胡文濤，張金流

（合肥學(xué)院生物與環(huán)境工程系，安徽合肥230601）

近年來(lái)，以焚燒為代表的垃圾處理工藝得到廣泛應(yīng)用，各種先進(jìn)焚燒技術(shù)和新式焚燒設(shè)備相繼出現(xiàn)，常用的焚燒設(shè)備有爐排爐、液體噴射爐、流化床、回轉(zhuǎn)窯等，這些焚燒設(shè)備都有著自身獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)和適應(yīng)性。與其它設(shè)備相比，回轉(zhuǎn)窯焚燒系統(tǒng)有著更為廣泛的適用性，可適用于各種固體、液體甚至氣體廢物的焚燒，尤其適用于各種工業(yè)危險(xiǎn)廢物、醫(yī)療垃圾等[1-2]。然而在實(shí)際運(yùn)行中，回轉(zhuǎn)窯常常會(huì)出現(xiàn)一些問(wèn)題，比如結(jié)焦現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)可能導(dǎo)致停產(chǎn)，甚至損壞整套設(shè)備。為預(yù)防回轉(zhuǎn)窯各部位結(jié)焦現(xiàn)象的發(fā)生，本文對(duì)某一企業(yè)回轉(zhuǎn)窯內(nèi)部各部位結(jié)焦物微觀結(jié)構(gòu)、元素組成及物相組成進(jìn)行觀察、分析，在此基礎(chǔ)上得出了回轉(zhuǎn)窯內(nèi)結(jié)焦的原因及預(yù)防措施。

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 樣品采集

在該企業(yè)回轉(zhuǎn)窯?；鹎謇砭S修期間，對(duì)回轉(zhuǎn)窯內(nèi)部小沉降室、二燃室、二燃室出口等處結(jié)焦物樣品進(jìn)行采集，具體取樣位置見(jiàn)圖1。

圖1 回轉(zhuǎn)窯焚燒工藝流程簡(jiǎn)圖Fig.1 The incineration process diagram of rotary kiln

1.2 樣品處理與測(cè)定

（1）SEM-EDS分析：將大塊樣品破碎，取一薄片樣品用雙面膠固定在載樣臺(tái)上（掃描前為了增加樣品的導(dǎo)電性，需對(duì)固定的樣品進(jìn)行噴金處理）。使用TM3030掃描電子顯微鏡（SEM-EDS）觀察結(jié)焦物樣品微觀形態(tài)，用EDS分析樣品元素組成，每個(gè)樣品均做兩個(gè)平行樣。

（2）XRD分析：將結(jié)焦物樣品用瑪瑙研缽研磨成細(xì)粉狀，過(guò)300目篩網(wǎng)，利用X射線衍射儀分析其物相。

2 結(jié)果與討論

2.1 結(jié)焦物表觀結(jié)構(gòu)特征

圖2（a）～（c）分別為回轉(zhuǎn)窯小沉降室、二燃室底部、二燃室出口等三處結(jié)焦物表觀結(jié)構(gòu)。從圖中可以看到，回轉(zhuǎn)窯小沉降室處結(jié)焦塊內(nèi)部呈現(xiàn)許多小孔，導(dǎo)致這一現(xiàn)象的原因是回轉(zhuǎn)窯焚燒飛灰在高溫下達(dá)到熔融或半熔融狀態(tài)，當(dāng)遇爐壁后冷卻黏附并逐漸凝固。由于回轉(zhuǎn)窯內(nèi)氣流速度較大，氣體不斷穿過(guò)半融狀態(tài)的結(jié)焦物時(shí)，導(dǎo)致結(jié)焦物凝固后內(nèi)部出現(xiàn)多孔構(gòu)造；二燃室底部結(jié)焦塊結(jié)構(gòu)較為緊密，與小沉降室處結(jié)焦物相比，孔隙較少；二燃室出口處結(jié)焦物形狀不規(guī)則，這與該處氣流速度較快，流速不均勻有關(guān)，部分部位較為緊密，部分部位出現(xiàn)少許孔隙，其形成機(jī)理與回轉(zhuǎn)窯小沉降室相同。

圖2不同部位樣品表觀結(jié)構(gòu)特征Fig.2 The apparentstructural features in differentparts of the sam ple

