周枫林 赵强
江苏苏全固体废物处置有限公司 211803
摘要：目前，在国内外危险废物焚烧工程中，回转窑通常采用耐火砖砌筑，仅在窑两端采用耐火浇注料浇筑。通常采用的耐火砖主要有高铝砖、锆铬刚玉砖等，浇注料主要为高铝耐火浇注料，近年来多以碳化硅浇注料为主。可根据危险废物的成分进行选择。
关键字：物料元素；危险废物；焚烧工程；影响
一、焚烧工况的结焦分析
回转窑处理危险废物过程中的结焦情况主要有两种，包括：第一种为低熔点盐类在炉内的结焦，在焚烧处理废物的过程中，危险废物在高温下会进行分解，分解后的元素在高温下会重新组合，形成一部分低熔点盐类（主要是碱性成分和卤化物的结合）。这些低熔点盐类在高温下非常粘稠，它们会发生自身粘结并粘附其它物质而在回转窑内结焦。
第二种结焦方式主要是由于灰渣遇冷凝固造成的，窑尾出渣口部位的密封片处缝隙有冷空气渗入和除渣机中的水分蒸发导致局部温度下降而形成结焦。清除方式如下图所示，利用安装在回转窑后端板上除焦燃烧喷嘴进行熔化使其脱落。为防止此类方式的结焦，可采用高效的密封装置，防止冷空气的侵入。
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现对第一种结焦情况作详细分析：
1、低熔点盐类在炉内形成结焦的原理
在焚烧处理废物的过程中，危险废物在高温下会进行分解，水溶性碱金属快速析出，气态碱金属易粘附在粗颗粒表面，形成高粘度膜层，并与气相中的Cl、S等气相结合形成低熔点物质。这些低熔点盐类在高温下非常粘稠，它们会发生自身粘结并粘附其它物质而在回转窑内结焦。除含有Na、K、Ca的氯化物与硫酸盐外，还有少量的重金属元素（Pb和Zn），它们具有较低的熔融温度（ZnCl2为290℃，PbCl2为510℃），更易沾污壁面，粘附灰颗粒形成结渣。
2、控制结焦形成的措施
低熔点盐类在炉内形成的结焦极难清除，主要办法是控制废物的进料和控制焚烧炉的燃烧温度，通常是采用以下措施控制结焦的形成。
（1）进料时将含有钠、钾等成分的废物与卤素含量高的废物安排在不同的时间段进行焚烧；
有关研究公式计算碱金属氧化物在燃烧单位热量中占的量；
（1/Q)Wf，a（Wk2O,a+WNa2O,a)
公式中Q——废物的高位发热量，KJ/Kg；
Wf，a，Wk2O,a，WNa2O,a——分别是灰渣率，K2O、Na2O的质量分数，%。
经验表明：碱金属氧化物含量为0.17kg/GJ以上时可能会发生沉积，＞0.34kg/GJ必然发生沉积。
举例说明：按2019年我公司灰渣率30%，碱金属质量分数为2%时计算，碱金属氧化物含量为0.41kg/GJ，因此必然会发生沉积。一旦发生碱金属沉积就会在壁面上形成高粘度膜层，粘附烟气中的不可燃无机物颗粒，并与S、Cl等酸性元素结合生成低熔点物质。
故制定我公司焚烧废物入炉标准并严格控制：Cl＜2%；S＜2.08%；K、Na、Ca＜0.3%。
（2）对于含盐量较高的废物采取与其他废物搭配，例如掺入熔点高的物质如石灰等，再进行焚烧；尽量控制碱金属含量较高的物料或其他低熔点灰分废弃物的入炉量。若必须要处理高含碱金属废弃物，可以适当地配搭一些CaO，或者含有SiO2或Al2O3较高的黏土进行配伍。同时根据废弃物的热值，合理地进行配伍，以保证废弃物热值的稳定性。
（3）控制焚烧温度，合理供风；
