危險廢棄物新型熱解爐的優化設計與應用

劉志軍，陶瑛，任鞠萍，胡建軍

1 引言

目前，世界發達國家開始采用較先進的垃圾焚燒技術——垃圾熱解氣化焚燒爐技術。熱解氣化焚燒爐的爐型很多，其中很多爐型都使用了灰渣熔融技術，即將垃圾在高溫下焚燒和熔融為一體，得到可燃氣體和易燃物，同時回收其熱量，減少燃料的使用。目前熱解氣化爐的種類很多，有的裂解爐爐體直接采用了水泥立窯的設計，沒有根據物料的特性和應用進行相應的優化設計，物料的適應性差，設備容易損耗，效率低，灰渣采用水淬冷，熔渣含水量大，不便后續處理。有的裂解爐參考化工設備，需要停爐裝填物料，物料間通風條件不好，反應慢，爐內裂解反應不均衡，物料裂解焚燒完畢后，需要停爐通風冷卻，整個反應過程時間長，效率低，工作條件惡劣。針對熱解氣化爐存在的以上問題，我們在某危險廢棄物處理項目中對熱解爐進行了結構設計和優化。

2 熱解爐結構

2.1 工作原理

熱解爐包括上部爐體、中部爐體和下部爐體。上部爐體設置有物料入口，中部爐體內安裝有旋轉爐排，下部爐體設置有打散爐排和冷卻裝置。物料通過入口進入熱解爐的爐體內，在爐體內堆積，通過下部物料燃燒層產生的熱量由上而下對其進行干燥、裂解、燃燒，通過爐排的轉動，將物料向下輸送，打散爐排將下部燃盡層結塊的灰渣打散，經由冷卻裝置冷卻后，由回轉下料器運至熱解爐外。熱解爐的整體設計如圖1所示。

圖1 熱解爐整體效果圖

2.2 入料方式

熱解爐的物料輸送采用無軸螺旋輸送機給料，物料通過伸入到爐中的管道進入爐體。無軸螺旋輸送機比較適合片狀、塊狀物料的輸送，不容易堵料，其通過物料自身的擠壓能夠形成對煙氣的自密封，不需要推桿、二道閘板閥等容易出現堵塞故障的設備，設計簡單有效。爐體頂部還留置了漆渣和廢液入口，可以根據物料的熱值等特性，調節物料配比，減少輔助燃料的使用。

2.3 旋轉爐排

2.3.1 結構優化

爐體內的物料如果堆積太高，物料之間的間隙小，通風不好，則不利于熱解化學反應的進行；物料如果太薄，物料之間的氣體容易發生“短路”，則會造成熱解反應不均衡，局部溫度過高。因此，在中部爐體設置有5個旋轉爐排，爐排中間的排齒交錯排列，爐排軸通過連軸器單獨與減速電機連接。如圖2所示，5個爐排呈中間高兩邊低的拱形排列布置，這種方式能夠在中部爐體下部與下部爐體間形成空腔，物料在排齒的支撐下與空氣充分接觸，熱解反應順暢。通過設置在爐體頂部的料位檢測設備，可以準確測量爐體中的物料高度，通過設定的程序分別控制5臺減速電機的轉速從而控制物料高度，實現物料在爐體內的充分燃燒。

圖2 旋轉爐排結構圖

旋轉爐排的排齒采用耐熱鋼制造，軸中間設有冷氣風通道。通過鼓入冷風，降低排齒的溫度，提高了排齒的使用壽命。空氣冷卻方式與原先的水冷方式相比，解決了水冷卻容易發生泄漏、破壞熱解反應進行、泄漏的污水處理困難等問題。

2.3.2 物料在裂解層停留時間的計算

式中：

Q——裂解爐處理能力，取Q=50t/d

γ——物料容積密度，取γ=0.8t/m3

S——爐排所處截面積，取S=5.5m2

H——裂解層高度，取H=2m

經過計算，T=254min＞45～60min，滿足裂解所需的時間。

2.3.3 爐排功率計算

式中：

Px——料倉在水平方向上物料的壓力，Pa

Py——料倉在垂直方向上物料的壓力，Pa

RH——水力半徑，料倉截面積/料倉周長

μ——物料與倉壁之間的摩擦系數

k——側壓系數0.33

δ′——物料內摩擦角，°

g——重力加速度

考慮到在進行裝卸料時，料倉物料為動態，物料壓力會顯著增加，有明顯脈沖現象，壁面受到沖擊和反復載荷的作用，形成動載荷，圓形鋼筋混凝土料倉和矩形鋼質深料倉動力系數按以下公式計算：

式中：

h——料倉垂直壁的高度，m

Bmin——料倉卸料口的最小尺寸，m

經過計算：

Py=38 165Pa

單個爐排的受壓面積S=0.4m2

力臂a=0.325m

扭矩M=Py×S×a=5 200N·m

設計轉速n=4r/min

電機設計功率P=M×n/9 550=2.2kW

2.4 下部爐體打散爐排及冷卻裝置

在下部爐體中設置有3個打散爐排，爐排轉軸通過傳動鏈聯接，3個爐排通過1臺減速電機驅動。在下部爐體兩邊布置有空氣噴管，通過風機鼓入自然風對燃盡的灰渣進行冷卻。冷空氣與灰渣進行熱量交換，加熱后的空氣與熱解后剩余的炭渣進行燃燒，釋放熱量。產生的高溫煙氣沿著爐體上行，在中部爐排處將物料加熱至500～750℃，危險廢棄物開始熱解。打散爐排能夠打散大料塊，防止灰渣板結，加快熱交換，縮短灰渣冷卻時間。

風冷式冷卻裝置（圖3）主要包括環形管道及冷卻風機，環形管道安裝在下部爐體外側，內側均布有若干連通下部爐體內部的送風管道，冷卻風通過第一送風管道吹入下部爐體內，對灰渣進行實時冷卻。這種冷卻方式相對于傳統的水冷方式，可以實現對燃燒后灰渣的及時冷卻，不需要停爐，可以保證生產的連續進行，節約水資源，冷卻后的灰渣不含水、體積小，有利于后續的填埋處置。

圖3 風冷式冷卻裝置

在熱解爐爐體下部出口設置有回轉下料器，密封性好，通過調節轉速能夠有效控制爐體下部燃燒層的高度，與下部設置的料位探測儀形成聯動。

3 耐火材料的選用

為了防止或者減少物料在熱解過程中在爐壁結焦粘接，在耐火材料施工中采用了新的施工工藝：在澆注料表面再敷設一層8mm的陶瓷貼片（圖4），陶瓷片表面光潔度高，摩擦系數小，能夠助流，減少物料結焦粘接。

圖4 耐火材料表面敷設的陶瓷貼片

4 結語

通過對熱解爐入料口、旋轉爐排、打散爐排、風冷式冷卻裝置的結構設計優化，實現了熱解爐的連續運行，只需要根據物料的熱值、燃燒特性和水分調節爐排的轉速，控制物料高度，根據出口煙氣的溫度調節下部冷卻風量。新型熱解爐自動化程度高，爐體中物料與熱的煙氣形成一個逆流熱交換過程，提高了熱量回收效率，同時灰渣中含水量低，方便后續填埋處理。■