許 欣

(中國恩菲工程技術(shù)有限公司,北京 100038)

近年來,工業(yè)危廢的產(chǎn)生量呈現(xiàn)逐年上升態(tài)勢,危廢處理能力和產(chǎn)量存量之間存在較大缺口[1],工業(yè)危廢處置及二次資源再生利用行業(yè)迅猛發(fā)展,截至2018年底,國內(nèi)頒發(fā)危廢經(jīng)營許可證共3 220份,這些項目的實施主要以反射爐、燒結(jié)爐、鼓風(fēng)爐工藝為主,但整體規(guī)模和生產(chǎn)能力偏小,多數(shù)企業(yè)研發(fā)能力弱、技術(shù)裝備落后[2]。 其中,反射爐工藝落后,裝備陳舊,生產(chǎn)環(huán)境差,煙氣余熱無法經(jīng)濟利用;燒結(jié)爐和鼓風(fēng)爐則因煙氣溫度低、燒結(jié)產(chǎn)生的二噁英無法處理而詬病頗多;鼓風(fēng)爐采用料柱熔煉,需要人工制磚,勞動強度大。 整體來說,傳統(tǒng)工藝處置效率低,資源回收率低,產(chǎn)生污染大。 我國在危廢處置領(lǐng)域現(xiàn)有裝備水平落后,所應(yīng)用的技術(shù)水平仍處在初級階段,不能為行業(yè)的發(fā)展提供有效的支撐,技術(shù)的升級換代勢在必行。

在2015年第三屆全國熔池熔煉會議上,中國恩菲工程技術(shù)有限公司(以下簡稱“中國恩菲”)首次提出“側(cè)吹浸沒燃燒熔池熔煉技術(shù)(side-submerged combustion smelting process,SSC)”[3],該技術(shù)是由中國恩菲開發(fā)的具有自主知識產(chǎn)權(quán)的一種強化熔池熔煉技術(shù)。 SSC 技術(shù)已在液態(tài)鉛渣直接還原、鉛膏等二次鉛雜料的連續(xù)熔化還原、鋅浸渣等二次鋅雜料的處理、錫精礦還原等有色冶金領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了工業(yè)化應(yīng)用[4-7]。

目前,中國恩菲開始將SSC 技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域逐步拓展到陽極泥、銅浮渣、電子廢棄物處置等方面[8-12],由于危廢原料成分變動較大,原設(shè)計的側(cè)吹浸沒燃燒爐難以適應(yīng)工況,中國恩菲對其進行了改進,并命名為“綜合回收處理爐”,該爐可滿足危廢處置利用的工況要求,并已實現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用,現(xiàn)處于推廣階段。

本文首先對SSC 技術(shù)的優(yōu)勢及不足進行分析,并在此基礎(chǔ)上,闡述綜合回收處理爐的設(shè)計特點,對其應(yīng)用情況進行介紹。

1 側(cè)吹浸沒燃燒熔池熔煉技術(shù)優(yōu)勢及不足

1.1 技術(shù)優(yōu)勢

經(jīng)過不斷的實踐和改進,SSC 技術(shù)逐步形成了一系列特有的技術(shù)優(yōu)勢。

1)熱利用率高。 噴槍位于側(cè)吹浸沒燃燒爐側(cè)墻,燃料及助燃氣體通過噴槍直接鼓入熔池中,在熔池內(nèi)充分燃燒,單位容積熱強度大。 同時,充分的攪拌使得熔池內(nèi)傳熱、傳質(zhì)過程快速、均勻。

2)作業(yè)率高。 爐體在熔池區(qū)采用了銅水套結(jié)合磚體的形式,通過強制冷卻的方式帶走磚體熱面大量熱量,來延長磚體使用壽命。 在侵蝕最嚴重的渣線附近,加大銅水套冷卻面積,使磚體熱面通過掛渣的方式形成對磚體的保護,大大減少了因修補磚體而帶來的停爐停工,爐體作業(yè)率可達300～330 d/a。

3)安全性高。 爐體設(shè)置鋼板外殼,強化了整體密封性,爐體不易因燃氣泄漏發(fā)生著火等安全事故。

1.2 應(yīng)用于危廢處置行業(yè)存在的問題

鑒于SSC 技術(shù)的現(xiàn)有優(yōu)勢,中國恩菲將其推廣應(yīng)用到危廢處置行業(yè)。 工業(yè)危廢處置具有熔點高、熱值低、成分復(fù)雜、來料不穩(wěn)定、煙氣含有毒有害成分等特點,大大區(qū)別于已有的應(yīng)用案例,現(xiàn)有的側(cè)吹浸沒燃燒爐難以適應(yīng)如此工況,因此,中國恩菲在保留側(cè)吹浸沒燃燒爐技術(shù)優(yōu)勢的同時,針對危廢處置行業(yè)的特點開發(fā)設(shè)計了綜合回收處理爐。