危险废物焚烧处理效果受许多因素的影响，需要制定合理的焚烧制度来控制。“3T+1E”是指温度（temperature）、时间（time）、扰动（turbulence）和空气过剩系数综合控制的原则。“3T+1E”控制原则能确保有害成份的充分分解，从源头上控制酸性气体、有害气体（二噁英类物质）的生成，全面控制烟气排放造成的二次污染。
① 焚烧温度：温度是保证在焚烧炉中危险废物得到彻底破坏的最重要的因素。回转窑设计温度为1000℃，运行温度为850~1000℃。二燃室设计温度为1300℃，正常运行温度为1100℃。二燃室采用和回转窑不同的温度设计，保证了危险废物在二燃室中可充分焚毁。
② 时间：温度达到设计值后，为了使危险废物充分焚毁，停留时间必须足够长。通常固体物质在回转窑内的停留时间为30~120min,烟气在回转窑内的流速控制在3~4.5m/s,停留时间约2s,烟气在二燃室的流速一般控制在2~6m/s,保证停留时间大于2s。
③ 扰动：送入炉膛中的废物必须同氧气充分接触，才能在高温下全部快速高效地氧化，这就要求对废弃物进行适当的搅动。搅动越频繁，废物和空气混合越均匀越有利于焚烧。在工程实际中，主要利用供风布置和辅助燃烧器的布置来增加扰动。
④ 空气过剩系数：在危险废物燃烧过程中，空气过剩系数反应了燃烧状况。空气过剩系数大，燃烧速度快，燃烧充分，但供风量较大，产生的烟气量大，使后续的烟气处理负荷增大，不够经济。反之，则燃烧不完全，甚至产生黑烟，有害物质分解不彻底。根据多年的实践经验，通常取回转窑的空气过剩系数为1.1~1.3回转窑+二燃室总过剩空气量系数为1.7~2.0。
⑤ 窑内气氛：焚烧废物量与空气量的平衡可通过控制窑头过剩空气系数来实现物料的完全燃烧。若空气量不足或喷量过多，会导致物料的不完全燃烧，窑内形成还原气氛，大量的CO使物料中的Fe2O3，还原成FeO，FeO与其它氧化物形成低共熔物，使液相过量形成，加快了结圈的形成速度。一、二次风配合比例不当时也易形成结圈。回转窑的燃烧空气由一次风、二次风及漏风组成。由于一次风进风环道易出现供风不均匀，造成燃烧效果较差，因而需要二次风补充空气量提高燃烧效果。一次风量过低，会使火焰过长，液相出现早；一次风量过大，会使火焰过短，物料预烧不好．破坏了热工制度的稳定．也形成结圈。
⑥ 其他：焚烧炉膛中心温度一般可达1000℃，燃料中的灰份大多呈熔化状态，而四周壁附近烟温较低，如果烟气中携带的灰粒在接触壁面时仍呈熔化或粘性状态，则会逐渐粘附在管壁上形成紧密的灰渣层。焚烧炉结焦由许多复杂的因素引起，如炉内空气动力场、炉型、燃烧器布置方式及结构特性，废物的尺寸等都将影响炉内结焦状况。保证空气和燃料的良好混合，避免在内壁附近形成还原性气氛，合理而良好的炉内空气动力工况是防止锅炉内结的前提。
（4）选择可防止挂壁的耐火砖。
另外，如果窑内已经出现较严重低熔点盐结焦时，可以适当降低回转窑燃烧温度，待低熔点盐顺利焚烧进入出渣系统后再将窑内温度调整到正常运行温度。了解低熔盐等生成的特点，对于控制低熔盐粘结形成的结焦是十分重要。一般可以通过对废物的元素分析来判定废物的灰渣特性。在焚烧处理废物的过程盐类物质由于和其它元素的化合分解成份会被改变，它们会和其他组份重新结合成新的组份。
一个典型的例子是碱性成分(钠、钾)和卤化物(氯、氟)的结合。需要处理的废物中大多都含有氯或氟，当处理的其他废物中含有钠或钾时，低熔盐就会形成。典型的钠盐(NaCl)，单一成份的熔点是800℃。通过化学结合钠和氯时它会变得非常粘稠，它会发生自身粘结并粘附其它物质。一个大的块状物或长圆状物一旦形成，就会粘结更多的其它物质。这些粘状物在它完全被覆盖前可能得不到充分的焚烧分解，它们落到灰渣处理系统，会发生阻塞。
