理負荷增大，不夠經濟。反之，則燃燒不完全，甚至產生黑煙，有害物質分解不徹底。根據多年的實踐經驗，通常取回轉窯的空氣過剩系數為1.1～1.3，回轉窯+二燃室總過剩空氣量系數為1.7～2.0。

3)  回轉窯耐火材料設計
(1)耐火材料的選用原則
耐火材料是決定焚燒爐使用壽命的關鍵，其選用原則如下：
a. 良好的耐磨性，以抵抗固體物料的磨損和熱氣流的沖刷；
b. 良好的化學穩定性，以抵抗爐內化學物質的侵蝕；
c.良好的熱穩定性 以抵抗爐溫的變化對材料的破壞；
d.高致密性，氣孔率低，減少酸性氣體侵入鋼制外殼發生酸性腐蝕的幾率；
e.合適的耐火度選擇，經濟耐用。
(2)耐火材料設計
目前，在國內外危險廢物焚燒工程中，回轉窯采用的耐火磚主要有鉻剛玉磚、碳化硅磚、莫來石剛玉磚、高鋁磚等，可根據危險廢物的成分進行選擇。
工程設計中，回轉窯常采用 300mm 的耐高溫、耐腐蝕、耐磨的復合磚作為內襯，耐火層采用致密高鋁、碳化硅、鉻剛玉或鉻剛玉碳化硅材質耐火材料，隔熱層采用陶瓷纖維板鑲嵌，兩種材料一體結合。

4) 焚燒系統的監控設計
利用回轉窯焚燒危險廢物系統的正常運行，離不開安全監控。通常回轉窯焚燒系統需要監控的參數主要有：回轉窯焚燒溫度、回轉窯內壓力、回轉窯外表面溫度和焚燒煙氣中的氧含量等。另外，還應裝設觀察孔和高溫攝像裝置，以便觀察和監視窯內廢物焚燒狀況。
(1)回轉窯焚燒溫度監測
溫度監測通常通過熱電偶溫度計測量來實現，具體做法是：在煙氣溫度較穩定的回轉窯的尾端設置多個熱電偶監測點，利用各溫度計的平均溫度來反映回轉窯的焚燒溫度。如果溫度過低，則增大輔助燃料的供應量或適當減少進料量；反之，則減少或暫停輔助燃料的供應，或者增大進料量。
(2)回轉窯內壓力的監測
回轉窯內壓力是焚燒系統正常運行的重要參數。焚燒系統要求負壓運行。負壓由煙氣處理部分的引風機的抽力形成，以維持回轉窯內壓力為-100Pa左右為標準。負壓過大，系統漏風增加，引風機電耗高；負壓過小，燃燒工況波動時， 窯內氣體可能溢出窯外。為此，在回轉窯尾部端板，安裝有差壓變送器，將回轉窯內壓力實時傳入中控室監控系統，參與焚燒控制與報警。
當回轉窯壓力過高時，控制系統發出報警；當高于高限設定值時，控制系統將自動停止進料，焚燒系統進入“待料”狀態。
(3)回轉窯外表面溫度監測
回轉窯外表面溫度設計值一般為 180℃，波動范圍為 150℃～360℃。溫度過高或過低，會加大對回轉窯外包鋼板的腐蝕，減少其使用壽命。另外，回轉窯外表面的溫度，還可以反映回轉窯內部燃燒狀況。所以，在回轉窯運行過程中需要對其外表面溫度進行監測，監測一般通過紅外監測儀進行。
(4)煙氣氧含量監測
根據國家危險廢物控制標準，煙氣中的含氧濃度應為 6～10%，即相當于空氣過量系數40～91%。二燃室出口煙道裝有氧含量檢測儀，監測煙氣中含氧濃度， 將二燃室出口煙氣氧含量控制在6～10%。
二燃室出口處煙氣的氧含量和溫度參與進料連鎖控制。只有當溫度、氧含量高于設定的低限值時才允許進料，這樣可以保證危險廢物燃燒充分，降低顆粒物帶出量及延長耐火材料使用壽命。

4、回轉窯處理危險廢物工程中的問題
利用回轉窯處理危險廢物有很多優勢，但在實際的工程中也存在一些問題， 如結焦問題、安全問題等，需要進一步解決，優化系統。
1) 結焦問題
回轉窯處理危險廢物過程中的結焦情況主要有兩種：低熔點鹽類在爐內的結焦；窯尾出渣口部位的密封片處縫隙有冷空氣滲入和除渣機中的水分蒸發導致局部溫度下降而形成結焦。
結焦方式形成的原理是：在焚燒處理廢物的過程中，危險廢物在高溫下會進行分解，分解后的元素在高溫下會重新組合，形成一部分低熔點鹽類（主要是堿性成分和鹵化物的結合）。這些低熔點鹽類在高溫下非常粘稠，它們會發生自身粘結并粘附其它物質而在回轉窯內結焦。
這類結焦不易清除，主要辦法是控制廢物的進料和控制焚燒爐的燃燒溫度， 通常是采用如下一些措施防止結焦：
(1)進料時將含有鈉、鉀等成分的廢物與鹵素含量高的廢物安排在不同的時間段進行焚燒；
(2)對于含鹽量較高的廢物采取與其他廢物搭配，例如摻入溶點高的物質如石灰等，再進行焚燒；
(3)控制焚燒溫度，合理供風；
(4)選擇可防止掛壁的耐火磚。

如果窯內已經出現較嚴重低熔點鹽結焦時，可以適當降低回轉窯燃燒溫度， 待低熔點鹽順利焚燒進入出渣系統后再將窯內溫度調整到正常運行溫度。
第二種結焦方式主要是由于灰渣遇冷凝固造成的，清除方式為利用安裝在回轉窯后端板上除焦燃燒噴嘴進行熔化使其脫落。為防止此類方式的結焦，可采用高效的密封裝置，防止冷空氣的侵入。

2) 安全問題
利用回轉窯處理危險廢物系統存在的大的安全問題是：回轉窯內壓力在短時間內迅速增高，超過極限值，造成設備損壞，有害煙氣等物質外泄，甚至發生爆炸。
造成回轉窯內壓力迅速升高的主要原因有兩個：回轉窯內的危險廢物發生爆燃；系統突然停電，導致后續煙氣處理系統中引風機停止工作。
為確保回轉窯焚燒系統的安全，除采用連鎖控制安全系統外，在機械設計方面還有兩套安全防護措施：除渣機水封槽的一級泄壓。除渣機水封槽正常運行時起到密封作用，使窯煙氣與和外部大氣隔絕。當窯內壓力高于安全設定值時，煙氣就突破水封自動泄放，保證焚燒系統的安全。
緊急排放煙囪的二級泄壓。二燃室的頂端設計一段緊急排放煙囪。煙囪通向室外，系統正常運行時處于封閉狀態，但當焚燒系統內的壓力達到限定值時， 內部高壓煙氣就可沖開煙囪上的門蓋，排向大氣，保護系統的安全。