濕式除渣系統對危廢回轉窯焚燒系統的影響

宿向超，陳 翼，吳夢欣，姜 凱

（中國中材國際工程股份有限公司（南京），江蘇 南京 211106）

1 工程背景概述

回轉窯焚燒爐是目前國際上較被認可的一種危險廢物焚燒爐型，并且得到了廣泛的應用，技術成熟、方法可行，成本投入較?。?］。我國自20世紀90 年代開始，逐步開始應用回轉窯焚燒系統處理危險廢物，目前，全國90% 以上的危險廢物處置中心都采用了回轉窯危險廢物焚燒處理系統［2］。為改善除渣勞動環境和防止漏風，這類系統大部分采用了濕式除渣方式［3-6］，即在回轉窯二燃室出渣口下方設置水封，高溫爐渣通過水封進入封渣水池，通過與水的直接接觸來冷卻，采用濕式螺旋出渣機或者濕式刮板出渣機進行排渣。濕式除渣工藝被廣泛應用的原因是二燃室爐膛底部不易漏風、結構簡單和造價低。但是，濕式出渣工藝在使用過程中存在諸多弊端，如進入二燃室爐膛水蒸發引起煙氣溫度降低，高溫爐渣自身的熱量無法利用，排出的爐渣含水率高（一般30%～40%）影響綜合利用，存在熱灼減率不達標的風險，爐渣冷卻水需定期處置等。

近幾年，新建的危險廢物焚燒系統以日處置規模100 t 的回轉窯焚燒爐為主，單條回轉窯焚燒線日處置規模最大可以達到120 t。新建的幾十條日處置規模100 t 的回轉窯焚燒線仍廣泛采用濕式除渣工藝。但在進行回轉窯焚燒系統物料平衡和熱平衡計算時，無論是設備工藝提供方、設計方還是環評單位仍按照經驗，忽略了濕式除渣機的蒸發水量對焚燒系統的影響。另外，采用濕式除渣工藝，產生的高溫爐渣的熱量無法利用，爐渣高溫熱浪費明顯。參考火電領域，最初燃煤焚燒爐采用水力除渣系統（也是濕式除渣系統），后來隨著發電規模的擴大，燃煤量增加，水力除渣系統的耗水量和污水產生量也隨之增加，耗水、污水處置困難、爐渣熱量得不到利用的問題也凸顯出來。隨著國家對節能減排工程的開展與實施，干式除渣系統，即采用自然空氣代替水來冷卻爐渣的系統隨之被引進和推廣，從1999 年12 月17日河北三河電廠1 號機組的成功投運開始，在我國火電行業逐步推廣應用至今為止10 多年時間里，有約百余臺干式除渣系統設備投入運行。近幾年來，干式排渣方式因其簡化爐底除渣系統達到節能降耗目的，實現清潔生產，提高資源綜合利用，逐步取代了燃煤鍋爐傳統的水力除渣方式。因此，參考干式除渣技術在火電領域的成功應用，若將其應用于回轉窯危險廢物焚燒系統有何影響，也值得研究。

本研究通過建立數學分析模型，以某危廢回轉窯焚燒線（處置量為100 t/d）為例，計算因采用濕式除渣系統而進入回轉窯二燃室的水蒸氣量，以及這些水蒸氣對二燃室爐膛溫度和耗能的影響，并計算采用干式除渣系統對焚燒系統的影響，分析二者的技術特性，以期對回轉窯焚燒系統的優化設計提供參考借鑒。

2 工藝流程與設計參數

2.1 工藝流程

以某危廢處置中心的1 條100 t/d 危廢回轉窯焚燒處置線為研究對象，其處置工藝流程如圖1 所示。

圖1 某危廢處置中心100 t/d 危廢回轉窯焚燒處置線工藝流程Figure 1 Process flow of a 100 t/d hazardous waste rotary kiln incineration disposal line in a hazardous waste disposal center

2.2 設計參數

1）經過配伍，進入焚燒爐的物料，其組成成分如表1 所示。

表1 焚燒處理危險廢物焚燒配伍成分Table 1 Incineration compatible composition for incineration treatment of hazardous wastes

