內(nèi)混式噴槍在四氯乙烯副產(chǎn)高沸物焚燒處理的應(yīng)用

劉亞非

（濱化集團(tuán)股份有限公司，山東 濱州 256600）

廢液焚燒處理是指利用廢液噴槍將廢液霧化后噴射入焚燒爐中， 在高溫條件下廢液中的可燃組分與空氣中的氧發(fā)生劇烈的化學(xué)反應(yīng)，釋放能量，產(chǎn)生高溫?zé)煔夂凸腆w殘?jiān)?廢液噴槍是整個(gè)焚燒系統(tǒng)最為核心的設(shè)備， 其結(jié)構(gòu)和性能決定著燃燒效率和整個(gè)焚燒系統(tǒng)運(yùn)行的安全性和可靠性。 由于不同廢液的成分、黏度、熱值、酸堿度等物性差別較大，針對(duì)處理物性不同廢液的廢液槍的設(shè)計(jì)與選型也各有相應(yīng)的差異。

濱化集團(tuán)股份有限公司四氯乙烯裝置（以下簡(jiǎn)稱濱化四烯）配套自建的危廢焚燒處理裝置，通過焚燒處理將副產(chǎn)高沸物高溫分解，實(shí)現(xiàn)無害化處理。四氯乙烯副產(chǎn)高沸物特點(diǎn)為沸點(diǎn)高、密度大、黏度較高等， 其使用的廢液槍霧化類型先后經(jīng)歷了機(jī)械霧化和空氣霧化， 不同類型的廢液槍燃燒效果有明顯的差異。

1 四氯乙烯副產(chǎn)高沸物工藝

濱化四烯裝置利用三碳以下有機(jī)物高溫氯化制備四氯乙烯，同時(shí)副產(chǎn)無用高沸物，高沸物主要產(chǎn)生于反應(yīng)急冷系統(tǒng)急冷塔底部， 由急冷塔底泵輸送至重組分濃縮系統(tǒng)， 重組分濃縮系統(tǒng)由高溫導(dǎo)熱油為其加熱， 經(jīng)過重組分濃縮系統(tǒng)回收高沸物中部分輕組分后，剩余的重組分送至焚燒爐進(jìn)行焚燒處理，由于高沸物凝固點(diǎn)較高， 涉及高沸物的輸送管道和設(shè)備都需要高溫伴熱。 高沸物焚燒處理采用氫氣作為燃料與廢液高溫混燒， 控制焚燒爐溫度在1 300 ℃左右，所產(chǎn)生的煙氣首先經(jīng)急冷塔迅速冷卻至100 ℃以下，再經(jīng)兩個(gè)降膜吸收器吸收煙氣中的HCl 氣體和部分可溶性雜質(zhì)， 經(jīng)過堿洗塔吸收剩余的酸性氣體，再經(jīng)過電除塵除去煙氣中的不溶性煙塵，由煙氣在線分析系統(tǒng)（CEMS）監(jiān)控外排煙氣各項(xiàng)參數(shù)后，經(jīng)煙囪排入大氣。

在實(shí)際生產(chǎn)中，反應(yīng)條件的改變，所產(chǎn)生的高沸物的組成和產(chǎn)量也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的改變， 同時(shí)反應(yīng)負(fù)荷的調(diào)整也會(huì)改變高沸物的組成和產(chǎn)量。 通過不同條件的測(cè)試分析表明： 反應(yīng)條件和負(fù)荷的調(diào)整對(duì)高沸物的組成有一定影響，但影響較小，對(duì)高沸物的生成量影響較大。

經(jīng)色譜分析高沸物主要成分為四氯乙烯、 六氯乙烷、六氯苯及六氯丁二烯等，高沸物焚燒處理工作條件及物理性質(zhì)見表1。

2 液體霧化噴嘴概述[1]

