BDO 有機(jī)廢液焚燒裝置設(shè)計(jì)與工業(yè)應(yīng)用

周婷婷

（南京博納能源環(huán)?？萍加邢薰?江蘇南京 210044）

0 引言

1，4-丁二醇（BDO）是1 種十分重要的基礎(chǔ)有機(jī)化工原料，應(yīng)用廣泛［1］。BDO 生產(chǎn)工藝種類較多，但都面臨著生產(chǎn)過程產(chǎn)生的高濃度廢水處理問題。BDO 廢水是pH、COD 波動(dòng)大，難降解、毒性大的物質(zhì)，處理難度很高［2］。本文介紹的BDO 有機(jī)廢液焚燒裝置用于處理電石制乙炔法生產(chǎn)BDO 的副產(chǎn)物廢液。處理該類廢液在國內(nèi)市場(chǎng)上有多種方案：對(duì)于含熔融鹽的煙氣，有直接通入水中產(chǎn)生鹽溶液；有使用絕熱爐膛，以犧牲耐火磚來實(shí)現(xiàn)廢液焚燒分解。這些方案會(huì)產(chǎn)生二次污染的鹽溶液，或者是后續(xù)的煙氣余熱吸收環(huán)節(jié)遭到堵塞，運(yùn)行周期變短［3］。針對(duì)以上問題，非絕熱爐膛有一定的優(yōu)越性：可以加長冷卻爐膛的長度，在煙氣進(jìn)入對(duì)流換熱面之前，將煙氣中的煙冷卻成固態(tài)；在爐膛高溫區(qū)域，采用特殊結(jié)構(gòu)的澆筑料使煙氣中熔融鹽能附著爐膛壁面形成保護(hù)層。

1 工程概況

本項(xiàng)目是某公司新建BDO 項(xiàng)目，采用電石制乙炔法生產(chǎn)BDO 產(chǎn)品，該生產(chǎn)方法產(chǎn)生的副產(chǎn)物為有機(jī)混合廢液，物性參數(shù)見表1。

表1 廢液物性參數(shù)表

為順利投產(chǎn)，項(xiàng)目必須配套環(huán)保處理廢液設(shè)備，要求提供成套焚燒設(shè)備，回收廢液的熱量自產(chǎn)蒸汽并入廠內(nèi)中壓蒸汽管網(wǎng)，同時(shí)避免二次污染，按照《鍋爐大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 13271—2001）實(shí)行排放，處理裝置排放尾氣氮氧化物≤50 mg/Nm3，煙塵排放濃度＜10 mg/Nm3。

該廢液含鹽量高，1.6 t/h 廢液的焚燒產(chǎn)物中含83.68 kg/h的Na2CO3。該鹽熔點(diǎn)低，約850 ℃，在爐膛中呈液態(tài)，進(jìn)入余熱回收系統(tǒng)降溫后形成積灰極易堵塞設(shè)備。在該鹽呈熔融狀態(tài)時(shí)，會(huì)分解產(chǎn)生Na2O，存在大量的游離Na 離子，腐蝕金屬和澆注料［4］。即使選擇高含量Al2O3和低孔隙率的耐火材料，也會(huì)在一段時(shí)間之后粉化失效。裝置的設(shè)計(jì)必須考慮安全長效焚燒運(yùn)行和余熱回收、避免換熱器的堵塞問題、有可靠的排灰裝置以及低氮排放措施等。

2 廢液焚燒裝置系統(tǒng)配置

2.1 裝置結(jié)構(gòu)

廢液焚燒裝置主要包括三大部分：第一部分是廢液燃燒后的煙氣流程系統(tǒng)，主要包含燃燒室、冷卻室、煙氣冷卻換熱段、除塵器、煙囪等；第二部分是余熱回收的汽水流程系統(tǒng)，包含水冷壁、汽包、過熱器、蒸發(fā)器、省煤器等［5］；第三部分是排灰系統(tǒng)，包含煙氣流程各段的排灰點(diǎn)配置的各個(gè)輸灰機(jī)及灰?guī)斓?。裝置結(jié)構(gòu)如圖1。

圖1 裝置結(jié)構(gòu)圖

2.2 裝置原理

廢液焚燒裝置系統(tǒng)運(yùn)行原理為：廢液通過燃燒器進(jìn)入焚燒爐燃燒，燃燒反應(yīng)在一段燃燒室完成，煙氣在二段冷卻煙道冷卻。煙氣通過由水冷壁組成的一段燃燒室和二段冷卻煙道，再依次經(jīng)過過熱器、蒸發(fā)器、空氣預(yù)熱器、省煤器，在各換熱器內(nèi)換熱結(jié)束后進(jìn)入除塵器，再經(jīng)引風(fēng)機(jī)送入煙囪排向大氣。

