含多種元素的廢氣/廢液焚燒系統(tǒng)關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

邢 科 時(shí)明偉 羅秀朋

（北京航化節(jié)能環(huán)保技術(shù)有限公司）

工業(yè)生產(chǎn)尤其是化工生產(chǎn)過程中，會(huì)排放出種類多樣且組分復(fù)雜的工業(yè)廢物，焚燒法可使廢物中的有害有毒物質(zhì)在焚燒爐內(nèi)經(jīng)高溫燃燒熱解后變成無害煙氣，是一種有效的處理方法［1］。筆者以北京航化節(jié)能環(huán)保技術(shù)有限公司為國內(nèi)某化工企業(yè)所建的焚燒系統(tǒng)為背景，著重對(duì)其中關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)依據(jù)和設(shè)計(jì)方案做一介紹。

1 焚燒系統(tǒng)工藝簡(jiǎn)介

本焚燒系統(tǒng)處理6股廢氣和6股廢液，主要為草銨膦系統(tǒng)和馬拉硫磷裝置產(chǎn)生的廢氣/廢液，以及氟化殘液和DMF回收殘液。6股廢氣分別是：9C廢氣（氯化氫12.8%、甲烷13.3%、乙烷2.6%、丙烷6.8%、二氯甲烷1.1%、三氯化磷62.3%、四氯化碳1.1%）；混合廢氣（氮?dú)?6.1%、五氧化二磷3.9%）；氟草煙廢氣/高蓋廢氣/低壓氮封氣/高壓氮封氣（氮?dú)?9.9%、有機(jī)物0.1%，4種廢氣的有機(jī)物成分各有不同）。6股廢液分別是：26廢液（正磷酸85.6%、正丁醇0.9%、甲基亞磷酸單丁13.5%）；32L廢液（叔丁醇35.4%、正丁醇6.8%、甲基亞磷酸單丁酯6.6%、二聚丙烯醛41.3%、二氧化碳9.9%）；氟草煙廢液（氟草煙37.2%、二甲基亞砜7.9%、二甲基甲酰胺9.1%、水分6.7%、吡啶7.5%、乙腈8.2%、氯化鉀/氟化鉀0.7%、甲醇16.2%、甲基苯乙烯6.5%）；馬拉硫磷廢水（磷酸63.9%、二乙酯8.5%、硫化物10.7%、水分16.9%）；9B廢液（三氯化磷38.9%、表面活性劑14.8%、磷酸14.8%、其他31.5%）；苯唑草酮廢液（甲醇31.5%、亞硝酸鈉10.5%、氫氧化鈉39.5%、乙醇鈉9.6%、其他8.9%）。綜上分析可知，廢氣和廢液組分中的主要元素為C、H、O、S、P、Cl和F。

廢氣經(jīng)廢氣緩沖罐氣液分離后，由廢氣引射器送至焚燒爐進(jìn)行處理；廢液經(jīng)緩沖罐由泵增壓后進(jìn)入焚燒爐進(jìn)行處理。廢氣和廢液在焚燒爐中進(jìn)行高溫氧化分解燃燒，生成N2、CO2、H2O、SO2、HCl、P2O5、HF、部分過剩O2及少量的KCl等小分子物質(zhì)；從焚燒爐出來的高溫?zé)煔獯怪毕蛳逻M(jìn)入急冷器，煙氣迅速降溫后進(jìn)入急冷罐。煙氣中所攜帶的微量固體顆粒大部分沉積在急冷罐中；急冷后的煙氣進(jìn)入水洗塔洗掉煙氣中的酸性氣體，再經(jīng)堿洗塔由堿性洗滌液對(duì)煙氣進(jìn)行洗滌，通過酸堿中和反應(yīng)把煙氣中的HCl、HF和游離的氯氣中和掉，并進(jìn)入SCR脫硝裝置進(jìn)行脫硝和吸附，隨后通過煙囪排空。

2 焚燒系統(tǒng)關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)

焚燒爐是整個(gè)焚燒系統(tǒng)中的核心設(shè)備，其主要作用是將廢氣和廢液中的可燃組分進(jìn)行無害化高溫分解。焚燒爐的設(shè)計(jì)應(yīng)綜合考慮物料焚燒溫度、高溫?zé)煔馔Ａ魰r(shí)間、爐膛容積熱負(fù)荷、爐內(nèi)流場(chǎng)及溫度場(chǎng)、爐襯設(shè)計(jì)以及煙氣露點(diǎn)腐蝕等因素。