根據(jù)噴嘴工作原理的不同， 液體霧化形式主要分為機(jī)械霧化類、介質(zhì)霧化類、靜電霧化類和超聲波霧化類。 機(jī)械和介質(zhì)霧化類型是利用液體工質(zhì)和空氣的速度差將液柱或液膜沖擊破碎成霧滴。 超聲波霧化是利用空氣流射在諧振腔產(chǎn)生高振幅、 高頻率的劇烈振動(dòng)來增強(qiáng)霧化效果的一種霧化方法。 靜電霧化是利用高壓靜電場(chǎng)的作用將液滴霧化成細(xì)小微粒。目前廣泛應(yīng)用在工業(yè)爐和燃燒室上，主要是機(jī)械霧化類和介質(zhì)霧化類。

表1 四氯乙烯副產(chǎn)高廢物焚燒處理工作條件及物理性質(zhì)

目前機(jī)械霧化類主要通過壓力霧化噴嘴和旋轉(zhuǎn)式霧化噴嘴實(shí)現(xiàn)。 壓力霧化噴嘴一般是燃油在較高壓力下通過小孔或旋流器和噴嘴高速噴出而霧化，而旋轉(zhuǎn)式霧化噴嘴是將液體導(dǎo)向高速旋轉(zhuǎn)件中心，利用離心力和氣動(dòng)力使液體向旋轉(zhuǎn)件周邊或孔中甩出而霧化。 介質(zhì)霧化類借助空氣或蒸汽等流體的高速流射使液態(tài)工質(zhì)的液柱或液膜霧化， 實(shí)現(xiàn)介質(zhì)霧化的噴嘴統(tǒng)稱為雙流體霧化噴嘴， 也稱空氣霧化噴嘴或氣動(dòng)噴嘴。 空氣霧化噴嘴霧化原理與壓力霧化噴嘴霧化過程類似， 它是利用高速甚至超音速的空氣與低速液體的液柱或液膜相互摩擦、沖擊，使其破碎為細(xì)小霧滴。

空氣霧化噴嘴比壓力霧化噴嘴先于工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用，但是由于最初消耗氣量太大而限制了發(fā)展。隨著工業(yè)的發(fā)展，鍋爐和工業(yè)爐的要求功率增大，低氧燃燒霧化質(zhì)量要求變高， 使用壓力霧化噴嘴要求很高的油壓， 這給供油系統(tǒng)的制造和維護(hù)帶來很大的難度。 此外，對(duì)于劣質(zhì)油燃料或高黏度流體，使用空氣霧化噴嘴能夠在獲得較好霧化效果的同時(shí)使噴嘴不易被堵塞，但是壓力霧化噴嘴比較難實(shí)現(xiàn)。而且隨著空氣霧化噴嘴結(jié)構(gòu)不斷完善，噴嘴的消耗氣量降低，使得空氣霧化噴嘴重新得到廣泛應(yīng)用。

高壓空氣霧化噴嘴按照工質(zhì)與霧化氣相互作用空間不同區(qū)分為內(nèi)混式、外混式和組合式（如Y 型噴嘴）。外混式空氣霧化噴嘴是氣相霧化液體主要在噴口處或噴口外進(jìn)行， 工質(zhì)先通過工質(zhì)通道進(jìn)入噴嘴內(nèi)部，軸向或者切向進(jìn)入旋流室，此時(shí)工質(zhì)射流不被霧化， 在高速氣流通過氣道垂直或切向與噴出的工質(zhì)射流在噴口外部混合時(shí)， 利用氣液兩相的沖擊和摩擦作用使工質(zhì)霧化。 內(nèi)混式空氣霧化噴嘴是氣液兩相在噴嘴內(nèi)的混合室內(nèi)先摻混和局部霧化，然后由噴嘴口射出繼續(xù)霧化。 組合式空氣霧化噴嘴則設(shè)計(jì)了內(nèi)外兩條氣道， 高速氣流通過內(nèi)部氣道進(jìn)入混合腔與工質(zhì)混合，完成內(nèi)混式霧化，然后高速氣流通過第二氣道在噴口處與工質(zhì)混合， 繼續(xù)對(duì)工質(zhì)進(jìn)行霧化，有效增強(qiáng)了工質(zhì)的霧化效果。