2.2 結(jié)焦物掃描電鏡微觀結(jié)構(gòu)特征

圖3 （a）～（f）為回轉(zhuǎn)窯不同部位內(nèi)壁結(jié)焦物的微觀結(jié)構(gòu)圖。從圖中可以看出，各部位結(jié)焦物整體上形狀較為單一，呈片狀或片狀堆積結(jié)構(gòu)，說(shuō)明結(jié)焦一旦形成，就會(huì)大面積在焚燒爐內(nèi)壁堆積，時(shí)間久了，鍋爐無(wú)法正常運(yùn)行，被迫停爐清焦[3]。圖3（a）（b）可以看到幾個(gè)孔徑存在，這與表面觀察的現(xiàn)象一致。由圖3（c）（d）可知，二燃室底部樣品表面平整，沒(méi)有微觀孔隙，結(jié)構(gòu)致密。由圖3（e）（f）可知，二燃室出口處樣品結(jié)構(gòu)復(fù)雜，既存在致密的結(jié)構(gòu)，又有許多小碎塊結(jié)構(gòu)，相互交接在一起，這與回轉(zhuǎn)窯氣體流速有關(guān)?？傊瑥纳厦鎾呙桦婄R圖可知，各部位結(jié)焦都是物料在高溫條件下分解后重新組合而成，結(jié)焦物質(zhì)地一般都較為致密，因而回轉(zhuǎn)窯內(nèi)壁一旦形成結(jié)焦物便難以清除，需要停爐后人工機(jī)械清除。

圖3 不同部位樣品掃描電鏡圖Fig.3 SEM images of different parts of the sample

通過(guò)EDS分析可知，回轉(zhuǎn)窯各部位結(jié)焦物元素組成存在少許差異，但其主要元素是 O、Si、Al、Ca、Fe、Na、Ti、Au以及少量的 Mg、K、Zn、Ba等（元素 Au是實(shí)驗(yàn)時(shí)為了增加樣品的導(dǎo)電性而鍍上的）。根據(jù)主要元素我們可以推測(cè)結(jié)焦物可能為 Si、Al、Ca、Fe、Na的氧化物或鹽類(lèi)組成的混合物。樣品中存在Na、K等堿金屬元素，易與鹵素、硫酸根等形成堿金屬鹽類(lèi)，如NaCl、Na2SO4等。由于其熔點(diǎn)普遍較低，這些堿金屬鹽類(lèi)在高溫下處于熔融態(tài)，易粘附在爐壁造成爐膛的結(jié)焦、結(jié)渣[4]，這是回轉(zhuǎn)窯結(jié)焦的重要原因之一，這一點(diǎn)與李曉東、路野等相關(guān)研究[5-6]是一致的。此外，F(xiàn)e元素在灰渣中的含量對(duì)回轉(zhuǎn)窯結(jié)焦也有重要影響，據(jù)相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)[7]，高溫下含硅酸鹽粉末易與FeO形成低熔點(diǎn)化合物鐵橄欖石、鐵鈣鋁硅酸鹽、鐵酸鈣、鈣鐵橄欖石等附著在窯襯上形成窯皮，而危險(xiǎn)廢物焚燒灰渣中SiO2的含量通常都較高，很容易促進(jìn)低熔點(diǎn)物質(zhì)的生成，導(dǎo)致結(jié)焦，隨著時(shí)間延長(zhǎng)逐漸長(zhǎng)大加厚，最終形成嚴(yán)重結(jié)焦。因此，灰渣中大量鐵元素和硅元素的存在也是促進(jìn)回轉(zhuǎn)窯內(nèi)結(jié)焦物形成的重要原因。

因此，針對(duì)上述低熔點(diǎn)堿金屬鹽類(lèi)在爐內(nèi)形成結(jié)焦物情況分析，我們可以采取如下措施來(lái)防止或減緩結(jié)焦的生成：焚燒進(jìn)料時(shí)將含有鈉、鉀等成分的廢物與鹵素含量高的廢物安排在不同的時(shí)間段進(jìn)行焚燒，以減少低熔點(diǎn)物質(zhì)的生成。

表1 不同測(cè)點(diǎn)元素組成及質(zhì)量分?jǐn)?shù)Tab.1 The elements weight percentage of different measuring points a～f

2.3 結(jié)焦物的物相組成

為進(jìn)一步確認(rèn)結(jié)焦物的組成，我們利用X射線衍射儀對(duì)回轉(zhuǎn)窯結(jié)焦物進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析，其衍射圖譜如圖4所示。