參考相關文獻的計算方法［7］，該危險廢物焚燒配伍的低位熱值約為14 700 kJ/kg，過量空氣系數取1.80，則該100 t/d 的回轉窯焚燒系統完全燃燒所需的空氣量（標況）為30 965 m3/h (40 038 kg/h），煙氣量（標況）為34 072 m3/h（43 513 kg/h）。

2）該危廢回轉窯焚燒處置線采用濕式除渣工藝，主要設備為水封刮板除渣機，其參數如下：灰渣排出溫度80～100 ℃；水箱水溫50～70 ℃；輸送能力1.8 t/h；出渣口（水封面）尺寸為長4 110 mm、寬1 420 mm；外形尺寸為總長18 m、寬1.78 m、高1.67 m；二燃室爐膛底部至水封面距離1 240 mm。

3）該回轉窯焚燒線產生的灰渣成分：高溫渣排出率90 %；高溫渣排出溫度850 ℃；高溫渣密度1.0 t/m3；濕渣密度1.35 t/m3；濕渣含水率30%。

4） 外界環境條件取值：除渣機補水水溫20 ℃；環境溫度20 ℃，相對濕度40%。

3 分析方法

3.1 濕式除渣系統簡介

該危廢回轉窯焚燒處置線的濕式除渣系統采用維持除渣機水封水位的方式運行，主要設備為水封刮板除渣機。該除渣系統的工藝流程如圖2 所示。

圖2 濕式除渣系統工藝流程Figure 2 Process flow of wet-type deslagging system

焚燒爐的焚燒殘渣從窯尾通過出渣口進入水封刮板除渣機，水淬冷卻后被刮板除渣機送到設置的專用渣倉，定期外運處理。水封刮板除渣機槽內灌滿冷卻水。料斗接口插入水中150 mm，通過自動補水保持水位恒定。這樣焚燒產生的煙氣和殘渣都不直接和外部接觸，達到密封的要求?；剞D窯濕式除渣系統布置如圖3 所示。

圖3 濕式除渣系統布置Figure 3 Layout of wet-type deslagging system

3.2 濕式除渣機數學計算模型

3.2.1 研究計算方法

考慮到濕式除渣系統熱量傳遞過程的復雜性和灰渣顆粒外形尺寸的多樣性，在建立計算模型時忽略對換熱過程影響較小的因素，以簡化計算［8］。

當回轉窯系統運行穩定后，除渣機槽體水溫將保持恒溫，當焚燒殘渣量變化時，槽體水溫將隨之變化，因此當外界條件不變時，不同的焚燒工況將對應不同的槽體水溫，槽體水溫也將是除渣系統熱平衡時的平衡溫度。因此求出熱平衡水溫是計算蒸發水量的關鍵。研究計算流程見圖4。

圖4 研究計算流程Figure 4 Research calculation flow

根據現場運行經驗，除渣機槽體水溫一般為60 ～70 ℃。根據DL/T 5142—2012 火力發電廠除灰設計技術規程，采用維持水位運行方式時槽體水溫不宜大于70 ℃。

3.2.2 除渣機總用水量計算

1）水冷式除渣過程水分的蒸發可分為3 種方式，即猝發式蒸發、自然蒸發和條件蒸發，其計算公式［9］如下所示。

式中：Gz、Gcf、Gzr、Gtj分別為除渣機渣水總蒸發量、猝發式蒸發量、自然蒸發量、條件蒸發量，t/h；Glz為焚燒爐渣產生量，t/h；Asf為除渣機水封口/出渣口面積，m2；tlz為爐渣溫度，℃，依據現場經驗，取850 ℃；t0為除渣機熱平衡水溫，℃；Azr為除渣機自然蒸發面面積，m2；T為環境溫度，取20 ℃；r為環境濕度，取40%。

