危廢回轉窯焚燒爐耐火內襯設計及優化建議

危險廢物(以下簡稱危廢)種類繁多、成分復雜、區域差異化嚴重，處理不當會帶來一系列民生和社會問題。實踐證明，高溫焚燒是危廢安全處置和減容化的有效途徑，其中回轉窯焚燒工藝是危廢處理中有效的處置工藝之一，具有處理危廢種類多、處理量大等優點。我國自20世紀90年代，逐步開始使用回轉窯焚燒系統處理危廢。近年來，因耐火材料損毀導致的停窯事故多有發生，嚴重影響了危廢焚燒生產線的穩定運轉率，對回轉窯危廢焚燒爐耐火內襯設計優化以及高效運行等提出了迫切需求。

目前水泥窯協同處理危廢主要包括固體危廢、廢液以及RDF替代燃料等，主要從預熱器、分解爐、后窯口以及窯頭罩等部位處理，典型入料方式如圖1所示。
回轉窯焚燒爐是專業危廢焚燒裝置， 如圖2所示， 主體設備由回轉窯、 二燃室、 余熱鍋爐、急冷塔、脫酸、除塵系統構成。經過預處理的各類危廢通過不同喂養方式進入燃燒系統， 在自身重力和回轉窯的連續旋轉作用下，物料和助燃空氣充分接觸， 完成干燥、氣化和燃燒過程， 后殘留部分淬冷成灰渣。
根據爐氣和固體流動方向的不同，或回轉窯中燃燒器的位置，回轉窯焚燒爐可以分為逆流和順流兩種形式。其中， 燃燒器熱源在回轉窯的進料端， 固體和煙氣走向相同，成為順流式; 反之，燃燒器熱源在出料端， 固體和煙氣走向相反，稱為逆流式。目前危廢焚燒系統主要是以順流式回轉窯的設計為主， 逆流式回轉窯更適用于含水率高或熱值低的危廢等。回轉窯焚燒爐具有適用性廣特點，可同時處理固體、液體和氣體的危廢。環保要求日趨嚴格形勢下， 專業回轉窯危廢焚燒爐優勢明顯。據統計， 我國回轉窯危廢焚燒系統約有800條處理生產線，處理能力從20t/d到120t/d不等。2018年我國危廢焚燒處置產能規模達到616萬t/年，其中專業回轉窯焚燒占比53%，主要分布在浙江、江蘇、山東、河北、福建等地。

1、回轉窯危廢焚燒爐耐火內襯設計

1.1 回轉窯本體

回轉窯焚燒爐非常關鍵設備即為回轉窯本體， 因其是一種動態運轉設備，對內襯結構設計要求較高，首先要確保耐火內襯在動態高溫狀態運行下整體內襯的穩定性，防止耐火磚掉磚、抽簽等問題。對于危廢回轉窯系統而言，由于轉速比較慢，一般在1轉/分以下，可以根據廠房設計和節能要求選擇單層磚、雙層磚、復合磚和整體澆注等不同結構， 如圖3所示。回轉窯耐火材料總厚度一般是250~300mm不等，其中工作層耐火磚材質一般根據處理溫度和危廢種類不同，可以選擇高鋁質、剛玉莫來石質以及鉻鋯剛玉質耐火材料等。
 
采用厚度230~300mm單層結構時，由于耐火材料導熱系數大多在1.7~2.0以上，后期高溫區窯外壁溫度達到350℃以上， 但是整體結構穩定，適合于回轉窯在室外的項目。

采用隔熱磚和耐火磚雙層結構，因為隔熱磚導熱系數低，能起到降低窯皮溫度作用，窯外壁溫度可以控制在220℃左右甚至以下，節能效果好， 但是對施工要求較高， 適合于室內項目。這里要注意隔熱磚強度一般要求大于20MPa，隔熱磚厚度設計不能低于50mm。

既要達到單層磚的穩定性，又要降低外壁溫度，可以設計復合磚，即工作面是剛玉磚、 鉻剛玉磚，背面是氧化鋁空心球、 高鋁或者粘土質，隔熱層厚度約為50~70mm。這種產品生產效率低，而且由于工作層和隔熱層材質熱膨脹系數和燒結收縮率不同，因此，在連接處容易產生微裂紋，廢品率較高。

鑒于此，可以采用凹槽型復合磚設計，如圖4所示，工作層材質不變，尾部開槽后填充納米板等絕熱材料。這種凹槽磚型復合磚， 不僅生產和施工方便， 而且可以取得降低筒體外壁溫度30~50℃左右效果。
另外， 部分回轉窯采用輕質澆注料或者纖維板等作為隔材料， 工作層采用重質澆注料(金屬抓釘錨固)雙層澆注結構，可以合理控制回轉窯外壁溫度。該結構采用金屬件把耐火材料和筒體連為一體，不存在耐火磚脫落問題， 但是金屬件焊接質量和澆注料中水份烘干排出是關鍵。
 