圖4 不同部位樣品XRD分析結(jié)果Fig.4 XRD analysis of samples from differentparts

回轉(zhuǎn)窯中所形成的結(jié)焦成分復(fù)雜，這一點(diǎn)由圖4（a）～（c）也可以看出，各部位樣品的XRD圖譜都出現(xiàn)大量的譜峰，為此這里只分析樣品的主要成分，結(jié)合EDS所得樣品中存在的元素分析結(jié)果，可以看出各部位結(jié)焦物主要成分為 SiO2、CaSiO3、FeSiO3，但由于各個(gè)部位溫度、煙氣流速、氣氛條件等因素存在差異，致使不同部位結(jié)焦物成分存在一定差異。

根據(jù)EDS分析可知，結(jié)焦物主要元素是O、Si、Al、Ca、Fe、Na、Ti。在高溫條件下，會(huì)發(fā)生如下反應(yīng)[8]：

CaO·Fe2O3與 2CaO·Fe2O3的熔點(diǎn)都較低，只有1225℃～1250℃和1300℃～1350℃。

當(dāng)窯內(nèi)燃燒不充分，呈現(xiàn)還原性氣氛時(shí)，CO可能將Fe2O3還原為FeO，F(xiàn)eO與SiO2反應(yīng)，生成熔點(diǎn)更低的FeO·SiO2：

FeO·SiO2的熔點(diǎn)為1205℃，三種共融物都將是結(jié)焦產(chǎn)生的先導(dǎo)[9]。

Al2O3存在時(shí)，F(xiàn)eO和SiO2、Al2O3和CaO等成分結(jié)合，形成熔點(diǎn)更低的共熔物相[10]：

一般來(lái)說(shuō)，酸性氧化物的存在能夠提高灰的粘度和熔點(diǎn)，而堿性氧化物在一定條件下有助于降低灰熔點(diǎn)[11]。酸性氧化物SiO2、Al2O3、TiO2等，雖然其熔融溫度較高，都有增高灰熔點(diǎn)作用，但影響程度卻不同。SiO2含量過(guò)高會(huì)產(chǎn)生較多的無(wú)定型玻璃體，使灰提早軟化，灰粘度也增高，且含硅的氧化礦物群和硅酸鹽礦物群會(huì)與某些堿性氧化物形成低熔點(diǎn)共熔體，這有助于熔解難熔的復(fù)合化合物，使灰熔點(diǎn)降低[12]。堿性氧化物Fe2O3、CaO、MgO、Na2O、K2O的含量在某一范圍時(shí)，都呈現(xiàn)出較強(qiáng)的結(jié)焦性；同時(shí)，F(xiàn)e2O3、CaO也是組成低熔點(diǎn)共熔體的重要成分，且二者的綜合作用比單獨(dú)作用更易形成低灰熔點(diǎn)的共熔體[13]。因此，為減少低熔點(diǎn)共熔體形成，一方面可以通過(guò)控制廢物的進(jìn)料，合理安排堿性氧化物含量高的物料，提高灰熔點(diǎn)；另一方面可以通過(guò)控制焚燒爐的燃燒溫度和供風(fēng)量，保證焚燒溫度在合理前提下低于灰熔點(diǎn)溫度，避開(kāi)結(jié)焦的溫度范圍；同時(shí)，提高供風(fēng)量，避免爐內(nèi)出現(xiàn)還原氣氛[14]。

3 預(yù)防焚燒爐內(nèi)壁結(jié)焦物形成的措施

（1）在焚燒前，需對(duì)焚燒物料進(jìn)行工業(yè)分析和灰熔點(diǎn)測(cè)試，避免堿金屬含量高的物料同時(shí)進(jìn)爐燃燒。在分析測(cè)試基礎(chǔ)上進(jìn)行合理配伍，運(yùn)行人員參考配伍方案，對(duì)焚燒爐進(jìn)行正確調(diào)整，確定好不同負(fù)荷條件下的最佳過(guò)?？諝庀禂?shù)，通過(guò)調(diào)整一、二次風(fēng)的風(fēng)率、風(fēng)速，以及物料風(fēng)、輔助風(fēng)的配比等，控制一燃室、二燃室溫度和爐膛出口煙溫，使物料充分燃燒而不在爐壁附近產(chǎn)生還原性氣氛?？傊?，必須嚴(yán)格按運(yùn)行規(guī)程和燃燒調(diào)整試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行焚燒爐的運(yùn)行和操作。

