多功能(AF)替代燃料回转式焚烧炉

水泥德国洪堡KHD 2022-09-05

Pyrorotor® 是KHD公司发明的一种回转式燃烧反应设备，该设备能够处理燃烧性较差的废弃物作为水泥生产过程中的替代燃料。在已经安装使用的7台设备中，回转式焚烧炉可以燃尽废弃物实现燃料的高替代率（TSRs），所处理的废弃物几乎涵盖所有未经专门处理的废料类型。

图1. Pyrorotor®示意图

废弃物衍生燃料 (WDF)的应用在中欧已经有70年的历史，在这个过程中积累了大量的知识和经验，目前已经应用在水泥行业一些特定的领域。在某些区域市场受生态环境政策因素影响和驱动下，将各种废弃物转化为不同种类的衍生燃料（WDF）越来越受到欢迎。

长期、稳定、充足可利用废弃物的供应是水泥厂协同处置应用的基本条件，如果选择来自城市的固体废物（MSW）作为替代燃料，那么前提条件是该城市或地区应具备一个固体废物集中收集系统，以实现废料预处理的集中收集作为基本前提条件，这就需要该城市或地区社会经济发展到了一定阶段。

废物衍生燃料（WDF）的另一个发展主导因素是发达国家日益严格的环境制度，倾倒填埋城市垃圾的成本逐渐增加，促进大量水泥工厂使用城市固体废物（MSW）。伴随着社会对废弃物再利用及其预处理和协同技术意识的提高，在水泥窑中提高替代燃料（AF）代替化石燃料在全世界已达成共识。

替代燃料的特性

不同的替代燃料在物理、化学性质及种类方面具有非常大的差异：固体可回收燃料 (SRF)、垃圾衍生燃料 (RDF)、城市固体废物（MSW）以及绒毛类燃料等这些近年来才有的命名及分类，在替代燃料标准化的尝试过程中，目前还没有在更广泛的范围内被接受和统一。

从技术层面讲，替代燃料实际的物理性质以及化学性质比上述提到的命名及分类更有实际意义。以废弃物衍生燃料（WDF）替代化石燃料为例，我们不得不接受一个非常基本的事实：没有一种废弃物衍生燃料（WDF）最初以全生命周期作为燃料来被使用的，这就意味着它的物理或化学性质与理想的燃料差异甚远。燃料预处理（对化石燃料进行预处理使其能够达到理想的燃烧状态）的必要性是被人们所公认的。然而在废物衍生燃料（WDF）预处理方面受到了水泥生产专家的激烈讨论。煤需要被研磨成为非常细的煤粉，但目前衍生燃料（WDF）却是以块状形式燃烧，国际上根据煤不同的性质如水分、灰分、挥发份含量以及热值，制定了统一的标准将煤分为不同的种类，但是却没有一种合适的方法和标准能够根据衍生燃料（WDF）特性对其进行分类。

对于不同物料（木材、塑料、纺织物、橡胶、纸制品、玻璃，矿物）、不同尺寸（小型、中等、大型）、不同形状2D和3D（扁平、圆形、圆柱形、立方体）以及上文提到的不同化学性质，所有这些影响因素混杂在一起最后形成替代燃料特殊的燃烧特性，导致非常不同的燃点和燃尽时间。所以唯一能够确定的是使用替代燃料更具有挑战性，因为相比于化石燃料，替代燃料的颗粒度更大，尤其液态替代燃料总是具有较低的热值或较高的有害物质和环境污染物含量。

通过对某些典型混合衍生燃料（WDF）的燃点及燃烧特性研究表明：不同的尺寸、形状和种类的替代燃料需要的燃尽时间也不尽相同，个别替代燃料碎片可能需要几分钟才能燃尽。

预处理与协同处置的相互作用

逐渐清晰的是从废弃物衍生燃料（WDF）的获取源头到最终在回转窑上作为燃料使用，这一套完整的处理流程是至关重要的，这一过程可以定义为“预处理”和“协同处置”两部分。预处理包含了所有的准备阶段直到最终燃料投入回转焚烧炉中燃烧，而协同处置主要是在生产的过程中对燃料热量的利用和生产操作熟料质量控制的综合整合。

