回轉窯危險廢物焚燒爐耐火材料的應用現狀

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。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材的創新優化、綠色環保以及運行等提出了迫切需求。

 

1、我國危廢無害化處置現狀

近年來，我國工業危廢產生量快速增加。據統計，2018年200個大、中城市工業危廢產生量達4643萬t，無害化處置量2482.5萬t。2020年，因新冠肺炎疫情的影響，產生的醫療危廢大量增加，危廢總量增至近1億t。焚燒法是非常有效的無害化處置方法之一，包括回轉窯焚燒爐和水泥窯協同兩種方式。據統計，2018年我國危廢焚燒處置產能規模達到每年616萬t，其中回轉窯焚燒占比53%，主要分布在浙江、江蘇、山東、河北、福建等地。

 

2、回轉窯焚燒爐系統

回轉窯焚燒系統示意圖見下圖，由回轉窯、二燃室、余熱鍋爐、急冷塔、脫酸、除塵系統構成。

 

圖1注：回轉窯式焚燒爐系統

我國回轉窯危廢焚燒系統約有800條處理生產線，處理能力從每天20t到每天120t不等，主要是以順流式為主。

 

3、回轉窯內襯耐材設計現狀

回轉窯危廢焚燒爐處理的危廢主要為含Cl、S、P、鹵素材料、無機鹽、氟化物等一些化學物料，同時處理一些廢氣和廢水，物料特性復雜。回轉窯本體是回轉窯焚燒爐關鍵的設備。

 

根據廠房設計和節能等要求，可選擇單層磚、雙層磚、復合磚和整體澆注等不同設計方案。根據處理溫度和危廢種類不同，工作層耐火磚材質一般可以選擇高鋁磚、剛玉莫來石磚、鉻鋯剛玉磚等。設計總厚度根據需要，從200mm到350mm不等。

圖2注：回轉窯設計示意圖

 

4、內襯耐火材料損毀狀況

回轉窯工作溫度為800~1200℃，實際窯內煙氣溫度達到1300℃以上，部分內襯直接接觸熔渣、窯內噴射滲濾液等，對耐火材料的抗侵蝕性、抗熱震性以及耐腐蝕性等要求較高。

圖3注：回轉窯焚燒爐區域分布示意圖

回轉窯焚燒爐區域分布示意圖見圖3，分為進料區、干燥區、燃燒區和燃燼區。各個區域是根據回轉窯長徑比或尺寸、物料特性和操作工藝不同而變化的。

圖4注：回轉窯耐火材料殘磚厚度

圖4示出了某危廢項目使用1年后耐火磚殘余厚度情況。主要損毀以熱剝落、物理磨損和化學侵蝕為主，窯頭進料端以熱剝落和機械磨損為主，干燥段均勻磨損，高溫區以化學侵蝕、機械磨損為主。其中，高溫區耐火材料快速損毀是停爐檢修的主要原因。某項目鉻剛玉磚使用1年后的殘磚X射線衍射分析（見圖5）顯示，產生了大量的霞石類礦物，同時檢測出有六價鉻存在。其顯微結構分析（見圖6）顯示，致密耐火磚內部玻璃相較多，可以推斷物料中鈉鹽與耐火材料發生反應，侵蝕并導致耐火材料損毀，同時會產生破壞性體積膨脹，破壞耐火材料結構。

圖5注：回轉窯殘磚的XRD圖譜

圖6注：鉻鋼玉殘磚的SEM照片

 

5、結語

危廢回轉窯內襯根據需要，設計形式多樣，要關注廢液量、含水率、鐵桶硬料、鹽含量和氟含量等因素。對于熔渣式回轉窯焚燒爐高溫燃燒區，鉻剛玉質耐火材料抗侵蝕優勢明顯。但危廢焚燒工況下六價鉻形成問題突出，應開展無鉻化研究。隨著對危險廢物的監管力度的加大，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優化和設計提出了挑戰。