（2）投入使用優(yōu)化焚燒爐受熱面的吹灰器，嚴(yán)格按要求進(jìn)行焚燒爐吹灰，保證受熱面清潔。值班人員應(yīng)加強(qiáng)對(duì)吹灰器和現(xiàn)場(chǎng)出灰情況的監(jiān)視和分析，每班要檢查冷灰斗是否有堵焦現(xiàn)象，同時(shí)對(duì)焚燒結(jié)焦情況進(jìn)行就地檢查并做詳細(xì)記錄。

（3）要定期分析焚燒爐運(yùn)行工況和結(jié)焦情況，對(duì)焚燒易結(jié)焦的物料要重點(diǎn)分析焚燒爐爐膛出口溫度的變化規(guī)律，以及過(guò)熱器、再熱器管壁溫度變化的情況。一旦發(fā)現(xiàn)焚燒爐結(jié)焦嚴(yán)重時(shí)，可申請(qǐng)適當(dāng)降低負(fù)荷運(yùn)行和加強(qiáng)吹灰，如已采取降負(fù)荷運(yùn)行等措施仍無(wú)效時(shí)，應(yīng)立即匯報(bào)主管人員，申請(qǐng)停爐人工清焦。

[1]張國(guó)平，周恭明.利用回轉(zhuǎn)窯焚燒廢物簡(jiǎn)述[J].環(huán)境技術(shù)，2003（5）:18-23.

[2]賈軍峰，趙聯(lián)逢.危險(xiǎn)廢物回轉(zhuǎn)窯焚燒系統(tǒng)的控制參數(shù)分析及調(diào)節(jié)方法研究[J].環(huán)境與發(fā)展，2014（3）:25-27.

[3]任宗健.鍋爐高溫過(guò)熱器區(qū)域結(jié)焦積灰防治研究[J].科技與企業(yè)，2012（14）:184.

[4]呂宏俊，李曉東.化工有機(jī)廢液流化床焚燒處理的結(jié)焦結(jié)渣問(wèn)題研究[J].鍋爐技術(shù)，2005（5）:75-78.

[5]李曉東，呂宏俊，徐茂蓉，等.流化床焚燒處理有機(jī)濃縮廢液的結(jié)焦結(jié)渣特性[J].化工學(xué)報(bào)，2005（11）：134-139.

[6]路野，劉家寶，郝敬文，等.結(jié)焦特性分析及防止結(jié)焦的措施[J].黑龍江電力，2000（3）:18-20.

[7]李軍，張化明.邯鋼氧化球團(tuán)回轉(zhuǎn)窯結(jié)圈原因分析及預(yù)防[J].燒結(jié)球團(tuán)，2007（3）:55-58.

[8]彭志堅(jiān)，陳鐵軍，許海法，等.田湖回轉(zhuǎn)窯煅燒石灰結(jié)圈原因及抑制措施的探討[J].武漢科技大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2004（2）:136-139.

[9]陳鐵軍，彭志堅(jiān)，羅敏.漣鋼石灰回轉(zhuǎn)窯結(jié)圈形成的機(jī)理及防止措施[J].礦產(chǎn)保護(hù)與利用，2004（1）:37-42.

[10]葉匡吾.回轉(zhuǎn)窯結(jié)圈的防止和消除[J].燒結(jié)球團(tuán)，1998（6）:32-34.

[11]韓紅偉.大型鍋爐結(jié)焦特性分析及防止?fàn)t內(nèi)結(jié)焦的措施[J].山西電力，2008（1）：36-38.

[12]蘇懷勝，陳鴻偉.大唐盤(pán)山電廠鍋爐燃用神木煤防止結(jié)渣的可行性分析[J].電力設(shè)備，2008（1）：83-85.

[13]何金華，呂秀春，董利宏，等.煤質(zhì)結(jié)焦特性分析及防止結(jié)焦的措施[J].電站系統(tǒng)工程，2000（1）：39-41.

[14]張紹坤.回轉(zhuǎn)窯處理危險(xiǎn)廢物的工程應(yīng)用[J].工業(yè)鍋爐，2010（2）：26-29.□