2.1 焚燒爐爐體

焚燒爐（圖1）采用立式安裝形式。為保證焚燒完全和充分燃燒，高熱值或重組分多的氟草煙廢液、32L廢液、馬拉硫磷廢水和9C廢氣從燃燒器接口通入，其他低熱值的廢液和廢氣從爐體上部接口通入。助燃風(fēng)分為一、二次風(fēng)，在燃燒器和爐體上部分別設(shè)置相應(yīng)接口。

圖1 焚燒爐設(shè)計(jì)簡(jiǎn)圖

焚燒爐爐體主要結(jié)構(gòu)參數(shù)如下：

爐體高度 10 430 mm

爐體外徑 2 828 mm

爐體內(nèi)徑 2 344 mm

爐殼厚度 14 mm

爐襯厚度 228 mm

頂部燃燒器接口公稱直徑 DN1 400 mm

底部煙氣出口公稱直徑 DN1 400 mm

焚燒溫度應(yīng)比有機(jī)廢氣和廢液中有害組分的燃燒溫度或分解溫度高出50～100℃為宜［2］。據(jù)此，焚燒爐操作溫度設(shè)定為1 200℃，在該溫度下可將本系統(tǒng)內(nèi)多種有機(jī)廢物焚燒完全，保證排煙指標(biāo)達(dá)到國家環(huán)保要求。經(jīng)熱力計(jì)算，雖然部分廢液熱值較高，所提供熱負(fù)荷仍不能滿足焚燒溫度要求，需要天然氣進(jìn)行伴燒，伴燒天然氣流量為114 Nm3/h。

焚燒爐的爐膛尺寸主要由高溫?zé)煔庠跔t膛內(nèi)的停留時(shí)間和燃燒時(shí)的容積熱負(fù)荷［3］兩個(gè)因素決定。為保證化學(xué)反應(yīng)充分，結(jié)合筆者多年在焚燒方面的工程經(jīng)驗(yàn)，高溫?zé)煔獾耐Ａ魰r(shí)間取2.5 s，焚燒爐有效容積確定為36 m3，對(duì)應(yīng)爐膛容積熱負(fù)荷為125 kW/m3，就可保證廢氣/廢液焚燒完全。

由于高溫?zé)煔庵泻卸趸蚝吐然瘹洌杩紤]煙氣露點(diǎn)腐蝕問題。煙氣計(jì)算露點(diǎn)腐蝕溫度為190℃，考慮到散熱損失和爐殼材料強(qiáng)度，爐殼外壁設(shè)計(jì)溫度為220℃。為避免外界環(huán)境因素對(duì)爐殼壁溫的影響，設(shè)計(jì)全封閉防雨罩將爐殼完全包覆，在爐殼溫度過高時(shí)，可通過調(diào)節(jié)防雨罩上設(shè)置的風(fēng)門開度對(duì)爐殼進(jìn)行降溫操作。

焚燒爐襯里的設(shè)計(jì)需根據(jù)爐膛的溫度高低選用能夠承受焚燒溫度的耐火材料和隔熱材料，同時(shí)應(yīng)注意有機(jī)廢氣/廢液和焚燒后的煙氣對(duì)耐火材料的腐蝕問題［4］。爐膛內(nèi)溫度較高，而且煙氣中含有HF、SO2、HCl及P2O5等腐蝕性介質(zhì)，應(yīng)特別注意的是HF易與SiO2反應(yīng)生成SiF4，因此襯里應(yīng)選低硅的耐材。本焚燒爐襯里結(jié)構(gòu)采用兩層設(shè)計(jì)，包含耐火層和保溫層：耐火層選用低硅98剛玉磚，其Al2O3含量不低于98%、SiO2含量小于0.2%；保溫層選用輕質(zhì)高鋁磚LG-0.8，其Al2O3含量不低于48%。

2.2 燃燒器

燃燒器（圖2）是為焚燒爐提供熱源的燃燒設(shè)備，熱負(fù)荷為3.4 MW，燃料主要為高熱值廢氣、廢液和伴燒天然氣。廢液均采用壓縮空氣進(jìn)行霧化，將廢液霧化成霧狀微小顆粒后噴入爐內(nèi)。廢液噴槍型式為內(nèi)混式，霧化后的廢液顆粒索太爾平均直徑小于100μm。流量較小的廢液噴槍和廢氣噴槍布置在調(diào)風(fēng)器與燃燒器喉口的間隙處；熱值高且流量較大的廢液噴槍與伴燒天然氣采用套管式組合結(jié)構(gòu)，其中心噴槍布置于燃燒器的中間位置。另外，在中心噴槍外圈設(shè)置調(diào)風(fēng)器，形成有利的空氣動(dòng)力場(chǎng)，強(qiáng)化燃料與助燃空氣的混合。

