氣動式階梯預燃爐在水泥窯協(xié)同處置的工程應用

近年來，伴隨著經(jīng)濟快速發(fā)展和城市化進程加快，如何合理處置日益增長的城市生活垃圾、工業(yè)廢棄物和危險廢棄物等問題備受關注。水泥窯因其特有的高溫、堿性環(huán)境優(yōu)勢，成為各類廢棄物資源化和無害化處置的有效途徑。2019年，國家發(fā)改委公布的《產(chǎn)業(yè)結(jié)構調(diào)整指導目錄（2?019本）》首次將“水泥窯協(xié)同處置”技術和“替代燃料技術”列為重點項目鼓勵發(fā)展，水泥窯協(xié)同處置已成為水泥行業(yè)和垃圾應用領域新的經(jīng)濟增長點。由于廢棄物投入水泥窯后極易造成煤粉的燃燒波動，直接影響熟料燒成系統(tǒng)的熱平衡穩(wěn)定，而我國廢棄物產(chǎn)量日益增加，且呈現(xiàn)來源廣泛、成分復雜、含水率高、熱值低、有害元素高等多樣化復雜化趨勢。這就要求：水泥窯協(xié)同處置廢棄物的總處置能力需要不斷提升，協(xié)同處置廢棄物后對水泥窯爐的燒成工藝、熟料產(chǎn)質(zhì)量不產(chǎn)生負面影響，最大限度地挖掘廢棄物中的有用資源，避免簡單粗暴的一燒了之。為此，研究者研發(fā)了各種可與水泥窯聯(lián)合使用的熱工燃燒裝置，從離線式協(xié)同處置的汽化爐、熱解爐到在線式協(xié)同處置的熱盤爐和爐排爐，作為廢棄物燃燒的緩沖設備，這些前置燃燒設備可最大限度降低廢棄物對熟料燒成系統(tǒng)的影響。但離線式處理技術與水泥窯獨立運行，只是利用水泥窯處理熱工燃燒裝置處置后灰渣或煙氣，對可燃廢棄物中的熱能有效利用率很低，只能達到25%~35%；而在線式處理技術就是在窯尾分解爐旁增設一個預燃裝置，如丹麥FLS公司熱盤爐、德國洪堡公司KHD型燃燒爐和成都院SPF型階梯預燃爐。這類預燃爐與分解爐組成一個統(tǒng)一的廢棄物預燃系統(tǒng)或者說是分解爐的一個組成部分，其可適用于幾乎不需任何預處理的原生態(tài)可燃廢棄物，不僅實現(xiàn)窯尾的煤熱量替代率均達到90%以上，而且也大大提升整條水泥生產(chǎn)線的協(xié)同處置效率。本文以中材天山某水泥窯協(xié)同處置500t/d生活垃圾項目為例，介紹了PrepolSC氣動式階梯預燃爐的結(jié)構形式與工作原理，對“預燃爐+水泥窯”在線式協(xié)同處置技術的工藝流程和實踐運行情況進行了分析與總結(jié)。1、“預燃爐+水泥窯”協(xié)同處置技術1.1結(jié)構形式與工藝布置本項目引進德國thyssenkrupp公司的PrepolSC5-15型號氣動式階梯預燃爐，通過支架框架支撐在窯尾鋼平臺上，與分解爐采用在線式連接的設計方式，安裝位于分解爐燃燒器噴嘴和C4生料撒料盒的上方側(cè)面。安裝過程中，需要改造三次風管、分解爐錐部和C4分料，具體的工藝布置見圖1。圖1PrepolSC預燃爐的結(jié)構和工藝布置“預燃爐+水泥窯”協(xié)同處置技術主要流程為：垃圾衍生可燃物經(jīng)計量后輸送至螺旋輸送機內(nèi)，利用鉸刀移動將物料壓入燃燒室的進料臺階上，從三次風管引取高溫熱風（約1?050℃）對其干燥、熱解與燃燒，當進料臺階上可燃物移動至噴嘴處，多級噴吹系統(tǒng)將其進一步輸送至預燃爐前端或分解爐內(nèi)，與流過的高溫三次風接觸完全燃燒。衍生可燃物的干燥、熱解和燃燒主要是依靠其本身燃燒釋放的熱量和三次風管引取的高溫熱風來維持，當預燃爐內(nèi)燃燒溫度高于1?000℃時，需要分一部分750℃的C4生料降溫，控制預燃爐長期運行的燃燒溫度為800~900℃。