給水通過給水泵進(jìn)入除氧器，除氧水經(jīng)過省煤器后進(jìn)入汽包，汽包下部的水進(jìn)入蒸發(fā)器和水冷壁蒸發(fā)后變成飽和蒸汽進(jìn)入汽包上部，汽包內(nèi)的飽和蒸汽進(jìn)入過熱器變成過熱蒸汽輸送給蒸汽用戶。余熱鍋爐系統(tǒng)將產(chǎn)生2.1 MPaG 的235 ℃的過熱蒸汽，將送入現(xiàn)場(chǎng)中壓蒸汽聯(lián)箱，產(chǎn)生的蒸汽可送至界區(qū)外供用戶使用。

廢液燃燒產(chǎn)生的部分腐蝕性液態(tài)鹽通過爐膛底部的出渣口進(jìn)入水冷螺旋輸灰機(jī)，經(jīng)過二段冷卻煙道的冷卻，液態(tài)鹽被冷卻為固態(tài)，部分落入爐膛底部，部分隨煙氣帶入后端受熱面，鹽的固態(tài)干灰在后端過熱器、蒸發(fā)器、空氣預(yù)熱器、省煤器沉積，通過安裝吹灰器定期吹灰，灰落入設(shè)備下端收集口進(jìn)入螺旋輸送機(jī)送入灰倉；水冷螺旋輸灰機(jī)內(nèi)的液態(tài)鹽被冷卻成固態(tài)塊狀，固態(tài)塊狀鹽進(jìn)入破碎機(jī)破碎成粉狀后輸送進(jìn)灰倉；煙氣排入大氣前進(jìn)入除塵器進(jìn)行除塵，除塵器脫除的灰通過螺旋輸送機(jī)進(jìn)入灰倉。

采用低氮燃燒技術(shù)，如空氣分級(jí)、選擇低氮燃燒器等，同時(shí)配合選擇性非催化還原（SNCR）脫硝工藝，在一段燃燒室出口及二段冷卻煙道的入口（設(shè)計(jì)溫度為850 ℃～1050 ℃）處設(shè)置SNCR 噴氨點(diǎn)。

3 核心裝置設(shè)計(jì)及特點(diǎn)

3.1 焚燒爐爐體設(shè)計(jì)

該裝置選擇了倒“N”型爐膛，該焚燒爐分為三段：第一段為煙氣流程向下的爐膛，燃燒器倒置安裝在頂部，火焰向下噴燒，爐膛的尺寸滿足燃燒強(qiáng)度和燃燒停留時(shí)間；第二段為焚燒后煙氣的冷卻室，主要為了將煙氣溫度降低至焚燒產(chǎn)物鈉鹽的熔點(diǎn)之下；第三段為轉(zhuǎn)向室、過熱器、省煤器，主要用于煙氣的余熱回收。其中爐膛、冷卻室、轉(zhuǎn)向室為水冷膜式壁結(jié)構(gòu)，燃燒器布置于爐膛頂部。

燃燒室和冷卻室的一部分覆蓋有耐火澆注料，設(shè)計(jì)溫度為1 650 ℃。為避免熔融的鈉鹽腐蝕燃燒室的水冷壁，在燃燒室設(shè)計(jì)了含Al2O3成分達(dá)到80%以上的剛玉澆注料。剛玉澆注料作為水冷壁的保護(hù)膜，厚度較薄，不做隔熱功能，并且澆注料的銷釘裸露，達(dá)到良好的傳熱效果。在燃燒過程中，熔融的鈉鹽在水冷壁相對(duì)較低的溫度（設(shè)計(jì)溫度222 ℃）時(shí)會(huì)凝結(jié)成有一定厚度鈉鹽鹽壁作為水冷壁的保護(hù)層，這樣完全避免了熔融鈉鹽對(duì)水冷壁金屬及澆注料的腐蝕，延長設(shè)備使用壽命和改善運(yùn)行狀況。

為了在系統(tǒng)進(jìn)料工況波動(dòng)時(shí)保證熱平衡，天然氣作為系統(tǒng)的輔助燃料。為了降低天然氣消耗量，一次助燃空氣、二次助燃空氣經(jīng)預(yù)熱器預(yù)熱，預(yù)熱溫度在300 ℃左右送至燃燒器。

3.2 燃燒器設(shè)計(jì)

燃燒器使用天然氣作為助燃伴燒燃料，在廢液設(shè)計(jì)流量時(shí)，天然氣伴燒量?jī)H30 Nm3/h；在廢液停止供應(yīng)時(shí)，維持鍋爐最低負(fù)荷，天然氣的最大消耗量為300 Nm3/h。

為降低氮氧化物的排放量，燃燒系統(tǒng)采用了分級(jí)配風(fēng)，一次助燃空氣從燃燒器進(jìn)入燃燒室，二次助燃空氣從燃燒室本體進(jìn)入。

燃燒器采用群管式，降低每個(gè)火孔燃燒負(fù)荷，細(xì)股燃?xì)馍淞髯晕諝?，加?qiáng)預(yù)混效果，增加溫度分布均勻度，消除局部高溫區(qū)域；噴槍設(shè)置在火焰中心，高溫低氧氛圍有效地使廢液中的有機(jī)成分快速發(fā)生分解反應(yīng)，有效抑制燃料型氮氧化物的生成。

