多功能(AF)替代燃料回轉(zhuǎn)式焚燒爐

Pyrorotor? 是KHD公司發(fā)明的一種回轉(zhuǎn)式燃燒反應(yīng)設(shè)備，該設(shè)備能夠處理燃燒性較差的廢棄物作為水泥生產(chǎn)過程中的替代燃料。在已經(jīng)安裝使用的7臺(tái)設(shè)備中，回轉(zhuǎn)式焚燒爐可以燃盡廢棄物實(shí)現(xiàn)燃料的高替代率（TSRs），所處理的廢棄物幾乎涵蓋所有未經(jīng)專門處理的廢料類型。

圖1. Pyrorotor?示意圖

廢棄物衍生燃料 (WDF)的應(yīng)用在中歐已經(jīng)有70年的歷史，在這個(gè)過程中積累了大量的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，目前已經(jīng)應(yīng)用在水泥行業(yè)一些特定的領(lǐng)域。在某些區(qū)域市場受生態(tài)環(huán)境政策因素影響和驅(qū)動(dòng)下，將各種廢棄物轉(zhuǎn)化為不同種類的衍生燃料（WDF）越來越受到歡迎。

長期、穩(wěn)定、充足可利用廢棄物的供應(yīng)是水泥廠協(xié)同處置應(yīng)用的基本條件，如果選擇來自城市的固體廢物（MSW）作為替代燃料，那么前提條件是該城市或地區(qū)應(yīng)具備一個(gè)固體廢物集中收集系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)廢料預(yù)處理的集中收集作為基本前提條件，這就需要該城市或地區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展到了一定階段。

廢物衍生燃料（WDF）的另一個(gè)發(fā)展主導(dǎo)因素是發(fā)達(dá)國家日益嚴(yán)格的環(huán)境制度，傾倒填埋城市垃圾的成本逐漸增加，促進(jìn)大量水泥工廠使用城市固體廢物（MSW）。伴隨著社會(huì)對(duì)廢棄物再利用及其預(yù)處理和協(xié)同技術(shù)意識(shí)的提高，在水泥窯中提高替代燃料（AF）代替化石燃料在全世界已達(dá)成共識(shí)。

替代燃料的特性

不同的替代燃料在物理、化學(xué)性質(zhì)及種類方面具有非常大的差異：固體可回收燃料 (SRF)、垃圾衍生燃料 (RDF)、城市固體廢物（MSW） 以及絨毛類燃料等這些近年來才有的命名及分類，在替代燃料標(biāo)準(zhǔn)化的嘗試過程中，目前還沒有在更廣泛的范圍內(nèi)被接受和統(tǒng)一。

從技術(shù)層面講，替代燃料實(shí)際的物理性質(zhì)以及化學(xué)性質(zhì)比上述提到的命名及分類更有實(shí)際意義。以廢棄物衍生燃料（WDF）替代化石燃料為例，我們不得不接受一個(gè)非常基本的事實(shí)：沒有一種廢棄物衍生燃料（WDF）最初以全生命周期作為燃料來被使用的，這就意味著它的物理或化學(xué)性質(zhì)與理想的燃料差異甚遠(yuǎn)。燃料預(yù)處理（對(duì)化石燃料進(jìn)行預(yù)處理使其能夠達(dá)到理想的燃燒狀態(tài)）的必要性是被人們所公認(rèn)的。然而在廢物衍生燃料（WDF）預(yù)處理方面受到了水泥生產(chǎn)專家的激烈討論。煤需要被研磨成為非常細(xì)的煤粉，但目前衍生燃料（WDF）卻是以塊狀形式燃燒，國際上根據(jù)煤不同的性質(zhì)如水分、灰分、揮發(fā)份含量以及熱值，制定了統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)將煤分為不同的種類，但是卻沒有一種合適的方法和標(biāo)準(zhǔn)能夠根據(jù)衍生燃料（WDF）特性對(duì)其進(jìn)行分類。

