焦化廢水特性與利用鍋爐無害化處理的工藝研究

范洪武，姚書恒，陳 剛，杜 巍

(1.上海電力股份有限公司羅涇燃機(jī)發(fā)電廠，上海 200949；2.上海上電電力工程有限公司，上海 202150；3.上海電力閔行燃?xì)獍l(fā)電有限公司，上海 200245)

0 引 言

新疆地區(qū)幅員遼闊，煤炭資源儲(chǔ)量豐富，以新疆哈密地區(qū)為例，全區(qū)煤炭預(yù)測(cè)儲(chǔ)量為5 708億t，占全國(guó)預(yù)測(cè)儲(chǔ)量的12.5%，占全疆預(yù)測(cè)儲(chǔ)量的31.7%，在全疆煤炭資源開發(fā)中具有居中輕重的地位。哈密地區(qū)煤炭資源品種多、易開采，具有“三低一高”的資源賦存條件(低硫、低灰、低瓦斯，高發(fā)熱量)，適合建設(shè)億噸級(jí)煤炭生產(chǎn)和深加工基地。依托有利資源條件，目前哈密地區(qū)某煤化工園內(nèi)產(chǎn)業(yè)呈聚集性、規(guī)?；a(chǎn)業(yè)鏈涵蓋煤炭開采、焦化、深加工及發(fā)電[1]。

產(chǎn)業(yè)鏈的擴(kuò)展帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)效益，由此也衍生出了一系列的問題，如資源合理利用問題、平衡環(huán)保與發(fā)展等。煤炭與水資源是支撐煤化工產(chǎn)業(yè)發(fā)展最重要的兩大資源，哈密作為水資源及其匱乏的地區(qū)，如何有效節(jié)水、廢水深度回用、遏制煤化工水污染等將是未來發(fā)展中亟待攻克的重要課題。

在煤化工各個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈內(nèi)都會(huì)產(chǎn)生廢水，其中占比最大的便是焦化廢水。焦化廢水是煤炭在焦化工藝中所產(chǎn)生的的廢水統(tǒng)稱，焦化廢水中不僅含有濃度極高的有機(jī)物如酚類、油、氨氮等，也含有大量的吡啶、吲哚、聯(lián)苯等芳香族物質(zhì)[2]。其水質(zhì)波動(dòng)大、水量多、COD高、生物毒性大，屬于典型的高毒性、高濃度、極難降解型工業(yè)有機(jī)廢水。一般而言，大量的廢水最終都會(huì)匯集到產(chǎn)業(yè)鏈最下游企業(yè)。

本文以哈密某煤化工產(chǎn)業(yè)園內(nèi)某電站為例(以下簡(jiǎn)稱某電站)，發(fā)電企業(yè)作為下游企業(yè)，承擔(dān)著大量的廢水處理的壓力。為了應(yīng)對(duì)日益提升的環(huán)保要求，該電站積極開展焦化廢水無害化處理工藝的研究，并總結(jié)了大量實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，對(duì)進(jìn)一步推動(dòng)煤化工產(chǎn)業(yè)園發(fā)展有著極其重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 焦化廢水的特點(diǎn)及常見處理工藝

1.1 焦化廢水的來源

煤化工產(chǎn)業(yè)鏈里，煤經(jīng)過焦化、煤氣化、液化、焦油化工等化學(xué)過程，將煤炭轉(zhuǎn)化為氣態(tài)、液態(tài)、固態(tài)燃料及其他化工產(chǎn)品。各個(gè)工藝中都會(huì)消耗大量的水，也由此產(chǎn)生大量焦化廢水。焦化廢水主要有以下幾個(gè)來源：(1)煤洗滌階段。(2)煤干餾時(shí)期。(3)蘭炭熄焦階段。(4)荒煤氣回收與凈化階段。(5)化學(xué)產(chǎn)品回收階段。

1.2 焦化廢水的特點(diǎn)

概括起來，焦化廢水具有以下幾大特征：(1)污染濃度高。(2)可生化性差，降解難度大。(3)有毒有害物質(zhì)成分高，生物毒性強(qiáng)。(4)成分復(fù)雜，水質(zhì)波動(dòng)大。

