气动式阶梯预燃炉在水泥窑协同处置的工程应用

近年来，伴随着经济快速发展和城市化进程加快，如何合理处置日益增长的城市生活垃圾、工业废弃物和危险废弃物等问题备受关注。水泥窑因其特有的高温、碱性环境优势，成为各类废弃物资源化和无害化处置的有效途径。2019年，国家发改委公布的《产业结构调整指导目录（2 019本）》首次将“水泥窑协同处置”技术和“替代燃料技术”列为重点项目鼓励发展，水泥窑协同处置已成为水泥行业和垃圾应用领域新的经济增长点。由于废弃物投入水泥窑后极易造成煤粉的燃烧波动，直接影响熟料烧成系统的热平衡稳定，而我国废弃物产量日益增加，且呈现来源广泛、成分复杂、含水率高、热值低、有害元素高等多样化复杂化趋势。这就要求：水泥窑协同处置废弃物的总处置能力需要不断提升，协同处置废弃物后对水泥窑炉的烧成工艺、熟料产质量不产生负面影响，最大限度地挖掘废弃物中的有用资源，避免简单粗暴的一烧了之。为此，研究者研发了各种可与水泥窑联合使用的热工燃烧装置，从离线式协同处置的汽化炉、热解炉到在线式协同处置的热盘炉和炉排炉，作为废弃物燃烧的缓冲设备，这些前置燃烧设备可最大限度降低废弃物对熟料烧成系统的影响。但离线式处理技术与水泥窑独立运行，只是利用水泥窑处理热工燃烧装置处置后灰渣或烟气，对可燃废弃物中的热能有效利用率很低，只能达到25%~35%；而在线式处理技术就是在窑尾分解炉旁增设一个预燃装置，如丹麦FLS公司热盘炉、德国洪堡公司KHD型燃烧炉和成都院SPF型阶梯预燃炉。这类预燃炉与分解炉组成一个统一的废弃物预燃系统或者说是分解炉的一个组成部分，其可适用于几乎不需任何预处理的原生态可燃废弃物，不仅实现窑尾的煤热量替代率均达到90%以上，而且也大大提升整条水泥生产线的协同处置效率。本文以中材天山某水泥窑协同处置500t/d生活垃圾项目为例，介绍了PrepolSC气动式阶梯预燃炉的结构形式与工作原理，对“预燃炉+水泥窑”在线式协同处置技术的工艺流程和实践运行情况进行了分析与总结。1、“预燃炉+水泥窑”协同处置技术1.1结构形式与工艺布置本项目引进德国thyssenkrupp公司的PrepolSC5-15型号气动式阶梯预燃炉，通过支架框架支撑在窑尾钢平台上，与分解炉采用在线式连接的设计方式，安装位于分解炉燃烧器喷嘴和C4生料撒料盒的上方侧面。安装过程中，需要改造三次风管、分解炉锥部和C4分料，具体的工艺布置见图1。图1PrepolSC预燃炉的结构和工艺布置“预燃炉+水泥窑”协同处置技术主要流程为：垃圾衍生可燃物经计量后输送至螺旋输送机内，利用铰刀移动将物料压入燃烧室的进料台阶上，从三次风管引取高温热风（约1 050℃）对其干燥、热解与燃烧，当进料台阶上可燃物移动至喷嘴处，多级喷吹系统将其进一步输送至预燃炉前端或分解炉内，与流过的高温三次风接触完全燃烧。衍生可燃物的干燥、热解和燃烧主要是依靠其本身燃烧释放的热量和三次风管引取的高温热风来维持，当预燃炉内燃烧温度高于1 000℃时，需要分一部分750℃的C4生料降温，控制预燃炉长期运行的燃烧温度为800~900℃。经历干燥、燃烧和燃尽三个过程后，焚烧生成的高温烟气全部送往分解炉，充分利用垃圾衍生燃料燃烧的热量，燃尽后的炉渣作为水泥原料煅烧成熟料，可以将重金属等有害元素有效地固化在熟料矿物中。气动式阶梯预燃炉主要是由1个拱门形的燃烧室和多级空气喷吹系统组成，壳体正面设置有与2台螺旋给料机连接的进料口，顶部焊接有用于引入三次风和C4冷生料的圆形管道，底部炉床设置有15步阶梯式台阶，整体炉体内壁打浇注料。预燃炉壳体侧面安装有观察孔，用于观察炉内的堆料情况和焚烧状况。燃烧室每层台阶纵向两侧设置有2组空气炮，与其台阶横向外侧装有的5组喷吹单元相连，喷吹单元与台阶炉床内暗埋喷嘴依次相连，构成了由30组空气炮和75组喷吹单元组成的多级空气喷吹系统。各层的喷吹单元设置成“2+3”组合式，通过空气炮的启动频率和顺序控制，分层对点驱动喷吹单元的气动执行器，给炉内喷嘴分配压缩空气脉冲，利用气流使垃圾衍生可燃物及其燃烧残留物在炉底台阶上翻转、旋转前进。物料的炉内停留时间是由一系列喷嘴从炉排前端到末端全正常运行的时间，其由预燃炉空气炮运行时间决定。1.2主要技术参数PrepolSC5-15预燃炉的相关设计参数见表1。表1PrepolSC5-15预燃炉的相关设计参数1.3衍生可燃物的特性项目采用中材环境设计的“二道破碎+三道筛分+二道风选”预处理分选技术，对当地城市生活垃圾进行破碎、分选，得到焚烧所用的衍生可燃物。