式中：Gs為除渣機濕渣帶走的水量，t/h；?為濕渣含水率，一般為20% ～40%，依據現場經驗，取30%。

式中：G0為除渣機總耗水量，t/h。

3.2.3 熱平衡計算

水冷式除渣過程，輸入的能量包括補水帶入的熱量、高溫渣的熱量以及爐膛輻射熱量，輸出的能量包括濕渣帶走的熱量、渣水蒸發帶走的熱量和除渣機向環境的散熱量。

假設高溫渣冷卻后能及時被刮板帶走，且渣水溫度保持恒定，以0 ℃為基準，各項能量計算公式如下所示。

根據Stefan - Boltzmann 定律，爐膛對除渣機槽體關斷門內水面輻射熱量：

式中：Qbs為補水熱量，MJ/h；cs為補水平均比熱容，取4.187 kJ/（kg·℃）；tbs為補水水溫，取20 ℃；Qgz為高溫渣熱量，MJ/h；cz為高溫渣平均比熱容，取1.047 kJ/（kg·℃）；Qfs為輻射熱量，MJ/h；C0為黑體輻射系數，取5.67 W/（m2·K4）；tb為鍋爐爐膛溫度（爐膛排渣口區域溫度），取850 ℃；φ12為角系數，即鍋爐爐膛排渣口（表面1）發射的輻射能投到除渣機槽體的水面（表面2）上的份額，近似按“兩塊平行的、尺寸相同的矩形換熱表面”考慮；由于鍋爐爐膛容積大，可以將爐膛排渣口假定為：等溫大空腔表面的小孔，即爐膛排渣口可近似認為是黑體，根據黑體的性質，爐膛排渣口的黑度ε1= 1.0；除渣裝置槽體內水深遠大于0.1 mm，則水的黑度ε2= 0.96［9］；Qzf為水蒸發帶走的熱量，MJ/h；cv為含渣水的汽化潛熱kJ/kg，cv= 2 500 - 2.375 4·t0；czs為含渣水平均比熱容，取4.111 kJ/（kg·℃）；Qsz為濕渣帶走的熱量，MJ/h；Qsr為除渣機散熱量，MJ/h；Acz為除渣機表面積，m2；K為除渣機散熱系數，取51.41 kJ/（m2·K·h）；tw為除渣機表面溫度，一般該溫度比渣水溫度低4 ～6 ℃，取5 ℃；Q1為除渣機總熱量輸入，MJ/h；Q2為除渣機總熱量輸出，MJ/h。

3.2.4 除渣機蒸汽量對焚燒系統影響分析

1）對燃料消耗量的影響。

水蒸氣進入二燃室后被加熱到1 100 ℃，假設加熱水蒸氣的熱量均來自二燃室燃燒器，則二燃室燃燒器需要提供熱量：

式中：Qrs為二燃室燃燒器需要提供熱量，MJ/h；Hsq,1100、Hsq,100分別為水蒸氣在1 100 ℃和100 ℃的焓值，分別取4 893.46 kJ/kg 和2 675.60 kJ/kg。

燃燒器采用天然氣或輕柴油作為燃料，則天然氣或輕柴油消耗量：

式中：Grs1為采用濕式除渣工藝，二燃室燃燒器燃料量，kg/h；η為二燃室燃燒器的燃燒效率，取99%；q為燃料熱值，輕柴油取40.2 MJ/kg，天然氣（標況）取35.6 MJ/m3。

2）對焚燒煙氣的影響。

對于100 t/d 的焚燒系統，產生的煙氣量（標況）為34 072 m3/h（43 513 kg/h），除渣機蒸汽量約占0.89%，占比較小。

假設加熱除渣機水蒸氣的熱量均來自二燃室爐膛高溫煙氣（1 100 ℃），則除渣機水蒸氣引起的

式中：Δt1為除渣機水蒸氣引起的二燃室煙氣溫度變化，℃；Gyq為二燃室煙氣量，43 513 kg/h；cyq為二燃室煙氣比熱容，取1.16 kJ/（kg·℃）。

3.3 干式除渣系統簡介

目前還未見到干式除渣系統在危廢回轉窯焚燒處置工程中的應用案例。風冷干式除渣系統在我國燃煤電廠中應用較為廣泛，與常規的濕式除渣系統相比，風冷干式除渣系統具有節電、節水、環保和灰渣綜合利用效益好的特點［8］。 干式除渣機的工作原理是用自然空氣代替水來冷卻爐渣。適量的自然風在鍋爐爐膛負壓的作用下，進入干式除渣機以及鍋爐喉部區域，冷空氣逆向與渣相混，將含有大量熱量的高溫渣冷卻為可以直接貯存和運輸的冷渣。產生的熱風進入爐膛，冷卻后的渣由不銹鋼輸送帶輸出。干式除渣機原理示意［10］如圖5 所示。