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灰渣的熔点还与其盐类组份的比例有关，如氯化钠和硫酸钠组合物的熔点低于纯盐的熔点；当两者的比例接近60/40时为最低。
二、对回转窑耐火材料的影响
危险废物在回转窑中焚烧，一般要经历干燥、热解、燃烧、燃尽等几个阶段。经过这几个阶段，危险废物中的有害成分在高温作用下被充分分解和破坏，形成高温烟气和炉渣。这些高温烟气和炉渣会对回转窑内砌筑的耐火材料造成侵蚀性破坏。所以，危险废物焚烧处理用的回转窑的耐火材料应同时具备如下特点：
（1）耐高温性。能够长期在800℃以上的高温环境下运行。
（2）高强度和良好的耐磨性。回转窑内的耐火材料需要具有一定的机械强度，以承受高温时的膨胀应力及回转窑壳体变形所造成的应力。同时，因为危险废物在窑内的运动及烟气中粉尘的磨擦，均会对窑内的耐火材料造成磨损，所以要求耐火材料具有较强的耐磨性。
（3）良好的化学稳定性，以抵抗烟气中化学物质的侵蚀。有关研究表明，对耐火材料质量影响最大的是碱（钾、钠）、卤族（氯、氟）和硫的化合物等。
（4）良好的热稳定性，能够承受焚烧状态的交变热应力。在停炉、起炉以及旋转运转状况不稳定的情况下，窑内的温度变化都比较大，这就要求耐火材料在温度变化剧烈的情况下，不能有龟裂或者是剥落的情况。
（5）受热膨胀稳定性要好。回转窑壳体（一般为碳钢板）的热膨胀系数虽然大于回转窑耐火材料的热膨胀系数，但是壳体温度一般都在150~300℃左右，而耐火材料承受的温度一般都在800℃以上，这样可能会导致耐火材料比回转窑壳体的热膨胀要大，而容易脱落。
（6）气孔率要低。如果气孔率高，烟气会通过渗透进入耐火材料中，腐蚀耐火材料。
目前，在国内外危险废物焚烧工程中，回转窑通常采用耐火砖砌筑，仅在窑两端采用耐火浇注料浇筑。通常采用的耐火砖主要有高铝砖、锆铬刚玉砖等，浇注料主要为高铝耐火浇注料，近年来多以碳化硅浇注料为主。可根据危险废物的成分进行选择。
工程设计中，危险废物焚烧的回转窑耐火材料分为三层：最外层为硅酸钙板；中间层保温层为轻质高铝耐火材料，内层耐火层为致密高铝材料，两种材料压制在一起，再经过高温烧结，线性膨胀系数一致，在高温下不会断开。
(1)危险废物中的碱金属元素K、Na、Ca对耐火材料的影响
碱金属氧化物和铝硅酸盐反应形成长石类矿物：
霞石 (Na2O.Al2O3.2SiO2) ，热膨胀系数~ 6%
六方钾霞石(K2O.Al2O3,2SiO2) 热膨胀系数~6%
白留石(K2O.Al2O3 .4SiO2) 热膨胀系数~10%
碱金属氧化物与氧化铝反应生成：
β-刚玉(K2O(Na2O).11A2O3) 热膨胀系数-17%
碱性铝酸盐((K2O(Na2O). Al2O3) 热膨胀系数~20%
另外碱金属会使游离氧化铝相（α-氧化铝)重结晶成（β-氧化铝）
生成的长石类矿物热膨胀系数变大，随着温度升高，体积膨胀，从而产生剥落。
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(2)Cl、S、P的影响
焚烧废物中的Cl、S、P元素会跟其他元素反应生产酸和盐类物质，酸类物质对浇注料的结合剂水泥发生反应。盐类物质会形成非侵蚀性反应。