垃圾焚烧对水泥窑炉系统的影响及控制

摘要

从垃圾破碎及气化、污水处理和旁路放风几方面详细介绍了垃圾焚烧工艺流程，以及垃圾焚烧对水泥窑脱硝系统、煤耗与电耗、窑炉系统的用风量、分解炉出口气体温度、旁路放风系统及回灰的影响，并提出相应的改进措施和操作控制，从而稳定水泥窑炉系统的正常生产。

利用流化床气化处理技术处置生活垃圾，将垃圾气化后的气体引入分解炉高温降解经预热器无害化排出，代替了焚烧、掩埋等传统的垃圾处理方式，真正实现了生活垃圾的无害化处理，是目前公认的最先进的垃圾处理技术。淮北矿业相山水泥公司5 000 t/d（Φ4.8 m×74 m）生产线配套KSV分解炉（Φ9.0 m×21.9 m），自2016年9月份垃圾焚烧系统投产运行，运行之后对窑系统带来了一定的影响，同时引起窑系统各项经济指标的变化。运行至今围绕着增加垃圾喂料量及稳定窑系统的运行做了一系列的优化调整，在此分享以做交流。

1 垃圾焚烧工艺流程简介

垃圾焚烧系统设计垃圾日处理量200 t/d，强制通风机风量200 m3/min，功率185 kW，目前运行中日处理垃圾量180 t/d，处理污水量1.5 m3/h。

1.1 垃圾破碎及气化

城市生活垃圾由垃圾运输车经密闭门进入卸料大厅，卸入原垃圾储存坑，经垃圾破碎机破碎后进入破碎垃圾坑储存。破碎后的垃圾由行车抓斗从垃圾坑送至喂料料斗，通过喂料输送板喂机、上下折翼挡板经双螺旋打散机打散后从液压密封阀送入气化炉。喂入气化炉内的垃圾经气化焚烧产生大约550 ℃左右的气体经输送管道送入分解炉。

1.2 污水处理

垃圾坑内渗出的污水经过滤器过滤后送至滤液槽，滤液槽内的污水经污水泵输送进入分解炉高温处理。

1.3 旁路放风

垃圾气化后的气体含有较高的有害成分，特别是氯离子含量高，在预热器系统循环富集造成结皮。在氯离子含量较高的窑尾烟室由除氯排风机（风量370 m3/min）抽取部分高温气体经稀释风机（风量165 m3/min）鼓入冷风瞬间冷却降温后经袋收尘器收集，降低窑系统氯离子含量。

垃圾协同处置工艺流程见图1。

图1 垃圾协同处置工艺流程

2 垃圾焚烧对窑系统煅烧的影响

垃圾焚烧对窑系统的影响主要表现在以下方面：进入分解炉的气体量、气体温度和气体成分[1]。

垃圾经气化炉气化后进入分解炉，入炉气体各项参数如流量、温度、成分受垃圾发热量、垃圾喂料量、系统散热及操作稳定性等影响，一般垃圾热值越低，产生的气体量越大，操作实践中出气化炉的风量在15 000~17 000 Nm3/h。气体输送管道和分解炉的连接口在三次风入口同一平面，由于这部分气体量和温度的不稳定造成窑系统的波动。由于气化炉距离分解炉较远，较长的输送管道抵消分解炉部分抽力，窑操作中一方面要兼顾气化炉内负压，另一方面重新寻找风煤料的平衡，降低因这股风的引入对窑系统造成的影响，提高窑系统稳定性，同时达到节能降耗的目的。

2.1 对脱硝系统稳定性的影响

垃圾焚烧系统投产后在线监测氮氧化物瞬时值波动幅度较之前增大。氮氧化物瞬时值的波动变化主要是垃圾焚烧系统运行后气化入炉气体成分不稳定造成脱硝区气体特性不稳定引起的。

主要存在两种情况：第一种，窑系统抽风不足，此时因系列原因造成大量垃圾入炉，由气化炉输送至分解炉的气体量增大较多，气体进入分解炉需要消耗部分氧气燃烧造成分解炉煤粉燃烧空气量不足，氧含量瞬间下降，一氧化碳含量上升，在喷氨量不变的情况下氨逃逸量增大，脱硝效率下降，在线监测氮氧化物上升100 ppm左右；第二种，气化炉止料，来自气化炉氧含量较低的气体量减少，窑尾烟室及分解炉出口氧含量均变大，在喷氨量不变的情况下在线监测氮氧化物瞬间出现大幅上升。

