危废回转窑焚烧炉耐火内衬设计及优化建议

危废回转窑焚烧炉耐火内衬设计及优化建议

危险废物(以下简称危废)种类繁多、成分复杂、区域差异化严重，处理不当会带来一系列民生和社会问题。实践证明，高温焚烧是危废安全处置和减容化的有效途径，其中回转窑焚烧工艺是危废处理中最有效的处置工艺之一，具有处理危废种类多、处理量大等优点。我国自20世纪90年代，逐步开始使用回转窑焚烧系统处理危废。近年来，因耐火材料损毁导致的停窑事故多有发生，严重影响了危废焚烧生产线的稳定运转率，对回转窑危废焚烧炉耐火内衬设计优化以及高效运行等提出了迫切需求。

目前水泥窑协同处理危废主要包括固体危废、废液以及RDF替代燃料等，主要从预热器、分解炉、后窑口以及窑头罩等部位处理，典型入料方式如图1所示。
1-篦冷机; 2-窑头罩; 3-回转窑; 4-烟室; 5-分解炉; 6-预热器 图 1 水泥窑协同处理危废系统
回转窑焚烧炉是专业危废焚烧装置， 如图2所示， 主体设备由回转窑、 二燃室、 余热锅炉、急冷塔、脱酸、除尘系统构成。经过预处理的各类危废通过不同喂养方式进入燃烧系统， 在自身重力和回转窑的连续旋转作用下，物料和助燃空气充分接触， 完成干燥、气化和燃烧过程， 最后残留部分淬冷成灰渣。
1-料坑; 2-进料系统; 3-回转窑; 4-二燃室; 5-锅炉; 6-急冷塔; 7-脱酸塔; 8-除尘; 9-烟囱 图 2 回转窑焚烧炉系统
根据炉气和固体流动方向的不同，或回转窑中燃烧器的位置，回转窑焚烧炉可以分为逆流和顺流两种形式。 其中， 燃烧器热源在回转窑的进料端， 固体和烟气走向相同，成为顺流式; 反之，燃烧器热源在出料端， 固体和烟气走向相反，称为逆流式。 目前危废焚烧系统主要是以顺流式回转窑的设计为主， 逆流式回转窑更适用于含水率高或热值低的危废等。回转窑焚烧炉具有适用性广特点，可同时处理固体、液体和气体的危废。 环保要求日趋严格形势下， 专业回转窑危废焚烧炉优势明显。 据统计， 我国回转窑危废焚烧系统约有800条处理生产线，处理能力从20t/d到120t/d不等。 2018年我国危废焚烧处置产能规模达到616万t/年，其中专业回转窑焚烧占比53%，主要分布在浙江、江苏、山东、河北、福建等地。

1、回转窑危废焚烧炉耐火内衬设计

1.1 回转窑本体
回转窑焚烧炉最关键设备即为回转窑本体， 因其是一种动态运转设备，对内衬结构设计要求较高，首先要确保耐火内衬在动态高温状态运行下整体内衬的稳定性，防止耐火砖掉砖、抽签等问题。对于危废回转窑系统而言，由于转速比较慢，一般在1转/分以下，可以根据厂房设计和节能要求选择单层砖、双层砖、复合砖和整体浇注等不同结构， 如图3所示。回转窑耐火材料总厚度一般是250~300mm不等，其中工作层耐火砖材质一般根据处理温度和危废种类不同，可以选择高铝质、刚玉莫来石质以及铬锆刚玉质耐火材料等。


图 3 回转窑内衬设计
采用厚度230~300mm单层结构时，由于耐火材料导热系数大多在1.7~2.0以上，后期高温区窑外壁温度达到350℃以上， 但是整体结构稳定，适合于回转窑在室外的项目。

采用隔热砖和耐火砖双层结构，因为隔热砖导热系数低，能起到降低窑皮温度作用，窑外壁温度可以控制在220℃左右甚至以下，节能效果好， 但是对施工要求较高， 适合于室内项目。 这里要注意隔热砖强度一般要求大于20MPa，隔热砖厚度设计不能低于50mm。

既要达到单层砖的稳定性，又要降低外壁温度，可以设计复合砖，即工作面是刚玉砖、 铬刚玉砖，背面是氧化铝空心球、 高铝或者粘土质，隔热层厚度约为50~70mm。这种产品生产效率低，而且由于工作层和隔热层材质热膨胀系数和烧结收缩率不同，因此，在连接处容易产生微裂纹，废品率较高。

鉴于此，可以采用凹槽型复合砖设计，如图4所示，工作层材质不变，尾部开槽后填充纳米板等绝热材料。 这种凹槽砖型复合砖， 不仅生产和施工方便， 而且可以取得降低筒体外壁温度30~50℃左右效果。