2 綜合回收處理爐的設(shè)計

綜合回收處理爐保留了側(cè)吹浸沒燃燒爐熱效率高、作業(yè)率高、安全性高的優(yōu)勢,采用了爐缸、擴大段爐膛和上升段直爐膛的基本爐型結(jié)構(gòu);同時,針對危廢利用處置的獨特屬性,在爐體上做了大量改進。綜合回收處理爐結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。 爐體主要由骨架、水冷原件、耐火材料、下料口、放出口、電極等部件組成。

采用SPSS 18.0統(tǒng)計學(xué)軟件對數(shù)據(jù)進行處理，計數(shù)資料以百分數(shù)（%）表示，采用x2檢驗，以P＜0.05為差異有統(tǒng)計學(xué)意義。

圖1 綜合回收處理爐

2.1 爐缸區(qū)

危廢物料在熔池內(nèi)的反應(yīng)為吸熱反應(yīng),因此綜合回收處理爐采用了保溫型爐底。 爐底底層采用高鋁磚鋪設(shè),通過鎂鉻質(zhì)澆注料搗打成反拱,上部與熔池直接接觸的工作層采用優(yōu)質(zhì)鎂鉻磚砌筑。

側(cè)吹浸沒燃燒爐爐缸四壁采用銅水套內(nèi)襯耐火磚的結(jié)構(gòu)形式,延長了磚體的使用壽命,綜合回收處理爐保留了這一優(yōu)勢,并延用該思路在四周爐墻設(shè)置了銅水套。 但危廢物料的熔渣具有更強的侵蝕性,因此綜合回收處理爐在渣線區(qū)域?qū)t墻銅水套設(shè)置了兩層長齒,增大了冷卻面積,對渣線波動區(qū)域磚體進行強化冷卻,便于爐墻磚熱面掛渣。 熔池下部則取消長齒,減小冷卻面積,減少爐缸底部熱損失。

SSC 技術(shù)的核心裝備為側(cè)吹噴槍,是中國恩菲專利技術(shù)。 側(cè)吹浸沒燃燒爐上側(cè)噴槍位于爐缸區(qū)爐墻兩側(cè),對稱布置。 這種固定式的布置,可均勻為熔池補熱,但難以在危廢處置行業(yè)適應(yīng)物料成分的頻繁波動。 在綜合回收處理爐中,原料來源不穩(wěn)定,入爐物料不同批次成分波動大,為保證爐況基本平穩(wěn)、熔池反應(yīng)順利進行,需對富氧風(fēng)量及天然氣量及時調(diào)整,因此綜合回收處理爐將側(cè)吹噴槍拆解為富氧風(fēng)側(cè)吹噴槍及天然氣噴槍兩種槍型。 富氧風(fēng)側(cè)吹噴槍在正常使用時可為熔池提供富氧風(fēng);需強化補熱時,可直接插入天然氣噴槍;不使用時,可以對其進行封堵。 通過對側(cè)吹噴槍的靈活應(yīng)用,可使綜合回收處理爐對物料成分波動有較高的適應(yīng)度。

2.2 擴大段爐膛

側(cè)吹浸沒燃燒爐在擴大段爐膛采用銅水套內(nèi)襯磚體的結(jié)構(gòu)形式,在平穩(wěn)運行的爐況下,使用效果良好。 但在綜合回收處理爐中,渣面波動范圍大,渣侵蝕性強,磚體消耗大,為降低生產(chǎn)成本,取消了該區(qū)域的耐火磚,采用了水套復(fù)合澆注料的結(jié)構(gòu)形式。澆注料主要起開爐保護作用,生產(chǎn)過程中,隨著渣的沖刷,澆注料脫落,靠銅水套掛渣操作。 銅水套具有良好的導(dǎo)熱性,渣層脫落后,銅水套可以承受300 kW/m2熱流強度的短時間沖擊,強烈的冷卻作用可使熱面在較短時間內(nèi)重新掛上渣殼。 為了加大冷卻強度,同時更便于掛渣,水套熱面設(shè)計若干凹槽。

綜合回收處理爐在回收二次資源的同時,可搭配處置一些具有可燃性質(zhì)的工業(yè)廢物。 在擴大段爐膛設(shè)置燒嘴口,廢有機溶劑等可燃危廢通過燒嘴噴入爐內(nèi),爐膛內(nèi)約1 300 ℃的高溫及氣氛便于其燃燒,燃燒生成的熱量又可以反哺熔池。

2.3 上升段直爐膛

上升段爐膛采用了鋼板水套結(jié)合澆注料的形式,取消了傳統(tǒng)側(cè)吹爐爐膛內(nèi)襯磚,大大減輕了爐身重量。 為保護鋼板水套,澆注料采用了特定配比的優(yōu)質(zhì)鋼纖維增強澆注料,同時在鋼板水套內(nèi)側(cè)焊接了大量的錨固件。

危廢物料在熔池反應(yīng)中生成CO,逸散到爐膛,需在出爐前對其進行處置。 擴大段爐墻與垂直方向呈約10°的傾角,使上升段直爐膛空間得以加大,同時在爐壁上開設(shè)了大量的二次風(fēng)口,鼓入富氧二次風(fēng),熔池內(nèi)未完全燃燒及反應(yīng)生成的CO 和廢有機溶劑燃燒產(chǎn)生的CO 在該區(qū)域得以完全燃燒。