外混式空氣霧化噴嘴的霧化劑從噴口噴出后與燃油接觸時(shí)間短，良好的霧化條件很快減弱，導(dǎo)致霧化、混合、燃燒時(shí)間長(zhǎng)，火焰細(xì)長(zhǎng)。而內(nèi)混式空氣霧化噴嘴的一個(gè)典型特點(diǎn)是在液體通道后部有一個(gè)較大的混合室， 氣與油在混合室內(nèi)預(yù)混合霧化后從噴孔噴出并膨脹、霧化，提升了燃燒速度，縮短了火焰長(zhǎng)度。并且內(nèi)混式空氣霧化噴嘴結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單、加工制造要求不高、不易堵塞，在工業(yè)中被廣泛應(yīng)用。

濱化四烯高沸物焚燒處理所涉及的類型為機(jī)械霧化式和介質(zhì)霧化式， 介質(zhì)霧化為內(nèi)混式空氣霧化噴槍。從實(shí)際應(yīng)用效果來比較，機(jī)械霧化式噴槍優(yōu)點(diǎn)為機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易操作、制造及運(yùn)行成本低；缺點(diǎn)為易堵塞、霧化效果不是很好。內(nèi)混式空氣霧化噴槍優(yōu)點(diǎn)為霧化效果好、不易堵塞；缺點(diǎn)為機(jī)械結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜、制造及運(yùn)行成本較高。

3 廢液噴槍的設(shè)計(jì)與選型

廢液噴槍的霧化效果是評(píng)價(jià)廢液噴槍性能的重要指標(biāo)，霧化效果的評(píng)價(jià)因素主要為：流量特性、霧化錐角、液滴尺寸、液滴尺寸分布和液滴尺寸發(fā)散度[2]。 設(shè)計(jì)公司根據(jù)裝置提供的參數(shù)條件分別設(shè)計(jì)了機(jī)械霧化噴槍和內(nèi)混式空氣霧化噴槍。

3.1 機(jī)械霧化噴槍

為了便于清理堵塞的廢液槍眼， 機(jī)械式霧化噴槍設(shè)計(jì)成絲接可拆卸槍頭， 廢液槍主要由槍身和槍頭組成， 槍身是一支無縫鋼管下部有外絲用于連接槍頭， 上部同樣設(shè)有內(nèi)絲用于連接輸送廢液的金屬軟管，廢液槍頭結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 廢液槍頭剖面圖

從槍頭剖面圖中可以看出， 機(jī)械式霧化噴槍影響噴槍霧化效果的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要體現(xiàn)在槍眼與廢液槍中心夾角α 和槍眼的直徑?， 其他因素例如廢液本身的物理性質(zhì)（粘度、密度）和操作條件（操作壓力、流量等）都能影響廢液的霧化效果。 但從機(jī)械結(jié)構(gòu)上，夾角α 主要影響的是霧化錐角，夾角α 越大霧化錐角越大， 夾角α 越小霧化錐角越小。 直徑?主要影響的是霧化液滴的直徑，直徑? 越大霧化液滴直徑越大，直徑? 越小霧化液滴直徑越小。

對(duì)于夾角α 和直徑? 的選取應(yīng)綜合考慮實(shí)際情況，夾角α 較小時(shí)，廢液噴射錐角較小，火焰垂直向下，總體霧化效果不理想，夾角α 較大時(shí)，廢液可能會(huì)噴射到爐體內(nèi)壁，火焰呈放射狀，對(duì)爐內(nèi)壁可能造成損壞；直徑? 較小時(shí)，燃燒量較小且廢液孔易堵塞，直徑? 較大時(shí)，影響霧化效果，導(dǎo)致燃燒不充分。