圖5 干式除渣機原理示意Figure 5 Schematic of dry-type slag cleaner

從干式除渣的基本原理可以看出，對于回轉窯焚燒系統而言，采用干式除渣與傳統的濕式除渣相比具有以下優點：①冷渣介質為空氣，不需要冷卻水，可節約用水；②自然風的引入，吸收了底渣的熱量以及爐膛喉部的輻射熱，降低二次風機的鼓風量，有助于提高二燃室溫度，降低燃料消耗量；③焚燒殘渣可以在排渣過程中繼續燃燒，可以減少殘渣中未完全燃燒炭的含量，從而降低其熱灼減率。

但是采用干式除渣與傳統的濕式除渣相比又有一定的缺點：①設備由于采用較多的耐熱材料，導致造價偏高；②對于大塊的爐渣，冷卻效果較差；③爐渣口漏風系數較大，對爐膛送風系統的調節要求較高。

本研究主要分析危廢焚燒回轉窯系統采用干式除渣系統對焚燒系統的影響。

3.4 干式除渣技術數學計算模型

干式除渣系統爐渣冷卻風量［8，11］：

干式除渣機表面向環境散熱量：

干式除渣機冷卻風帶走熱量：

相比同等質量的二次風引起燃料量的變化：

相比同等質量的二次風引起煙氣溫度的變化：

式中：Gq為爐渣冷卻風量，kg/h；Glz為鍋爐排渣量， kg/h ；cz為爐底排渣比熱容，取1.047 kJ/（kg·℃）；ck為干式除渣機周圍環境空氣比熱容，取1.049 kJ/（kg·℃）；tz1為爐底排渣初始溫度，取850 ℃；tz2為干式除渣機出口渣溫，取150 ℃；tk1為干式除渣機周圍環境空氣溫度，取20 ℃；tk2為爐渣冷卻風入爐溫度，取300 ℃；Qgs為干式除渣機表面向環境散熱量，MJ/h；K為除渣機散熱系數，取51.41 kJ/（m2·K·h）；tbm為除渣機表面溫度，取50 ℃；Ag為干式除渣機表面積，為簡化計算，考慮干式除渣機大小與濕式除渣機相同，m2；T為干式除渣機周圍環境空氣溫度，取20 ℃；Qq為干式除渣機冷卻風帶走熱量，MJ/h；Grs2為采用干式除渣工藝，二燃室燃燒器燃料量，kg/h；Δt2為采用干式除渣工藝，二燃室煙氣溫度的變化，℃。

4 運行效果分析與討論

4.1 濕式出渣機計算結果

4.1.1 對物料平衡的影響采用公式（1）～（14），計算結果如表2 所示。

表2 濕式除渣機用水量及熱平衡計算結果Table 2 Calculation results of water consumption and heat balance of wet-type slag cleaner

由表2 可知，以某危廢處置中心配置有1 條100 t/d 危廢回轉窯焚燒處置線的濕式除渣系統為例進行計算，其除渣機熱平衡水溫為65.4 ℃，總耗水量為0.830 t/h。根據現場返回的運行數據，受危廢成分影響，除渣機水溫基本維持在60～70 ℃，用水量在0.8～0.9 t/h?？梢?，本次計算采用的方法基本可行。

因蒸發進入爐膛內的蒸汽量（猝發式蒸發量+條件蒸發量=0.387 t/h）占總蒸發量的90.5%，總蒸發量占總耗水量的51.6%（表2）。本項目的危廢處置量為4.17 t/h，進入爐膛的蒸汽量約為危廢處置量的9.28%，因此該蒸汽量應該在平衡計算中予以考慮。

4.1.2 對焚燒煙氣的影響

經公式（17）計算可知，除渣機水蒸氣引起的煙氣溫度降低值為30.0 ℃?？梢?，蒸氣量雖然占煙氣的比例很小，但是對煙氣溫度的影響較大。

4.1.3 對系統運行的影響

由于本項目的焚燒系統二燃室后續的設備為余熱鍋爐和急冷塔，急冷塔對煙氣進行噴水降溫，煙氣含濕量將急速增加，因此，除渣機產生的水蒸氣占煙氣的比例很小，除引起煙氣溫度變化外，對系統運行基本無影響。