表2和表3分别是衍生可燃物的物理特性和焚烧后灰渣的成分分析。由表2可知，该衍生可燃物主要是由塑料、纸张、织物和木质等可燃物质组成，其综合平均含水率约为45%，低位热值为11 830kJ/kg，衍生可燃物经干燥后在800℃条件下焚烧生成约13.6%的残渣。表2垃圾衍生可燃物的物理特性表3垃圾衍生可燃物焚烧后灰渣的成分分析由表3中的化学分析结果可知，衍生可燃物焚烧后的灰渣主要成分为硅铝质和钙质矿物，说明焚烧后残留灰渣替代熟料原料的可行性，但要注意灰渣中重金属的影响。除此以外，灰渣成分中碱含量和氯离子含量相比生料控制指标（Cl-≤0.015%）要高，长期满负荷协同处置该衍生可燃物时，需使用旁路放风系统，以避免水泥窑烧成系统出现结皮堵塞和熟料氯超标的发生。2、运行效果2.1调试与优化调试过程中，发现可燃物在预燃炉中的燃烧完全程度直接由三次风量、物料停留时间和物料层厚度决定，而可燃物的料层厚度与喂料量、密度、流速和停留时间是相关的。缩短物料停留时间使炉内料层变薄，可燃物燃烧时间缩短，将会占用分解炉的燃烧容量，易造成烟室缩口处塌料现象；而延长停留时间以保证燃尽率时，增加炉床上料层厚度，易造成不完全燃烧，影响水泥窑系统的一氧化碳和氮氧化物波动，最后增多的低温燃烧残留物进入分解炉内，严重时造成烟室缩口处塌料现象。由此，“预燃炉+水泥窑”协同处置系统开机运行后，主要历经2个阶段4种不同处置量调试过程，其主要控制优化参数可见表4。表4“预燃炉+水泥窑”协同处置调试优化阶段的主要参数由表4中的第一阶段数据可知，在分解炉三次风和预燃炉三次风开度为70%/35%以及空气炮的喷吹时间90~120min条件下，可燃物喂料量可稳定在8~10t/h，其炉内的燃烧温度高于850℃，炉床温度残留物温度保持400~460℃，此时可燃物喂入量小，燃烧停留时间长，可燃物燃尽率高，所以残渣对熟料产量影响较小，仍可达235~240t/h。随着可燃物喂料量的增加，预燃炉通过调整停留时间和分配三次风量无法实现水泥窑系统正常生产，甚至出现分部分750℃的C4生料才确保水泥窑生产的稳定的现象，且喂料量越大，C4生料分料越大。尽管C4生料带入热量利于可燃物的干燥、燃烧，以及C4生料高速流动对可燃物表面的冲刷输送作用，减少料堆积炉底的可能，但炉内的燃烧温度和残留物温度的降低影响着水泥窑的熟料产量。考虑可燃物在预燃炉内被高压气流喷吹翻转，轻细的可燃物被三次风带走燃烧，而大块重质可燃物循环翻转，与高温三次风表面接触耗氧燃烧，可能是0.4MPa压缩空气无法使可燃物呈现动态流动。为此，技改增大空气喷吹系统所用空气压缩机的能力，将压缩空气的压力由原设计0.4MPa增大到0.65MPa以上，同时适当缩减窑尾烟室缩口的面积以减少系统塌料。从改造后的效果来看，得益于高的压缩空气脉冲对可燃物的强分散翻转作用，动态流动中的可燃物能够与三次高温热风充分接触燃烧，其高效燃尽率可以保证缩短炉内可燃物的停留时间而不影响完全燃烧。由此，能够加快空气炮的喷吹频率，进一步控制炉床上物料的厚度变薄，最终衍生可燃物处理量提高到15t/h以上，炉内的燃烧温度仍高于850℃，炉床残留物温度保持300~400℃。与此同时，可燃物燃烧状况的明显改善，不仅使熟料的产量比技改前有所增加，而且水泥窑烧成的平均标准煤耗可降低至98.6kg/t。2.2对熟料品质的影响由于衍生可燃物焚烧后残留有硅铝质和钙质矿物，其作为替代原料全部进入水泥窑参与熟料的烧成，为此，我们对协同处置15t/h衍生可燃物条件下熟料的物理性能、化学性能和重金属等指标分别进行了检测，相关结果见表5~表7。表5协同处置熟料的化学性能表6协同处置熟料的物理性能表7协同处置熟料中的重金属检测结果由检测结果可知，衍生可燃物高温焚烧后产生1.12t/h的残渣对熟料的颗粒度、强度和标准稠度用水量等物理性能以及矿物组成方面未见明显不利影响，而且熟料的重金属及其浸出重金属均满足《水泥窑协同处置固体废物技术规范》（GB30760—2014）标准要求，说明衍生燃料中重金属被有效固化于熟料矿物内。3、总结（1）本协同处置生产线采用气动式阶梯预燃炉与水泥窑联合，利用可燃物本身燃烧释放的热量和引取的三次高温热风，保证了可燃物的干燥、热解和燃烧，实现生活垃圾预处理生成衍生可燃物的有效处理，降低了水泥熟料的烧成热耗。（2）经过增大压缩空气的压力至0.65MPa和缩减窑尾烟室缩口面