图 4 凹槽砖型设计示意图 另外， 部分回转窑采用轻质浇注料或者纤维板等作为隔材料， 工作层采用重质浇注料(金属抓钉锚固)双层浇注结构，可以合理控制回转窑外壁温度。该结构采用金属件把耐火材料和筒体连为一体，不存在耐火砖脱落问题， 但是金属件焊接质量和浇注料中水份烘干排出是关键。

表1 几种回转窑设计方案优缺点。

以上几种设计方案优缺点如表1所示。 相比较而言， 耐火砖方案检修和更换方便， 受环境和人为因素影响较小。现在新建项目回转窑基本都是室外设计， 随着提产和环保要求，采用单层结构稳定性较好， 高温区可以考虑凹槽复合砖方式，降低外壁温度。而且从防腐蚀角度， 筒体外壁温度控制在160~320℃区间，比较合理。
1.2 二燃室

二燃室主要功能是对烟气进行二次燃烧处理，可燃成份、飞灰颗粒以及二噁英等焚烧分解，物理和化学反应同时存在，反应剧烈。二燃室一般包括耐火材料、保温材料和绝热材料。 其中， 耐火材料是指工作层重质浇注料、可塑料或者耐火砖等， 保温材料是指保温浇注料和保温砖等， 绝热材料是指硅酸钙板、陶瓷纤维板以及纳米板等。 目前二燃室内衬设计主要包括三种方式， 如图5所示：

1)方案一，包括耐火材料、保温材料和绝热材料; 这种三层结构设计， 以总厚度450mm为例，外壁温度为80~90℃。

2)方案二， 包括耐火材料和保温材料。该结构外壁温度较高， 以305mm总厚为例，温度达到150~180℃。

3) 方案三，包括耐火材料和绝热材料。这种方案介于前两种方案之间， 以270mm总厚为例，外壁温度约为110~140℃。

一般而言， 二燃室温度约为1100~1200℃，燃烧器局部温度甚至达到1300℃以上， 所以工作层选择刚玉莫来石质即可满足使用要求，燃烧器区域工作层建议使用刚玉质或者铬刚玉质材料。 相比较而言， 方案一的三层结构设计稳定性好，不容易因漏气或者串火， 导致筒体高温腐蚀或者超温变形而停炉检修。

图 5 二燃室典型耐火内衬设计
1.3 其他部位

余热锅炉部分主要是灰斗、集箱、 顶部密封以及出口烟道需要使用部分耐磨浇注料， 其中灰斗采用绝热材料和耐磨浇注料双层结果较多，总厚度一般在200~250mm。

急冷塔使用耐酸浇注料或者耐酸胶泥，顶部往下约2米区域温度较高可以采用25mm绝热材料作为隔热层， 内衬总厚度100mm即可。

2、典型回转窑危废工艺与耐火材料设计优化建议

根据现场调研发现， 耐火材料损毁主要集中于回转窑本体区域。危废焚烧主要包括以下几种典型处理工艺，针对此， 提出以下设计优化建议。

1)处理含水率高物料

进窑物料含水率高，进料端耐火材料热剥落严重，热震稳定性好的莫来石质、刚玉莫来石质、刚玉碳化硅质等耐火材料适用于此区域。

2)窑头废液处理量大、 雾化不好

一般窑头通过雾化枪处理废液，焚烧区域主要在干燥段，受设备影响如果雾化效果不好时，该区域耐火材料也会出现剥落损毁，莫来石质、刚玉莫来石质、刚玉碳化硅质材料同样适用于此。运行时，一般要增加检查雾化设备频次，同时废液处理量不超过30%为宜。

3)铁皮(桶)等硬料处理量大

铁桶等物料硬度大，回转窑转速慢，物料在窑内反复旋转造成进料区机械磨损严重。选择强度高、耐磨性更好的刚玉碳化硅质耐火材料使用效果良好。

4)含低熔点盐量高的物料

物料含K、 Na盐量大于5%以上后，熔点较低，容易形成高温熔渣，对耐火材料渗透、侵蚀严重。出现高温熔渣时， 高温区耐火材料选择铬锆刚玉质较为合适，一般Cr2O3含量为3~10%不等。

5)含氟量高的物料

物料中含氟比例较高，达1~4%时，如式(1)所示，由于F和耐火材料中Si很容易反应形成SiF4气化，造成衬里基质结构破坏，快速侵蚀;要严格控制耐火材料中杂质含量尤其是二氧化硅含量，采用Cr2O3含量为9~15%铬刚玉材料，可以满足回转窑正常运行需要。

SiO2 + 4HF = SiF4↑ + 2H2O (1)

3、结束语

危废焚烧是新兴领域， 其中危废种类复杂繁多，物性、热值差异较大，回转窑和二燃室内衬根据需要，设计形式多样。 随着国家对危废的监管力度加大， 大型回转窑焚烧技术将在危废处理中得到更广泛的应用，对回转窑焚烧炉耐火材料选型和设计提出了挑战。与传统高温窑炉相比，耐火材料研究人员应更多关注危废物料特性、 工况特点(焚烧温度、烟气成分)等。