4.1.4 對燃料消耗量的影響

經公式（15）～（16）計算可知，由于除渣機水蒸氣的進入將導致輕柴油消耗量增加38.1 kg/h，年運行7 000 h，則理論輕柴油年消耗量增加266.7 t。

若采用天然氣作為輔助燃料，則天然氣消耗量（標況）增加43.0 m3/h，年運行7 000 h，則理論天然氣年消耗量（標況）增加3.01×105m3。

4.1.5 濕式除渣機優化建議

由前述的計算分析可知，蒸發水量受水封面大小和除渣機水體溫度影響較大，因此在保證排渣順利的前提下，應當盡量減小鍋爐出渣口，減小水封面尺寸，延長除渣管長度。另外，增大除渣機水體容積，可以降低除渣機渣水熱平衡溫度，也可以減少濕式除渣機蒸發水量。

4.2 干式除渣系統計算結果

4.2.1 對焚燒煙氣的影響

經公式（22）計算可知，若其他運行條件不變，由于冷卻風的進入，煙氣溫度將提高5.25 ℃。

4.2.2 對燃料消耗量的影響

經公式（18）～（22）計算可知，由于爐渣冷卻風的進入，回轉窯焚燒系統二次風機鼓風量減少6.76%，將節約輕柴油消耗量6.66 kg/h，年運行7 000 h，則理論輕柴油年消耗量節約46.6 t。

若采用天然氣作為輔助燃料，則天然氣消耗量（標況）減少7.52 m3/h，年運行7 000 h，則理論天然氣年消耗量（標況）節約5.26×104m3。

可見，采用干式除渣工藝相比濕式除渣工藝更有利于回轉窯焚燒系統節能。

4.3 分析與討論

在多個全國核準危廢處置企業中，如東江環保、威立雅（中國）、新天地環境集團、蘇伊士環境集團、光大環保等，其危廢回轉窯焚燒爐配置的除渣系統均為濕式除渣系統。之所以采用該系統，是由于危廢回轉窯焚燒爐產生爐渣的最終去向是經過固化穩定化工藝處置后送至填埋場填埋。固化穩定化工藝本身就需要加入水，因此對爐渣的含水率要求不高。但是對特殊領域或者爐渣需要綜合利用的領域，如煉鋼廠的高含鐵的油泥，經焚燒處置后，爐渣需要再次回到煉鋼車間，含水率高則對煉鋼不利，此時采用干式除渣系統更合適。因此，干式除渣系統能否應用在危廢回轉窯焚燒處置工程中，還應依據實際情況確定。

4.3.1 爐渣冷卻效果

濕式除渣系統采用爐渣水直接接觸冷卻的方式，冷卻效果明顯優于干式，且對較大尺寸的爐渣冷卻效果也較好，排渣溫度一般低于70 ℃。冷卻后爐渣根據狀態不同，含水率也不同，一般在30%～40%。

干式除渣系統由于采用風冷冷卻，對粒徑小的爐渣冷卻效果較好，同時未燃盡的爐渣在干式除渣輸送帶上還可以進一步燃燒，因此，干式除渣系統對危廢回轉窯控制熱灼減率有利，且冷卻后的爐渣有機質含量更低，更有利于綜合利用，但是對于粒徑大的、塊狀爐渣冷卻效果較差。

4.3.2 對回轉窯、后續鍋爐換熱及尾部凈化系統的影響

濕式除渣系統的水蒸氣進入二燃室，會引起二燃室溫度降低，為保證回轉窯二燃室出口溫度（≥1 100 ℃［12］），必然導致二燃室補燃量增加，導致燃料耗量增加。煙氣雖然含水率增加，但是由于危廢焚燒系統的煙氣進入尾部凈化系統前，會經過余熱鍋爐和采用直接噴水冷卻的急冷塔，煙氣濕度會進一步增加，因此濕式除渣系統幾乎不影響尾部凈化系統的運行。