以上幾種設計方案優缺點如表1所示。相比較而言， 耐火磚方案檢修和更換方便， 受環境和人為因素影響較小。現在新建項目回轉窯基本都是室外設計， 隨著提產和環保要求，采用單層結構穩定性較好， 高溫區可以考慮凹槽復合磚方式，降低外壁溫度。而且從防腐蝕角度， 筒體外壁溫度控制在160~320℃區間，比較合理。

1.2 二燃室

二燃室主要功能是對煙氣進行二次燃燒處理，可燃成份、飛灰顆粒以及二噁英等焚燒分解，物理和化學反應同時存在，反應劇烈。二燃室一般包括耐火材料、保溫材料和絕熱材料。其中， 耐火材料是指工作層重質澆注料、可塑料或者耐火磚等， 保溫材料是指保溫澆注料和保溫磚等， 絕熱材料是指硅酸鈣板、陶瓷纖維板以及納米板等。目前二燃室內襯設計主要包括三種方式， 如圖5所示：

1)方案一，包括耐火材料、保溫材料和絕熱材料; 這種三層結構設計， 以總厚度450mm為例，外壁溫度為80~90℃。

2)方案二， 包括耐火材料和保溫材料。該結構外壁溫度較高， 以305mm總厚為例，溫度達到150~180℃。

3) 方案三，包括耐火材料和絕熱材料。這種方案介于前兩種方案之間， 以270mm總厚為例，外壁溫度約為110~140℃。

一般而言， 二燃室溫度約為1100~1200℃，燃燒器局部溫度甚至達到1300℃以上， 所以工作層選擇剛玉莫來石質即可滿足使用要求，燃燒器區域工作層建議使用剛玉質或者鉻剛玉質材料。相比較而言， 方案一的三層結構設計穩定性好，不容易因漏氣或者串火， 導致筒體高溫腐蝕或者超溫變形而停爐檢修。
 
1.3 其他部位

余熱鍋爐部分主要是灰斗、集箱、 頂部密封以及出口煙道需要使用部分耐磨澆注料， 其中灰斗采用絕熱材料和耐磨澆注料雙層結果較多，總厚度一般在200~250mm。

急冷塔使用耐酸澆注料或者耐酸膠泥，頂部往下約2米區域溫度較高可以采用25mm絕熱材料作為隔熱層， 內襯總厚度100mm即可。

2、典型回轉窯危廢工藝與耐火材料設計優化建議

根據現場調研發現， 耐火材料損毀主要集中于回轉窯本體區域。危廢焚燒主要包括以下幾種典型處理工藝，針對此， 提出以下設計優化建議。

1)處理含水率高物料

進窯物料含水率高，進料端耐火材料熱剝落嚴重，熱震穩定性好的莫來石質、剛玉莫來石質、剛玉碳化硅質等耐火材料適用于此區域。

2)窯頭廢液處理量大、 霧化不好

一般窯頭通過霧化槍處理廢液，焚燒區域主要在干燥段，受設備影響如果霧化效果不好時，該區域耐火材料也會出現剝落損毀，莫來石質、剛玉莫來石質、剛玉碳化硅質材料同樣適用于此。運行時，一般要增加檢查霧化設備頻次，同時廢液處理量不超過30%為宜。

3)鐵皮(桶)等硬料處理量大

鐵桶等物料硬度大，回轉窯轉速慢，物料在窯內反復旋轉造成進料區機械磨損嚴重。選擇強度高、耐磨性更好的剛玉碳化硅質耐火材料使用效果良好。

4)含低熔點鹽量高的物料

物料含K、 Na鹽量大于5%以上后，熔點較低，容易形成高溫熔渣，對耐火材料滲透、侵蝕嚴重。出現高溫熔渣時， 高溫區耐火材料選擇鉻鋯剛玉質較為合適，一般Cr2O3含量為3~10%不等。

5)含氟量高的物料

物料中含氟比例較高，達1~4%時，如式(1)所示，由于F和耐火材料中Si很容易反應形成SiF4氣化，造成襯里基質結構破壞，快速侵蝕;要嚴格控制耐火材料中雜質含量尤其是二氧化硅含量，采用Cr2O3含量為9~15%鉻剛玉材料，可以滿足回轉窯正常運行需要。

SiO2 + 4HF = SiF4↑ + 2H2O (1)

3、結束語

危廢焚燒是新興領域， 其中危廢種類復雜繁多，物性、熱值差異較大，回轉窯和二燃室內襯根據需要，設計形式多樣。隨著國家對危廢的監管力度加大， 大型回轉窯焚燒技術將在危廢處理中得到更廣泛的應用，對回轉窯焚燒爐耐火材料選型和設計提出了挑戰。與傳統高溫窯爐相比，耐火材料研究人員應更多關注危廢物料特性、 工況特點(焚燒溫度、煙氣成分)等。