1.3 焦化廢水的常見處理工藝

常見的焦化廢水處理主要有生物處理法、物理處理法、化學(xué)處理法三種大類。

生物處理法主要是利用微生物的氧化、分解、吸附等作用來處理焦化廢水中的一系列有機(jī)物與部分無機(jī)物。具體的工藝路線有活性淤泥降解法、生物脫氮技術(shù)、固化生物處理技術(shù)、生物流化床技術(shù)等。具有有機(jī)物去除徹底、水質(zhì)改善顯著等特點(diǎn)，但工藝復(fù)雜、投資成本高。

物理處理法主要是指物理化學(xué)法，通過吸附、混凝等物化方式來處理廢水中的有機(jī)污染物和固態(tài)污染物。具體的工藝路線有混凝法、吸附法、煙道氣蒸發(fā)法、和萃取法。雖然成本低、工藝簡(jiǎn)單，但水質(zhì)改善不明顯。

化學(xué)處理法主要有臭氧法、Fenton試劑法、光催化氧化法、濕式催化氧化法、超臨界水氧化法、等離子體處理技術(shù)、電化學(xué)氧化技術(shù)及焚燒法等。種類繁多，路線比較不統(tǒng)一。

2 鍋爐焚燒法工藝研究

2.1 焚燒法原理及特點(diǎn)

眾多的焦化廢水工藝中，焚燒法是一種最為古老的方法。主要工藝方式為，將廢水霧化后，進(jìn)入氣化爐或鍋爐中進(jìn)行焚燒，使酚類有機(jī)物在800 ℃以上的高溫下， 發(fā)生氧化反應(yīng)，最終生成CO2、H2O和無機(jī)廢渣排放。此法工藝簡(jiǎn)單，操作方便，但能耗較大，每焚燒1噸焦化廢水其成本約在1 200～1 500元左右(按標(biāo)煤燃料成本換算)。利用焚燒法處理焦化廢水效率高，二次污染少。但對(duì)用以焚燒的鍋爐要求較高，因一旦操作不慎，爐溫下降，往往會(huì)造成燃燒不完全，反而更易形成NOX等二次污染。

2.2 鍋爐焚燒法的經(jīng)濟(jì)性

鍋爐焚燒法作為一種成熟的焦化廢水處理技術(shù)，由于燃料成本的限制，因此未大規(guī)模的推廣。煤化工產(chǎn)業(yè)中會(huì)產(chǎn)生大量的荒煤氣，荒煤氣具有熱值適中、燃燒穩(wěn)定等特點(diǎn)。作為工藝廢氣，如不處理回收，只能在放散塔燃燒放散。在經(jīng)濟(jì)性上，以荒煤氣為原料的燃?xì)鉅t燃料成本低廉，可大規(guī)模應(yīng)用焚燒法來處理焦化廢水。

3 鍋爐焚燒法的工程實(shí)踐

3.1 鍋爐焚燒法的具體實(shí)施方案

某電站以廠內(nèi)啟動(dòng)鍋爐為基礎(chǔ)，通過小型改造和系列試驗(yàn)，驗(yàn)證利用鍋爐焚燒法處理焦化廢水的可行性。該啟動(dòng)爐為江蘇太湖鍋爐股份有限公司生產(chǎn)的SZS35-1.35/300-Q型鍋爐，額定出力35 t/h、鍋爐蒸汽額定出口溫度300 ℃、額定過熱蒸汽壓力1.35 MPa、額定給水溫度20 ℃、鍋爐排污率3%、鍋爐效率91%、鍋爐排煙溫度151.5 ℃、鍋爐爐膛總?cè)莘e178.16 m3，鍋爐計(jì)算燃料消耗量16 262.6 Nm3/h。該鍋爐配備有兩個(gè)旋流式燃燒器，分為上、下兩層布置，每個(gè)燃燒器中心配備有一根點(diǎn)火油槍，點(diǎn)火油槍采用空氣霧化。

為了能進(jìn)行摻燒試驗(yàn)，技術(shù)人員決定，將上層燃燒器的點(diǎn)火油槍改造成焦化廢水噴射槍，并采用空氣霧化的方式對(duì)摻入爐膛的廢水進(jìn)行霧化，在管路設(shè)置10 m3再循環(huán)水箱、再循環(huán)閥、流量2 m3揚(yáng)程160 m的輸送泵、流量計(jì)及壓力表。改造后系統(tǒng)管路如圖1所示。