在干式除渣系統中，冷卻風靠爐內負壓吸入到干式除渣機內，冷卻風吸收爐渣的顯熱和爐渣可燃物釋放的熱量，升溫后進入二燃室，干式除渣機相當于二燃室部分二次風的空氣預熱器。該系統不僅可以節省二次風機功率還可以提高二次風送風溫度，對系統節能是有利的。但是對于采用二次風預熱的回轉窯焚燒系統，干式除渣系統的優勢將減弱［11］。由于二燃室出口煙氣采用控溫措施，過量空氣系數不變，總煙氣量變化不大，采用干式除渣系統不會影響后續鍋爐換熱及危廢焚燒系統的尾部凈化系統，但是干式除渣系統冷卻風量調節困難，回轉窯焚燒系統對二次風的調節要求提高。

4.3.3 技術和設備可靠性

濕式除渣系統結構簡單，技術應用成熟，在眾多的危廢回轉窯焚燒系統中，基本未發生由于濕式除渣機發生故障引起停爐事故的情況。然而，爐渣中氧化鈣含量高時又容易引發設備及管道結垢問題［13］。

干式除渣機在火電領域應用廣泛，基本未發生由于排渣機發生故障而引起停爐事故的情況［12］。然而，危廢成分復雜，含有的結焦的元素（Cl、Na、K 等）較多，干式除渣機由于冷風的進入，出渣口處溫度較低，容易引起出渣口結皮堵塞。

4.3.4 技術、維護和設備場地要求

濕式除渣機由于換熱效率高，結構緊湊，占地面積較小，內部構件不多，易維護。但是其產生的爐渣水需要定期更換，爐渣水由于冷卻過危廢焚燒后的爐渣，其含鹽量和重金屬含量存在超標風險，處置成本較高。

干式除渣機運行速度低，因此磨損低，輸送帶壽命較長，易維護，且不產生渣水，對配套設施要求低。但是由于運行速度低，輸送帶較濕式除渣機尺寸大，同等除渣規模，占地面積相對較大。

4.3.5 適用性和技術經濟性

濕式除渣系統結構緊湊，設備造價低，冷卻效率高，適合在較小規模和對爐渣含水率要求不高的危廢焚燒處置系統中應用。

干式除渣系統在較小規模的危廢焚燒系統中，由于回收爐渣熱量少，節能優勢不明顯，因此適用于較大規模的危廢焚燒系統。對于可以綜合利用的爐渣，采用干式除渣系統也更合適。干式除渣系統由于采用了較多的不銹鋼材料，整體造價成本較高，但是其不消耗水，不產生污水，長遠看，綜合成本是有優勢的。

4.3.6 展望

參考火力發電廠的除渣技術應用情況，干式除渣系統正逐步替代水力除渣，已經是火電領域成熟的、優選的工藝。針對危廢焚燒領域單線焚燒處置規模越來越大的發展趨勢，干式除渣機相比濕式除渣系統同樣具有類似優點。在火電領域，干式除渣系統符合國家的產業政策，已被國家經貿委、國家稅務總局列入第一批“當前國家鼓勵發展的節水設備（產品）目錄”。對于危廢焚燒領域，干式除渣系統也是應當被鼓勵和推廣的。

隨著環保指標要求越來越嚴格，用于危廢處置的新建柔性填埋場項目已經很難被獲批。而采用建設標準和投資更高的剛性填埋場會導致危廢焚燒爐渣處置成本增加。尤其是當焚燒爐產生干渣的成分適用于綜合利用的時候，如爐渣用作水泥原料，爐渣綜合利用的優勢就越來越明顯。隨著現有危廢填埋場庫容逐漸填滿封場，危廢焚燒爐渣綜合利用的路徑逐漸被打開，干式除渣系統勢必將被推廣應用。

5 結論

1）濕式除渣系統產生的蒸發水可以引起二燃室爐膛溫度降低，增加能耗，其對焚燒系統的影響應當被重視。系統的優化應重視對鍋爐出渣口、水封面和除渣機水體容積和散熱量的設計。

2）采用干式除渣系統，不消耗水，無廢水排放，可以回收爐渣熱量，減少二次風機送風量，相比濕式除渣系統更節能和環保。由于危廢成分復雜，干式除渣系統適應性較差，存在冷卻效果差、系統結皮堵塞的風險。干式除渣系統能否應用在危廢回轉窯焚燒處置工程中，還應依據實際情況確定。

3）在各危廢處置中心填埋場庫容有限、爐渣填埋成本升高、爐渣綜合利用越來越受重視的背景下，針對回轉窯焚燒系統的干式除渣工藝具有較強的應用和推廣價值。