2.4 渣貧化區(qū)

危廢物料處置最重要的就是要將來料進行無害化處理,為保證放出渣經(jīng)過水碎后成為玻璃態(tài)無害渣,特在綜合回收處理爐上設(shè)置了渣貧化區(qū)域。

該貧化區(qū)爐底增加一層反拱,阻止熔池底部金屬相進入渣中,在渣池與風(fēng)口區(qū)之間設(shè)置隔墻,擋住渣面浮料,同時減緩側(cè)吹噴槍攪動力對渣池的沖擊,為渣中有價金屬的進一步沉降分離提供有利條件。頂部插入兩根石墨電極為渣池補熱(圖2),保持熔煉渣良好的流動性。 由于原料來源復(fù)雜,且原料成分有較大波動,故設(shè)計了較大的調(diào)壓范圍及級數(shù),保障在達到棄渣標準的同時,最大限度回收有價金屬。貧化區(qū)設(shè)置一高一低兩個放渣口,正常生產(chǎn)過程中熔煉渣經(jīng)上渣口放出,當出現(xiàn)事故失風(fēng)或在其他需要降低熔池液面的情況下,啟用下渣口。

圖2 綜合回收處理爐渣貧化區(qū)

2.5 水冷密封爐頂

由于磚體砌筑成的爐頂存在磚縫,會在一定程度上存在煙氣的跑冒。 該綜合回收處理爐處置的工業(yè)危廢物煙氣中有二噁英等有毒有害物質(zhì),必須全部進入脫除系統(tǒng),不允許發(fā)生逸散。 其采用全澆注料的整澆爐頂,有很好的密封效果(已經(jīng)在側(cè)吹浸沒燃燒爐上有良好的工業(yè)應(yīng)用實例)。 但在綜合回收處理爐內(nèi),因廢有機溶劑等可燃危廢的燃燒釋放大量熱量,煙氣溫度可達約1 400 ℃,在長期高溫?zé)煔獾臎_刷下,澆注料會開裂甚至脫落,無法發(fā)揮其密封作用,也無法保證爐頂?shù)氖褂脡勖?為此,綜合回收處理爐采用了水套復(fù)合澆注料的形式,對爐頂進行全覆蓋式的冷卻,在保障密封的情況下,延長爐頂使用壽命。

入爐物料中有時會搭配處理一些飛灰,為防止下料口到出煙口之間發(fā)生短路,對爐頂進行了下壓式設(shè)計,可在一定程度上降低煙氣中含塵量。

2.6 出煙口

危廢物料來源復(fù)雜,為使反應(yīng)在爐內(nèi)充分發(fā)生,延長煙氣在爐內(nèi)停留時間,需盡量降低煙氣出口速度,因此在結(jié)構(gòu)條件允許的情況下,將出煙口進行了最大化設(shè)計。 在煙道內(nèi)設(shè)置三次風(fēng)入口,并在煙道出口設(shè)置煙氣成分在線監(jiān)測儀,實時檢測煙氣中殘氧量、CO 及SO2含量,超出控制范圍時,即刻調(diào)整二次風(fēng)和三次風(fēng)量及送風(fēng)富氧濃度,確保可燃物在爐內(nèi)完全燃燒。

3 應(yīng)用及推廣

危險廢物的種類十分繁雜,環(huán)境保護部發(fā)布的2016 版本《國家危險廢物名錄》中已包含46 大類別479 種[12]。 中國恩菲應(yīng)用綜合回收處理爐處理的工業(yè)危廢涵蓋了含銅廢物、含鉻廢物、電鍍污泥、有機污泥、有機溶劑、廢線路板、廢活性炭等多種類別。

目前,該技術(shù)已推廣應(yīng)用到數(shù)十個危廢處置及二次資源綜合回收項目中,部分項目技術(shù)指標見表1。

表1 綜合回收處理爐主要技術(shù)指標

4 優(yōu)勢及展望

SSC 技術(shù)具有熱利用率高、作業(yè)率高、安全性高等優(yōu)勢,中國恩菲在工業(yè)危廢處置及二次資源回收領(lǐng)域推進了SSC 技術(shù)的應(yīng)用,優(yōu)化設(shè)計出綜合回收處理爐。 綜合回收處理爐將工業(yè)危廢物料中的有價金屬提煉進入黑銅;入爐物料中的金屬氧化物與熔劑造渣固化,成為一般固廢;入爐物料中的有機物經(jīng)燃燒、驟冷、煙氣治理后達標排放;高溫?zé)煔饨?jīng)余熱鍋爐產(chǎn)生蒸汽,充分回收余熱。 該技術(shù)不僅達到了處置危廢的目的,還充分利用了工業(yè)危廢中的熱值,回收了銅等有價金屬,符合綠色冶金理念。

“十三五”以來國家出臺了一系列規(guī)范,不斷加大管理力度,倡導(dǎo)綠色經(jīng)濟,推動技術(shù)革新,防止“以污染治污染”。 未來綜合回收處理爐將成為取代鼓風(fēng)爐等傳統(tǒng)處置方法的新技術(shù),具有廣闊的市場應(yīng)用前景。