為了達(dá)到更細(xì)的霧化顆粒，減少廢液顆粒燃燒分解的時(shí)間和降低廢液顆粒燃燒的火焰溫度，燃燒設(shè)備的設(shè)計(jì)配置了超聲波的廢液霧化噴槍。燃燒器設(shè)備采用雙層配風(fēng)口，內(nèi)層采用旋流裝置，外層采用直流配風(fēng)，廢液噴槍布置在燃燒器中心。燃燒器采用分級(jí)配風(fēng)，火焰區(qū)域產(chǎn)生還原性氣氛，抑制氮氧化物生成；燃燒器內(nèi)層配風(fēng)采用旋流式，加強(qiáng)燃料與空氣的預(yù)混，增加溫度分布均勻度，消除局部高溫區(qū)域；旋流配風(fēng)產(chǎn)生的渦流狀混合氣體在焚燒爐中心部分形成低壓，使部分煙氣被抽回，降低燃燒中心的含氧量，有效抑制氮氧化物的生成。

3.3 除灰系統(tǒng)

一段燃燒室底部設(shè)凝渣管束和液態(tài)鹽排渣口，從一段燃燒室和二段冷卻煙道排出的液態(tài)鹽在水冷式螺旋輸灰機(jī)的熱交換器中冷卻成固態(tài)，并通過破碎機(jī)破碎成粉狀后輸送至灰?guī)臁?/p>

為了降低煙氣中殘存的鹽在余熱鍋爐換熱面堆積從而引起的堵塞，第二段冷卻室出口的煙氣設(shè)計(jì)溫度為500 ℃，低于鈉鹽的融點(diǎn)（約850 ℃），煙氣中的鹽將呈固體析出成飛灰而不會(huì)結(jié)焦于管束上，并且過熱器采用板式過熱器易清理，可以由鍋爐內(nèi)的清灰裝置清出系統(tǒng)。在各余熱回收的裝置如過熱器、蒸發(fā)器、空氣預(yù)熱器排出的固態(tài)鹽將在系統(tǒng)的第一螺旋輸灰機(jī)匯集。省煤器通過清灰裝置排出的固態(tài)鹽將在系統(tǒng)的第二螺旋輸灰機(jī)匯集。各螺旋輸灰機(jī)在末端設(shè)置了固態(tài)排渣口輸送至灰?guī)臁?/p>

為避免鈉鹽粉塵污染對(duì)流受熱面，保證換熱效率，在過熱器區(qū)、蒸發(fā)器區(qū)、省煤器區(qū)、空氣預(yù)熱器區(qū)清灰裝置均設(shè)置為蒸汽吹灰器。吹灰蒸汽為鍋爐自用蒸汽，由過熱器出口聯(lián)箱接出。

用除塵器截獲煙氣中殘留的飛灰鹽并設(shè)置排灰點(diǎn)，最后輸送至灰?guī)臁?/p>

4 結(jié)論

（1）傳統(tǒng)的廢液焚燒爐膛使用絕熱爐膛，設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作控制相對(duì)簡(jiǎn)單。但耐火磚使用壽命短，定期停爐更換，維護(hù)費(fèi)用高，使用周期短［6］。BDO 有機(jī)廢液焚燒裝置采用非絕熱爐膛，采用水冷壁加薄層澆注料焚燒爐形式，利用澆注料表面低溫來形成鹽壁保護(hù)層，避免了傳統(tǒng)的絕熱爐膛耐火磚腐蝕，但存在需定期停機(jī)維護(hù)的問題，整套設(shè)備使用壽命長，運(yùn)行穩(wěn)定。

（2）廢液有機(jī)物含量高，火焰中心分解溫度高，采用低氮燃燒技術(shù)配合SNCR 技術(shù)，達(dá)到潔凈排放標(biāo)準(zhǔn)，高于國家規(guī)范要求。

（3）相比于市場(chǎng)上傳統(tǒng)的將爐膛中熔融的液態(tài)鹽放流入水中溶解成鹽液［2］，該裝置節(jié)省了鹽液蒸發(fā)濃縮的水處理設(shè)備，節(jié)省了投資和運(yùn)營成本。該裝置使用水冷螺旋輸送機(jī)和破碎機(jī)聯(lián)合生產(chǎn)了固態(tài)粉末Na2CO3，可作為產(chǎn)品外銷。

（4）該裝置在最大廢液量工況下伴燒30 Nm3/h 天然氣，最高效率地回收余熱，裝置可以產(chǎn)生8 t/h 的中壓過熱蒸汽。

BDO 有機(jī)廢液焚燒裝置不僅為企業(yè)解決了生產(chǎn)過程中的環(huán)保排放問題，還為企業(yè)創(chuàng)造了循環(huán)經(jīng)濟(jì)效益，有積極的社會(huì)效應(yīng)。