在正常生产中，应注意垃圾发热量不稳定、均化效果差等原因造成气化产生的入分解炉的气体温度及气体量变化大，从而造成脱硝效率的不稳定，做好入炉气体温度及管道压力的监控，及时调节氨水用量及系统拉风。

2.2 对煤耗、电耗的影响

操作实践中，垃圾焚烧系统强制风机风量（标况）基本稳定在15 000~17 000 Nm3/h，处理污水量1.5 m3/h。污水直接喷入分解炉，给预热器系统增加了14 000~16 000 m3/h废气量。预热器废气量增加，造成预热器内风速提高，预热器各级旋风筒阻力增加，窑尾高温风机拉风量增加。

此外，出气化炉的气体温度在550 ℃左右，具有一部分热焓，能够减少部分分解炉煤粉用量，从而起到节煤的作用。

因拉风量增大，PH锅炉入口温度升高，增大了发电量。

考虑到污水喷入分解炉汽化升温需消耗部分热量，污水是生活垃圾的渗滤液，本身含有氨的成分，喷入分解炉能够降低部分氨水消耗。为此增加一根管道入篦冷机一段，阀门可根据需要随时切换调节。污水喷入篦冷机可以降低系统阻力，减少高温风机拉风，减少对系统的影响，同时减少水汽化吸热对煤耗的影响。污水喷入分解炉流量控制在0.5 m3/h，喷入篦冷机控制在1.5 m3/h，根据窑工况做适当调整。

正常运行时气化炉气体输送管道、风管入分解炉接口弯头容易积料，加空气炮等措施均可在一定程度上保证气化炉负压，减小系统用风。为保证气化炉负压状态，除增加系统用风外要充分利用淡季检修时机对气化炉入分解炉风管积料清理，以降低通风阻力。

垃圾焚烧系统运行后高温风机转速由745 r/min增加至800 r/min，预热器出口负压由-5.9 kPa上升至-6.3 kPa，预热器出口温度由330 ℃上升至350 ℃，电流上涨15 A，熟料综合电耗上升1.35 kWh/t，窑总用煤量下降1 t/h左右，实物煤耗下降4 kg/t，受PH炉入口风温及风量增大的影响，平均发电量提升300 kWh/h，吨熟料发电量提升1.2 kWh/t。

垃圾焚烧投运前后窑系统主要经济指标对比见表1。

表1 垃圾焚烧投运前后窑系统主要经济指标对比

2.3 对窑炉系统用风的影响

CKK垃圾气化焚烧投运后预热器出口CO含量较之前有明显的上升，并且分解炉中部负压波动幅度较之前有所增加。考虑垃圾气化入炉风温较低，含有部分可燃气体，且入炉氧含量偏低，风入炉后需要消耗部分空气，导致煤粉不能快速接触到氧含量较高的三次风进行燃烧，在增大窑尾排风的同时将三次风闸板开度由之前的55%调整至65%，预热器出口分析仪显示CO含量有所下降。

2.4 对旁路放风系统的影响

CKK试运行期间因除氯排风机设备故障，除氯系统未投入运行，窑尾烟囱在线分析仪显示氯离子含量由正常的0.5 ppm上升至最高6.8 ppm，导致窑尾烟室结皮严重，清理困难，同时检修开门检查发现C5锥部结皮较厚，严重影响系统的安全稳定运行。相关资料表明，Cl-在烧成系统内形成的CaCl₂和KCl具有极强的挥发性，在回转窑内全部挥发，在预热器循环富集，形成的KCl强烈地促进了硅方解石2C₂S·CaCO₃矿物的形成，在预热器逐层粘挂形成结皮，而且这种结皮在900~950 ℃之间具有很高的强度，使得结皮很难清理，最终导致通风不良[2]。