對(duì)于不同物料（木材、塑料、紡織物、橡膠、紙制品、玻璃，礦物）、不同尺寸（小型、中等、大型）、不同形狀2D和3D（扁平、圓形、圓柱形、立方體）以及上文提到的不同化學(xué)性質(zhì)，所有這些影響因素混雜在一起最后形成替代燃料特殊的燃燒特性，導(dǎo)致非常不同的燃點(diǎn)和燃盡時(shí)間。所以唯一能夠確定的是使用替代燃料更具有挑戰(zhàn)性，因?yàn)橄啾扔诨剂希娲剂系念w粒度更大，尤其液態(tài)替代燃料總是具有較低的熱值或較高的有害物質(zhì)和環(huán)境污染物含量。

 通過對(duì)某些典型混合衍生燃料（WDF）的燃點(diǎn)及燃燒特性研究表明：不同的尺寸、形狀和種類的替代燃料需要的燃盡時(shí)間也不盡相同，個(gè)別替代燃料碎片可能需要幾分鐘才能燃盡。

預(yù)處理與協(xié)同處置的相互作用

逐漸清晰的是從廢棄物衍生燃料（WDF）的獲取源頭到最終在回轉(zhuǎn)窯上作為燃料使用，這一套完整的處理流程是至關(guān)重要的，這一過程可以定義為“預(yù)處理”和“協(xié)同處置”兩部分。預(yù)處理包含了所有的準(zhǔn)備階段直到最終燃料投入回轉(zhuǎn)焚燒爐中燃燒，而協(xié)同處置主要是在生產(chǎn)的過程中對(duì)燃料熱量的利用和生產(chǎn)操作熟料質(zhì)量控制的綜合整合。

預(yù)處理和協(xié)同處置之間的相互作用對(duì)于在水泥行業(yè)成功使用廢棄物衍生燃料（WDF） 至關(guān)重要，因?yàn)樗鼈兌加凶约旱某杀竞瓦m用性特征。例如，預(yù)處理中廣泛使用的路徑是分類和縮小尺寸以產(chǎn)生所謂的高質(zhì)量 RDF。這可能主要由具有高熱值的輕質(zhì)、干燥和小尺寸顆粒組成。RDF 可直接投喂主燃燒器或分解爐，無需對(duì)協(xié)同處置環(huán)節(jié)（即窯爐燃燒器或分解）進(jìn)行太多技術(shù)改造，這條路徑需要在預(yù)處理階段投入很多的工作，而在協(xié)同處理階段則基本不需要做太多的事情。

另一個(gè)極端則是預(yù)處理部分投入的工作量很小，僅僅將不可燃物從替代燃料中粗選出來，在協(xié)同處置部分就需要有很高的技術(shù)含量和適應(yīng)性很強(qiáng)的協(xié)同處置燃燒設(shè)備來使用低質(zhì)量廢物衍生燃料（WDF）。

關(guān)于最佳的預(yù)處理深度—或者換句話說，從預(yù)處理到協(xié)同處置之間尋找最佳的平衡點(diǎn)—當(dāng)然取決于許多特定情況和條件的影響，如：工廠可用的協(xié)同處置技術(shù)、裝備和持續(xù)穩(wěn)定的 RDF 供應(yīng)源、可以接受的價(jià)格等，此處僅列舉了幾個(gè)最重要的因素。此外，相信許多水泥生產(chǎn)商都經(jīng)歷過，廢物衍生燃料（WDF）的持續(xù)性、可用性、供應(yīng)價(jià)格水平和質(zhì)量等 市場行情在不斷的變化。

對(duì)水泥工廠來說適應(yīng)性更廣泛，穩(wěn)定性更好的專用協(xié)同焚燒設(shè)備的在水泥生產(chǎn)使用替代燃料過程中被廣泛應(yīng)用是可以預(yù)見的，它能夠接受和處置不同質(zhì)量的 WDF，全球幾個(gè)主要的水泥設(shè)備供應(yīng)商都提供此類水泥窯協(xié)同焚燒設(shè)備，其主要目標(biāo)是協(xié)同焚燒處置設(shè)備能夠接受和處置經(jīng)過簡單預(yù)處理的低品位WDF ，這些協(xié)同焚燒處置裝備必須保證替代燃料在爐內(nèi)有較長的燃燒停留時(shí)間，對(duì)生產(chǎn)和操作操作的高度穩(wěn)健性和確保替代燃料在爐內(nèi)有良好的燃燒狀態(tài)，確保WDF充分燃盡和清潔燃燒。