經(jīng)歷干燥、燃燒和燃盡三個過程后，焚燒生成的高溫煙氣全部送往分解爐，充分利用垃圾衍生燃料燃燒的熱量，燃盡后的爐渣作為水泥原料煅燒成熟料，可以將重金屬等有害元素有效地固化在熟料礦物中。氣動式階梯預燃爐主要是由1個拱門形的燃燒室和多級空氣噴吹系統(tǒng)組成，殼體正面設置有與2臺螺旋給料機連接的進料口，頂部焊接有用于引入三次風和C4冷生料的圓形管道，底部爐床設置有15步階梯式臺階，整體爐體內(nèi)壁打澆注料。預燃爐殼體側(cè)面安裝有觀察孔，用于觀察爐內(nèi)的堆料情況和焚燒狀況。燃燒室每層臺階縱向兩側(cè)設置有2組空氣炮，與其臺階橫向外側(cè)裝有的5組噴吹單元相連，噴吹單元與臺階爐床內(nèi)暗埋噴嘴依次相連，構成了由30組空氣炮和75組噴吹單元組成的多級空氣噴吹系統(tǒng)。各層的噴吹單元設置成“2+3”組合式，通過空氣炮的啟動頻率和順序控制，分層對點驅(qū)動噴吹單元的氣動執(zhí)行器，給爐內(nèi)噴嘴分配壓縮空氣脈沖，利用氣流使垃圾衍生可燃物及其燃燒殘留物在爐底臺階上翻轉(zhuǎn)、旋轉(zhuǎn)前進。物料的爐內(nèi)停留時間是由一系列噴嘴從爐排前端到末端全正常運行的時間，其由預燃爐空氣炮運行時間決定。1.2主要技術參數(shù)PrepolSC5-15預燃爐的相關設計參數(shù)見表1。表1PrepolSC5-15預燃爐的相關設計參數(shù)1.3衍生可燃物的特性項目采用中材環(huán)境設計的“二道破碎+三道篩分+二道風選”預處理分選技術，對當?shù)爻鞘猩罾M行破碎、分選，得到焚燒所用的衍生可燃物。表2和表3分別是衍生可燃物的物理特性和焚燒后灰渣的成分分析。由表2可知，該衍生可燃物主要是由塑料、紙張、織物和木質(zhì)等可燃物質(zhì)組成，其綜合平均含水率約為45%，低位熱值為11?830kJ/kg，衍生可燃物經(jīng)干燥后在800℃條件下焚燒生成約13.6%的殘渣。表2垃圾衍生可燃物的物理特性表3垃圾衍生可燃物焚燒后灰渣的成分分析由表3中的化學分析結(jié)果可知，衍生可燃物焚燒后的灰渣主要成分為硅鋁質(zhì)和鈣質(zhì)礦物，說明焚燒后殘留灰渣替代熟料原料的可行性，但要注意灰渣中重金屬的影響。除此以外，灰渣成分中堿含量和氯離子含量相比生料控制指標（Cl-≤0.015%）要高，長期滿負荷協(xié)同處置該衍生可燃物時，需使用旁路放風系統(tǒng)，以避免水泥窯燒成系統(tǒng)出現(xiàn)結(jié)皮堵塞和熟料氯超標的發(fā)生。2、運行效果2.1調(diào)試與優(yōu)化調(diào)試過程中，發(fā)現(xiàn)可燃物在預燃爐中的燃燒完全程度直接由三次風量、物料停留時間和物料層厚度決定，而可燃物的料層厚度與喂料量、密度、流速和停留時間是相關的?？s短物料停留時間使爐內(nèi)料層變薄，可燃物燃燒時間縮短，將會占用分解爐的燃燒容量，易造成煙室縮口處塌料現(xiàn)象；而延長停留時間以保證燃盡率時，增加爐床上料層厚度，易造成不完全燃燒，影響水泥窯系統(tǒng)的一氧化碳和氮氧化物波動，最后增多的低溫燃燒殘留物進入分解爐內(nèi)，嚴重時造成煙室縮口處塌料現(xiàn)象。由此，“預燃爐+水泥窯”協(xié)同處置系統(tǒng)開機運行后，主要歷經(jīng)2個階段4種不同處置量調(diào)試過程，其主要控制優(yōu)化參數(shù)可見表4。