预处理和协同处置之间的相互作用对于在水泥行业成功使用废弃物衍生燃料（WDF）至关重要，因为它们都有自己的成本和适用性特征。例如，预处理中广泛使用的路径是分类和缩小尺寸以产生所谓的高质量 RDF。这可能主要由具有高热值的轻质、干燥和小尺寸颗粒组成。RDF 可直接投喂主燃烧器或分解炉，无需对协同处置环节（即窑炉燃烧器或分解）进行太多技术改造，这条路径需要在预处理阶段投入很多的工作，而在协同处理阶段则基本不需要做太多的事情。

另一个极端则是预处理部分投入的工作量很小，仅仅将不可燃物从替代燃料中粗选出来，在协同处置部分就需要有很高的技术含量和适应性很强的协同处置燃烧设备来使用低质量废物衍生燃料（WDF）。

关于最佳的预处理深度—或者换句话说，从预处理到协同处置之间寻找最佳的平衡点—当然取决于许多特定情况和条件的影响，如：工厂可用的协同处置技术、装备和持续稳定的 RDF 供应源、可以接受的价格等，此处仅列举了几个最重要的因素。此外，相信许多水泥生产商都经历过，废物衍生燃料（WDF）的持续性、可用性、供应价格水平和质量等市场行情在不断的变化。

对水泥工厂来说适应性更广泛，稳定性更好的专用协同焚烧设备的在水泥生产使用替代燃料过程中被广泛应用是可以预见的，它能够接受和处置不同质量的 WDF，全球几个主要的水泥设备供应商都提供此类水泥窑协同焚烧设备，其主要目标是协同焚烧处置设备能够接受和处置经过简单预处理的低品位WDF ，这些协同焚烧处置装备必须保证替代燃料在炉内有较长的燃烧停留时间，对生产和操作操作的高度稳健性和确保替代燃料在炉内有良好的燃烧状态，确保WDF充分燃尽和清洁燃烧。

KHD Pyrorotor®——德国洪堡专利技术的能够适应多种类替代燃料，同时实现较高替代率的回转燃烧反应设备

Pyrorotor® 是一种可以应用于水泥厂的回转燃烧炉，其优点是对燃烧性能较差，品质较差的替代燃料具有很强的适应性。

如图2所示，德国洪堡的关于利用替代燃料生产水泥熟料的几种模块化解决方案中，即使使用简单预处理的替代燃料，Pyrorotor® 依旧能够满足和实现热值替代率最高的需求。

图2. KHD针对不同替代燃料的解决方案

利用Pyrorotor®协同焚烧替代燃料为水泥工厂前端处理 AF 的尺寸和材料方面提供了很大的灵活性。整个轮胎、轮胎碎片、粗糙和块状材料、难以点燃的材料甚至被污染和有害的材料都可以投喂在 Pyrorotor®中燃烧。利用Pyrorotor®焚烧固废衍生燃料，不需要复杂而昂贵的前端预处理，可以最大限度地减少或完全避免固废替作为代燃料的前端预处理，极大减少了预处理系统的的建设投入和运行成本。

Pyrorotor®可以在新建水泥厂安装，也可以非常简单地在现有的生产线上加装，对现有预热器塔架无需额外的空间，不增加额外的载荷。Pyrorotor®的开发背景和机理是基于当前水泥行业已经广泛应用成熟且信赖的回转窑技术，如图3所示。Pyrorotor®的转动可以实现三次风与替代燃料及燃尽时间较长的替代燃料充分的混合接触。物料在窑内的连续翻转避免了物料的堆积堵塞以及底层料无法与高温烟气接触燃烧的情况。