KHD Pyrorotor?——德國洪堡專利技術(shù)的能夠適應(yīng)多種類替代燃料，同時(shí)實(shí)現(xiàn)較高替代率的回轉(zhuǎn)燃燒反應(yīng)設(shè)備

Pyrorotor? 是一種可以應(yīng)用于水泥廠的回轉(zhuǎn)燃燒爐，其優(yōu)點(diǎn)是對(duì)燃燒性能較差，品質(zhì)較差的替代燃料具有很強(qiáng)的適應(yīng)性。

如圖2所示，德國洪堡的關(guān)于利用替代燃料生產(chǎn)水泥熟料的幾種模塊化解決方案中，即使使用簡單預(yù)處理的替代燃料，Pyrorotor? 依舊能夠滿足和實(shí)現(xiàn)熱值替代率最高的需求。

圖2. KHD針對(duì)不同替代燃料的解決方案

利用Pyrorotor?協(xié)同焚燒替代燃料為水泥工廠前端處理 AF 的尺寸和材料方面提供了很大的靈活性。整個(gè)輪胎、輪胎碎片、粗糙和塊狀材料、難以點(diǎn)燃的材料甚至被污染和有害的材料都可以投喂在 Pyrorotor?中燃燒。利用Pyrorotor?焚燒固廢衍生燃料，不需要復(fù)雜而昂貴的前端預(yù)處理，可以最大限度地減少或完全避免固廢替作為代燃料的前端預(yù)處理，極大減少了預(yù)處理系統(tǒng)的的建設(shè)投入和運(yùn)行成本。

Pyrorotor?可以在新建水泥廠安裝，也可以非常簡單地在現(xiàn)有的生產(chǎn)線上加裝，對(duì)現(xiàn)有預(yù)熱器塔架無需額外的空間，不增加額外的載荷。Pyrorotor?的開發(fā)背景和機(jī)理是基于當(dāng)前水泥行業(yè)已經(jīng)廣泛應(yīng)用成熟且信賴的回轉(zhuǎn)窯技術(shù)，如圖3所示。Pyrorotor?的轉(zhuǎn)動(dòng)可以實(shí)現(xiàn)三次風(fēng)與替代燃料及燃盡時(shí)間較長的替代燃料充分的混合接觸。物料在窯內(nèi)的連續(xù)翻轉(zhuǎn)避免了物料的堆積堵塞以及底層料無法與高溫?zé)煔饨佑|燃燒的情況。

圖3. Pyrorotor?驅(qū)動(dòng)

Pyrorotor?上的機(jī)械部件已經(jīng)過試驗(yàn)，其可靠性已經(jīng)在成百上千次的窯爐應(yīng)用中被證明，其中回轉(zhuǎn)爐筒體安全的支撐并且被平衡地布置在兩個(gè)托輪底座上。回轉(zhuǎn)窯筒體所需的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩是由兩個(gè)托輪的摩擦力提供。安裝的驅(qū)動(dòng)器可在扭矩方面提供較大的裕量適用于各種負(fù)載和旋轉(zhuǎn)要求?；剞D(zhuǎn)焚燒窯轉(zhuǎn)速可根據(jù)實(shí)際情況調(diào)節(jié)，為了適應(yīng)不同替代燃料的停留時(shí)間該速度通?？刂圃?.3-3.0 轉(zhuǎn)/分鐘。Pyrorotor?燃料通常通過合適的閘板鎖風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)入燃燒爐如電動(dòng)翻板閥（電動(dòng)閘板閥），利用雙層翻板閥以防止和減少冷空氣進(jìn)入系統(tǒng)。