表4“預燃爐+水泥窯”協(xié)同處置調(diào)試優(yōu)化階段的主要參數(shù)由表4中的第一階段數(shù)據(jù)可知，在分解爐三次風和預燃爐三次風開度為70%/35%以及空氣炮的噴吹時間90~120min條件下，可燃物喂料量可穩(wěn)定在8~10t/h，其爐內(nèi)的燃燒溫度高于850℃，爐床溫度殘留物溫度保持400~460℃，此時可燃物喂入量小，燃燒停留時間長，可燃物燃盡率高，所以殘渣對熟料產(chǎn)量影響較小，仍可達235~240t/h。隨著可燃物喂料量的增加，預燃爐通過調(diào)整停留時間和分配三次風量無法實現(xiàn)水泥窯系統(tǒng)正常生產(chǎn)，甚至出現(xiàn)分部分750℃的C4生料才確保水泥窯生產(chǎn)的穩(wěn)定的現(xiàn)象，且喂料量越大，C4生料分料越大。盡管C4生料帶入熱量利于可燃物的干燥、燃燒，以及C4生料高速流動對可燃物表面的沖刷輸送作用，減少料堆積爐底的可能，但爐內(nèi)的燃燒溫度和殘留物溫度的降低影響著水泥窯的熟料產(chǎn)量?？紤]可燃物在預燃爐內(nèi)被高壓氣流噴吹翻轉(zhuǎn)，輕細的可燃物被三次風帶走燃燒，而大塊重質(zhì)可燃物循環(huán)翻轉(zhuǎn)，與高溫三次風表面接觸耗氧燃燒，可能是0.4MPa壓縮空氣無法使可燃物呈現(xiàn)動態(tài)流動。為此，技改增大空氣噴吹系統(tǒng)所用空氣壓縮機的能力，將壓縮空氣的壓力由原設計0.4MPa增大到0.65MPa以上，同時適當縮減窯尾煙室縮口的面積以減少系統(tǒng)塌料。從改造后的效果來看，得益于高的壓縮空氣脈沖對可燃物的強分散翻轉(zhuǎn)作用，動態(tài)流動中的可燃物能夠與三次高溫熱風充分接觸燃燒，其高效燃盡率可以保證縮短爐內(nèi)可燃物的停留時間而不影響完全燃燒。由此，能夠加快空氣炮的噴吹頻率，進一步控制爐床上物料的厚度變薄，最終衍生可燃物處理量提高到15t/h以上，爐內(nèi)的燃燒溫度仍高于850℃，爐床殘留物溫度保持300~400℃。與此同時，可燃物燃燒狀況的明顯改善，不僅使熟料的產(chǎn)量比技改前有所增加，而且水泥窯燒成的平均標準煤耗可降低至98.6kg/t。2.2對熟料品質(zhì)的影響由于衍生可燃物焚燒后殘留有硅鋁質(zhì)和鈣質(zhì)礦物，其作為替代原料全部進入水泥窯參與熟料的燒成，為此，我們對協(xié)同處置15t/h衍生可燃物條件下熟料的物理性能、化學性能和重金屬等指標分別進行了檢測，相關結(jié)果見表5~表7。表5協(xié)同處置熟料的化學性能表6協(xié)同處置熟料的物理性能表7協(xié)同處置熟料中的重金屬檢測結(jié)果由檢測結(jié)果可知，衍生可燃物高溫焚燒后產(chǎn)生1.12t/h的殘渣對熟料的顆粒度、強度和標準稠度用水量等物理性能以及礦物組成方面未見明顯不利影響，而且熟料的重金屬及其浸出重金屬均滿足《水泥窯協(xié)同處置固體廢物技術規(guī)范》（GB30760—2014）標準要求，說明衍生燃料中重金屬被有效固化于熟料礦物內(nèi)。3、總結(jié)（1）本協(xié)同處置生產(chǎn)線采用氣動式階梯預燃爐與水泥窯聯(lián)合，利用可燃物本身燃燒釋放的熱量和引取的三次高溫熱風，保證了可燃物的干燥、熱解和燃燒，實現(xiàn)生活垃圾預處理生成衍生可燃物的有效處理，降低了水泥熟料的燒成熱耗。（2）經(jīng)過增大壓縮空氣的壓力至0.65MPa和縮減窯尾煙室縮口面