图3. Pyrorotor®驱动

Pyrorotor®上的机械部件已经过试验，其可靠性已经在成百上千次的窑炉应用中被证明，其中回转炉筒体安全的支撑并且被平衡地布置在两个托轮底座上。回转窑筒体所需的转动力矩是由两个托轮的摩擦力提供。安装的驱动器可在扭矩方面提供较大的裕量适用于各种负载和旋转要求。回转焚烧窑转速可根据实际情况调节，为了适应不同替代燃料的停留时间该速度通常控制在0.3-3.0 转/分钟。Pyrorotor®燃料通常通过合适的闸板锁风系统进入燃烧炉如电动翻板阀（电动闸板阀），利用双层翻板阀以防止和减少冷空气进入系统。

如图4所示，Pyrorotor®被安装在窑和分解炉之间体现了替代燃料在Pyrorotor®中燃烧的原理流程，可控的三次风支路为Pyrorotor®中替代燃料的预热和燃烧提供了所需的高温空气。根据燃料类型和想要达到的燃烧阶段，Pyrorotor® 内部的燃烧过程可以在不同的水平下运行，因此可以实现替代燃料显著的热解，以实现节能和排放优化的燃烧。替代燃料在Pyrorotor® 内长时间停留后，灰烬直接落入窑尾烟室的上升烟道中，它们构成入窑进料的一部分。燃烧后的高温烟气和夹带的小燃料颗粒离开 Pyrorotor®，在传统的分解炉中进行第二阶段的燃烧。这种分阶段的概念可以在很宽的 lambda 数值范围内运行，极大地提高了能源利用效率和同时减少了 NOx 的排放。

图4. Pyrorotor®的气体流动图

工业使用业绩

自2017年以来的第一台投入工业应用，目前已经有7个Pyrorotor®投入使用并通过了验收。在图5中列出了已投产的Pyrorotor®的一些运行参数。由图5可知，煅烧炉的总TSR高达98%，仅留很小区间化石燃料利用作为安全储备。原始的3D边长达到300mm的废物衍生燃料 (WDF)也具备直接投入Pyrorotor®作为替代燃料。

图5. Pyrorotor®在现有预热塔的应用

下图图 6 ：显示了在现有预热器塔中使用 Pyrorotor® 的典型改造案例， Pyrorotor® 直接放置在窑上方，并且在大多数情况下与窑平行，因此改造几乎没有任何限制，因为它既不需要塔内的空间，也不会在预热器框架上增加额外的载荷。三次风管和进料口的所有连接都可以毫无问题地布置。

图6. Pyrorotor®在现有预热塔的应用

Pyrorotor®已经被应用于多个烧成系统改造项目中，与来自不同供应商的多个不同种类的烧成系统相匹配，如果同时与分解炉和预热器改造相结合，可以产生更大的效益。随着 TSR 的增加，可以实现产量的增加和排放的减少。

总结

Pyrorotor®的多功能性及强适应性和可靠稳定性在市场上是独一无二的，并且在利用废料作为替代燃料方面优于类似系统。使用 Pyrorotor® 可以实现最高的 AF 替代率，因为较长的停留时间以及（替代燃料）AF 与高温三次空气的稳定混合确保了任何燃料的完全燃烧，能够适用几乎所有类型的未处理固体废弃物和工业废料。由于其宽泛的 lambda 值可操作性，可以加强替代燃料的热解和气化，同时实现高效的热转化和有效的 NOx 还原。

引进Pyrorotor® 无论是在经济上还是在环境上是对未来的可持续投资，它将允许对将来可能处理的任何 WDF 在水泥生产线上进行协同处置，而无需对工厂进行很大的改造。此外它将显著的减少熟料生产的给环境留下的印记和影响，因为它使用固体废弃物和工业废料生产水泥，同时减少氮氧化物的排放。因此它是 KHD当前最新技术和装备的典型代表：将可持续和具有成本效益的水泥生产与更清洁的环境相结合的技术。

编辑：曾家明

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