圖1 啟動(dòng)鍋爐摻燒焦化廢水管路圖

3.2 鍋爐焚燒法對(duì)鍋爐效率的影響

改造完成后，為了驗(yàn)證焦化廢水在噴嘴中的最佳霧化效果，技術(shù)人員執(zhí)行了焦化廢水噴射的冷態(tài)試驗(yàn)，用于模擬在熱態(tài)工況下的試驗(yàn)參數(shù)。經(jīng)試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，在霧化空氣壓力穩(wěn)定在0.6 MPa、通過調(diào)節(jié)廢水再循環(huán)，焦化廢水噴射壓力在大于0.4 MPa的工況下，霧化效果較好。同時(shí)隨著廢水噴射壓力的不斷增大(最大值為1.2 MPa)，霧化效果將得到進(jìn)一步的改善。

由鍋爐最大燃料消耗量Bmax=16 262 Nm3/h、燃料熱值Qpp=7 033 kJ/Nm3、爐膛容積Vm=61.3 m3、容積熱負(fù)荷Qv=494 187 W/m3計(jì)算可得最大燃燒熱量∑Qmax和最大理論熱量∑Qm：

∑Qmax=Bmax×Qpp÷3600

(1)

∑Qmax=31,620,555 W

∑Qm=Vm×Qv

(2)

∑Qm=30,293,663 W

焦化廢水輸送泵最大輸送流量Qw=1.5 T/h、爐膛內(nèi)出口溫度為1 120 ℃、廢水初溫為20 ℃、出口煙溫151.5 ℃、廢水比熱容C=4.2*103J/kg·℃計(jì)算可得焦化廢水吸熱量∑Qw：

∑QW=QW×130×C

(1)

∑QW=227,500 W

(2)

經(jīng)計(jì)算，∑Qw/∑Qmax≈0.007 2，焚燒后折算鍋爐效率為90.4%，可知使用鍋爐焚燒法處理焦化廢水，會(huì)使鍋爐效率小幅下降，隨著鍋爐容積熱負(fù)荷的上升，效率下降越少。

經(jīng)熱態(tài)試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，當(dāng)焦化廢水摻燒量達(dá)到一定比例后，會(huì)使?fàn)t膛溫度降低，火焰強(qiáng)度明顯減弱。但隨著鍋爐的負(fù)荷進(jìn)一步提升，廢水摻燒對(duì)鍋爐的影響進(jìn)一步減弱。其主要表現(xiàn)為爐膛溫度、火焰強(qiáng)度區(qū)域穩(wěn)定。在鍋爐50%負(fù)荷時(shí)，摻燒焦化廢水使?fàn)t膛溫度下降大約50 ℃，而當(dāng)鍋爐升到61%、75%負(fù)荷時(shí)，爐膛溫度分別下降約20、14 ℃。

3.3 鍋爐焚燒法對(duì)排煙的影響

實(shí)際實(shí)驗(yàn)中，在相同鍋爐負(fù)荷下，摻燒焦化廢水后，鍋爐排煙溫度明顯升高。而隨著摻燒廢水量的增加，煙氣量增加、排煙溫度也進(jìn)一步升高。

在省煤器后煙道疏水處收集了煙氣冷凝液，分析了pH、電導(dǎo)率、氯離子、 濁度和CODcr。煙氣冷凝液存在鐵銹(鐵銹應(yīng)來源于煙道內(nèi))，顏色偏黃色，氣味上無焦化廢水的強(qiáng)烈刺激性氣味，與焦化廢水原液形成鮮明對(duì)比，這說明經(jīng)過高溫焚燒酚類有機(jī)物有明細(xì)的分解。另外，從水質(zhì)分析結(jié)果來看，摻燒焦化廢水對(duì)煙氣冷凝液pH、電導(dǎo)率、氯離子、濁度這些指標(biāo)的影響不明顯，對(duì)CODcr有一定的影響。數(shù)據(jù)詳見表1。