圖2 燃燒器結(jié)構(gòu)示意圖

燃燒器的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)如下：

燃燒器殼體高度 1 005 mm

燃燒器外徑 1 420 mm

喉口直徑 350 mm

平流調(diào)風(fēng)器葉輪直徑 230 mm

伴燒天然氣接口公稱直徑 DN80 mm

一次助燃風(fēng)接口公稱直徑 DN500 mm

燃燒器采用平流式調(diào)風(fēng)器，其工作原理是利用直流空氣流在調(diào)風(fēng)器喉口形成的高速紊流，空氣與燃料進(jìn)行強(qiáng)烈的質(zhì)量和動(dòng)量交換，最終實(shí)現(xiàn)空氣和燃料的充分混合［5］。平流式調(diào)風(fēng)器的特點(diǎn)是通過調(diào)風(fēng)器的一次風(fēng)為旋轉(zhuǎn)風(fēng)，能加強(qiáng)根部送風(fēng)，形成回流區(qū)有利于穩(wěn)定燃燒；二次風(fēng)為高速直流風(fēng)，增加火焰沿程的紊流脈動(dòng)，加強(qiáng)燃燒。同時(shí)，二次風(fēng)能對(duì)廢液粗液滴的二次霧化有幫助。另外，調(diào)風(fēng)器還需選取合適的旋流強(qiáng)度［6］。若旋流強(qiáng)度過大，則調(diào)風(fēng)器阻力較大，既會(huì)影響一次風(fēng)量，也會(huì)對(duì)回流區(qū)的形狀和位置產(chǎn)生影響?；谝陨弦蛩兀卷?xiàng)目平流調(diào)風(fēng)器旋流強(qiáng)度的設(shè)計(jì)值為2.1。

燃燒器是焚燒系統(tǒng)的核心設(shè)備，對(duì)于整個(gè)焚燒系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用。燃燒器設(shè)置一套點(diǎn)火槍和兩臺(tái)火焰檢測(cè)器：點(diǎn)火槍燃料采用天然氣，點(diǎn)火槍點(diǎn)燃主火焰后即可熄滅；火焰檢測(cè)器采用“2選1”的方式進(jìn)行檢測(cè)以保證整個(gè)系統(tǒng)的火焰燃燒穩(wěn)定。

2.3 低熱值廢氣/廢液噴口

為不影響燃燒器主火焰燃燒，低熱值的26廢液、9B廢液、苯唑草酮廢液、混合廢氣、低壓氮封氣和高壓氮封氣從爐體上錐段處（設(shè)置噴槍）通入，氟草煙廢氣和高蓋廢氣從上錐段下部的筒體處（設(shè)置噴槍）通入。而噴槍需與爐體中心線保持合理夾角，以避免廢液噴到爐墻壁面上對(duì)襯里造成腐蝕。

考慮到上游主裝置和輸送設(shè)備的故障、檢修等因素，廢氣/廢液就會(huì)間斷供入，而噴槍位于爐內(nèi)高溫段，尤其是噴頭處于高溫?zé)彷椛洵h(huán)境，為延長(zhǎng)噴槍的使用壽命，噴槍套管處需設(shè)置冷卻風(fēng)接口。另外，廢液噴槍套管處也宜設(shè)置球閥，當(dāng)噴槍損壞或堵塞時(shí)，便于在焚燒爐運(yùn)行狀態(tài)下在線切換備用噴槍。

3 工業(yè)應(yīng)用效果

焚燒系統(tǒng)正式投入運(yùn)行近一年來狀況良好，各項(xiàng)指標(biāo)均已滿足設(shè)定值，尤其排放煙氣的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)（表1）達(dá)到GB 18484—2014《危險(xiǎn)廢物焚燒污染控制標(biāo)準(zhǔn)》（征求意見稿）排放要求。

表1 排放煙氣的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù) mg/Nm3

4 結(jié)束語

廢氣/廢液焚燒系統(tǒng)處理物料復(fù)雜，針對(duì)物料特性采取合理的分區(qū)域布置，能夠適應(yīng)多種工況的運(yùn)行。焚燒系統(tǒng)投產(chǎn)后運(yùn)行安全穩(wěn)定且可靠高效，焚燒去除率高達(dá)99.99%，煙氣排放指標(biāo)滿足GB 18484—2014《危險(xiǎn)廢物焚燒污染控制標(biāo)準(zhǔn)》（征求意見稿）要求，可為相關(guān)領(lǐng)域的廢氣處理和廢液處理提供參考和借鑒。