如圖4所示，Pyrorotor?被安裝在窯和分解爐之間 體現(xiàn)了替代燃料在Pyrorotor?中燃燒的原理流程，可控的三次風(fēng)支路為Pyrorotor?中替代燃料的預(yù)熱和燃燒提供了所需的高溫空氣。根據(jù)燃料類型和想要達(dá)到的燃燒階段，Pyrorotor? 內(nèi)部的燃燒過程可以在不同的 水平下運(yùn)行，因此可以實(shí)現(xiàn)替代燃料顯著的熱解，以實(shí)現(xiàn)節(jié)能和排放優(yōu)化的燃燒。替代燃料在Pyrorotor? 內(nèi)長時(shí)間停留后，灰燼直接落入窯尾煙室的上升煙道中，它們構(gòu)成入窯進(jìn)料的一部分。燃燒后的高溫?zé)煔夂蛫A帶的小燃料顆粒離開 Pyrorotor?，在傳統(tǒng)的分解爐中進(jìn)行第二階段的燃燒。這種分階段的概念可以在很寬的 lambda 數(shù)值范圍內(nèi)運(yùn)行，極大地提高了能源利用效率和同時(shí)減少了 NOx 的排放。

圖4. Pyrorotor?的氣體流動(dòng)圖

工業(yè)使用業(yè)績

自2017年以來的第一臺(tái)投入工業(yè)應(yīng)用，目前已經(jīng)有7個(gè)Pyrorotor?投入使用并通過了驗(yàn)收。在圖5中列出了已投產(chǎn)的Pyrorotor?的一些運(yùn)行參數(shù)。由圖5可知，煅燒爐的總TSR高達(dá)98%，僅留很小區(qū)間化石燃料利用作為安全儲(chǔ)備。原始的3D邊長達(dá)到300mm的廢物衍生燃料 (WDF)也具備直接投入Pyrorotor?作為替代燃料。

圖5. Pyrorotor?在現(xiàn)有預(yù)熱塔的應(yīng)用

下圖圖 6 ：顯示了在現(xiàn)有預(yù)熱器塔中使用 Pyrorotor? 的典型改造案例， Pyrorotor? 直接放置在窯上方，并且在大多數(shù)情況下與窯平行，因此改造幾乎沒有任何限制，因?yàn)樗炔恍枰?nèi)的空間，也不會(huì)在預(yù)熱器框架上增加額外的載荷。三次風(fēng)管和進(jìn)料口的所有連接都可以毫無問題地布置。

圖6. Pyrorotor?在現(xiàn)有預(yù)熱塔的應(yīng)用

Pyrorotor?已經(jīng)被應(yīng)用于多個(gè)燒成系統(tǒng)改造項(xiàng)目中，與來自不同供應(yīng)商的多個(gè)不同種類的燒成系統(tǒng)相匹配，如果同時(shí)與分解爐和預(yù)熱器改造相結(jié)合，可以產(chǎn)生更大的效益。隨著 TSR 的增加，可以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)量的增加和排放的減少。

總 結(jié)

Pyrorotor?的多功能性及強(qiáng)適應(yīng)性和可靠穩(wěn)定性在市場上是獨(dú)一無二的，并且在利用廢料作為替代燃料方面優(yōu)于類似系統(tǒng)。使用 Pyrorotor? 可以實(shí)現(xiàn)最高的 AF 替代率，因?yàn)檩^長的停留時(shí)間以及 （替代燃料）AF 與高溫三次空氣的穩(wěn)定混合確保了任何燃料的完全燃燒，能夠適用幾乎所有類型的未處理固體廢棄物和工業(yè)廢料。由于其寬泛的 lambda 值可操作性，可以加強(qiáng)替代燃料的熱解和氣化，同時(shí)實(shí)現(xiàn)高效的熱轉(zhuǎn)化和有效的 NOx 還原。

引進(jìn)Pyrorotor? 無論是在經(jīng)濟(jì)上還是在環(huán)境上是對(duì)未來的可持續(xù)投資，它將允許對(duì)將來可能處理的任何 WDF 在水泥生產(chǎn)線上進(jìn)行協(xié)同處置，而無需對(duì)工廠進(jìn)行很大的改造。此外它將顯著的減少熟料生產(chǎn)的給環(huán)境留下的印記和影響，因?yàn)樗褂霉腆w廢棄物和工業(yè)廢料生產(chǎn)水泥，同時(shí)減少氮氧化物的排放。因此它是 KHD當(dāng)前最新技術(shù)和裝備的典型代表：將可持續(xù)和具有成本效益的水泥生產(chǎn)與更清潔的環(huán)境相結(jié)合的技術(shù)。