表1 煙氣冷凝液分析記錄

排放環(huán)保指標(biāo)方面，煙氣中NOX值受燃料中氨氮的變化影響較大，另外SO2有些數(shù)值明顯偏小主要由于實(shí)際煙氣含濕量較高，對(duì)檢測(cè)結(jié)果影響較大。CO主要受配風(fēng)的影響較大，啟動(dòng)鍋爐配風(fēng)調(diào)節(jié)手段靈活。數(shù)據(jù)詳見表2。

表2 煙氣排放檢測(cè)記錄

4 鍋爐焚燒法的綜合評(píng)價(jià)

(1)結(jié)合冷態(tài)試驗(yàn)的情況及熱態(tài)試驗(yàn)的數(shù)據(jù)，為保證霧化效果，廢水槍噴射壓力最好大于0.6 MPa。對(duì)應(yīng)噴射壓力0.6～1.0 MPa，入爐廢水量大約為0.82～1.32 t/h。對(duì)應(yīng)啟動(dòng)鍋爐蒸發(fā)量為18～26 t/h。從模化放大的比例來看，265 t/h的燃?xì)忮仩t摻燒10 t/h廢水是有可能的。另外，從熱態(tài)試驗(yàn)的情況來看，摻燒一定量廢水，鍋爐負(fù)荷較高，鍋爐運(yùn)行受到的影響越小。

(2)焦化廢水焚燒效果的主要影響因素是：焚燒溫度、以及在高溫區(qū)的停留時(shí)間。啟動(dòng)鍋爐由于爐膛溫度相對(duì)還不夠高，另外爐膛也較小，不一定能完全燃燒分解酚類物質(zhì)，但是從啟動(dòng)鍋爐省煤器煙道收集的冷凝液氣味上無焦化廢水的強(qiáng)烈刺激性氣味，說明焦化廢水通過爐膛焚燒后有明顯的分解。另外，從實(shí)驗(yàn)室分析結(jié)果來看，摻燒焦化廢水對(duì)煙氣冷凝液pH、電導(dǎo)率、氯離子、濁度這些指標(biāo)的影響不明顯，對(duì)CODcr影響較為明顯。

(3)根據(jù)煙氣排放檢測(cè)結(jié)果，NOX變化趨勢(shì)受爐膛溫度影響。當(dāng)噴水焚燒后爐溫降低，NOX濃度有降低趨勢(shì)，即存在正相關(guān)性，當(dāng)然也受到燃料中氨氮(即燃料氮)的影響。煙氣 SO2數(shù)據(jù)與鍋爐燃燒無相關(guān)性，主要受燃料硫份的影響，通過物料平衡可以進(jìn)行測(cè)算。另外焦化廢水殘留灰分測(cè)試(在815 ℃經(jīng)過1小時(shí)高溫焚燒)結(jié)果為0.022%，表明焚燒后殘留灰分不足于影響煙氣粉塵排放。

5 結(jié)束語

焦化廢水由于有組分復(fù)雜、毒性大等特點(diǎn)，在選用傳統(tǒng)的處理工藝時(shí)不僅面臨治理不徹底、二次污染大等問題，且成本投入較高。因此需要我們根據(jù)煤化工產(chǎn)業(yè)鏈的特性，充分利用產(chǎn)業(yè)鏈優(yōu)勢(shì)，選擇因地制宜的方法。某電站作為哈密某化工園下游企業(yè)，以煤化工荒煤氣作為原料，用于燃?xì)忮仩t燃燒發(fā)電。電站鍋爐具有熱容量大、燃燒溫度高、效率高等特點(diǎn)。技術(shù)參數(shù)上能滿足焦化廢水焚燒熱解的所有條件。同時(shí)電站鍋爐均配套設(shè)置了尾部煙氣凈化裝置，能有效脫去煙氣中NOX、SOX等，可有效避免焦化廢水在焚燒中產(chǎn)生的二次污染。某電站以鍋爐無害化焚燒的方式來處理焦化廢水，無論是在先期的技術(shù)論證、還是后期的工程實(shí)踐中均取得了良好的效果。綜上所述，以鍋爐焚燒法處理焦化廢水不僅具有技術(shù)優(yōu)勢(shì)、效率優(yōu)勢(shì)，也具有成本優(yōu)勢(shì)及工藝推廣價(jià)值。