对C5锥部结皮取样化验结果见表2。从表2可以看出，Cl-含量高达17.72%，较正常出窑熟料高出980倍，致使Cl-和Na+、K+、NH4+生成NaCl、KCl、NH4Cl等熔融温度较低的氯化物，导致结皮增长，致使系统阻力增大，电耗增加，存在结皮垮落堵塞预热器的风险。经过对旁路放风系统强化运行管理，增加除氯系统开机运行时间，每天检测化验除氯回灰氯离子，保证氯离子含量在6%以下运行，窑尾烟室结皮有明显好转。

表2 C5锥部结皮取样化验结果

正常氯旁路放风系统要根据窑尾烟囱中氯离子的含量来投入运行，必须确保窑尾烟囱在线分析仪中氯离子的含量低于0.5 ppm，当系统废气中氯离子含量大于0.5 ppm时，应开启氯旁路放风系统。同时对除氯系统回灰进行取样化验，确保回灰化验结果中氯离子的含量低于6.0%，当回灰化验结果中氯离子含量高于6.0%时，也应开启除氯旁路放风系统持续运行，且每两小时对除氯系统回灰取样送质控处进行检测，直至检测合格后方可停机。

运行初期也曾出现过因除氯旋风筒锁风下料翻板阀配重调整不到位，造成旋风筒收集下来的粉尘在阀板处堆积，然后大量塌落入窑造成窑工况波动的情况，后经检查及时进行了调整。

2.5 对分解炉出口气体温度的影响

从气化焚烧炉进入分解炉的废气温度平均在550 ℃，可替代炉内部分燃料，但入炉废气量和废气温度不稳定，加上约2 m3/h垃圾废水入炉，影响了炉内温度场和流场的稳定，操作上主要表现为分解炉出口温度和入窑物料温度波动大，分解炉喂煤调整频繁，对窑的操作提出了更高要求[1]，目前增加了分解炉出口温度和分解炉用煤量的联锁，根据分解炉出口温度的变化对分解炉用煤量进行实时调节，减轻了劳动强度，稳定了分解炉温度。

气化炉的波动造成分解炉内系统阻力的变化，从分解炉中部负压表显示可以看出这种波动较垃圾焚烧系统投产之前增大较多。这种波动除影响分解炉煤粉燃烧稳定性之外，对窑头火焰的稳定性也有一定的影响，特别是窑内氧含量控制较低的系统影响比较明显。为降低这种波动对窑系统造成的影响，除对窑系统优化调节保证一定的富余能力外，更主要的还要从加强垃圾的发酵、打散均化、加强喂料及提高操作稳定性着手，保证垃圾焚烧系统的稳定性。

2.6 旁路放风系统回灰的处理

旁路放风系统收集的回灰含有较高的钾、钠及氯离子，不能作为辅料用于生料配料，否则会造成有害成分进入生料系统产生恶性循环，为此我们将其作为混合材掺入水泥中使用，并做了大量试验。根据水泥中Cl-含量核算要求回灰掺入量按每日生产熟料的0.2%进行，及每日回灰掺入量≤12 t，现在水泥中Cl-含量在0.03%，不会对水泥性能产生明显影响，较之前的0.015%有所上涨，低于企业0.04%的内控标准。

3 结论

（1）垃圾焚烧系统投产后SNCR运行不稳定，应重点考虑脱硝区气体成分的不稳定引起的脱硝效率波动，可通过加强入炉垃圾发酵、打散、均化，加强气化炉运行管理，稳定气化炉操作得到缓解。考虑到CKK系统运行后出炉温度偏高，且气体成分不稳定，SNCR脱硝最佳反应窗口变化，应对喷枪位置进行调整，以降低氨水消耗。

（2）垃圾焚烧系统投产后对煤耗、电耗造成了一定的影响，日常生产中可通过摸索优化利用垃圾焚烧的优势降低煤耗，对因系统拉风大造成的电耗上升可通过余热发电多发电得到一定的补偿，但如考虑到CKK系统的建设投入，运行费用，国家相关部门应做好水泥窑垃圾协同处置的经济补偿政策，以提高水泥窑协同处置的积极性。

（3）在满足水泥质量的前提下增大水泥磨除氯回灰掺入量，满足除氯系统开机运行时间，降低了氯离子在系统内的循环富集，能减少预热器结皮的滋长。