從實(shí)際應(yīng)用效果來看，機(jī)械霧化噴槍總體應(yīng)用較為不理想，出現(xiàn)過很多問題，如爐體多次發(fā)生燒穿現(xiàn)象，吸收酸顏色呈淡黑色，經(jīng)常需要清理槍頭等。

3.2 內(nèi)混式空氣霧化噴槍

鑒于機(jī)械式霧化噴槍燃燒效果不是很好， 經(jīng)常出現(xiàn)槍頭堵塞和因霧化效果不好而導(dǎo)致的燃燒不充分等異常情況，與設(shè)計(jì)公司溝通后，由設(shè)計(jì)公司設(shè)計(jì)并制作了內(nèi)混式空氣霧化噴槍， 內(nèi)混式空氣霧化噴槍設(shè)計(jì)為一個(gè)整體，由內(nèi)、外管組成，內(nèi)管介質(zhì)為廢液，外管介質(zhì)為壓縮空氣，兩者在槍頭內(nèi)部混合后噴出，詳細(xì)結(jié)構(gòu)圖見圖2、圖3。

圖2 內(nèi)混式空氣霧化噴槍剖面圖

圖3 內(nèi)混式空氣霧化噴槍槍頭部位剖面圖

由于內(nèi)混式空氣霧化噴槍設(shè)計(jì)為一個(gè)整體，槍頭不可拆卸，一旦霧化孔隙發(fā)生堵塞，將很難清理甚至導(dǎo)致廢液槍報(bào)廢， 所以使用內(nèi)混式空氣霧化噴槍后，對(duì)廢液輸送泵前過濾器的過濾粒徑要求更小，從而過濾器清理頻率也就更高了。

從槍頭部位剖面圖中可以看出， 槍眼傾斜角α在一定范圍內(nèi)和槍頭錐角β 影響霧化錐角大小，槍眼直徑? 影響霧化錐角，其核心設(shè)計(jì)點(diǎn)為槍眼的傾斜角度α 和槍眼直徑?， 高壓空氣側(cè)操作壓力及廢液側(cè)操作壓力也會(huì)影響其霧化效果， 最優(yōu)的操作條件得通過不斷地實(shí)驗(yàn)得出。

4 內(nèi)混式空氣霧化廢液噴槍的應(yīng)用

4.1 內(nèi)混式空氣霧化噴槍研究現(xiàn)狀

內(nèi)混式空氣霧化噴嘴能在較低的噴射壓力下獲得高質(zhì)量霧化效果， 其改善霧化效果的原因被認(rèn)為有兩個(gè)， 一是因?yàn)閮?nèi)混式空氣霧化噴嘴中氣體和液體在混合腔共用一個(gè)流道， 使得液體的有效流通面積有所減小而導(dǎo)致動(dòng)能增加，使霧化效果更好；二是因?yàn)闅庖褐g的相對(duì)運(yùn)動(dòng)使兩相交界面產(chǎn)生剪切力，從而使交界面流動(dòng)穩(wěn)定性被破壞導(dǎo)致液線生成，而剪切力又進(jìn)一步促進(jìn)液線碎裂成液滴。 研究發(fā)現(xiàn)噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)、 噴射條件和液體物理性質(zhì)是影響內(nèi)混式空氣霧化噴嘴霧化性能的主要因素[3]。

4.2 內(nèi)混式空氣霧化噴槍工藝水實(shí)驗(yàn)

使用前內(nèi)混式空氣霧化廢液噴槍， 為驗(yàn)證其效果， 裝置技術(shù)人員首先用工藝水和壓縮空氣對(duì)其進(jìn)行噴射實(shí)驗(yàn)， 試驗(yàn)以水作為工質(zhì)， 空氣作為霧化介質(zhì)， 通過調(diào)控工質(zhì)與霧化介質(zhì)的壓力研究?jī)?nèi)混式空氣霧化噴槍的實(shí)際效果，實(shí)驗(yàn)主要設(shè)備參數(shù)見表2。

表2 實(shí)驗(yàn)主要設(shè)備參數(shù)

實(shí)驗(yàn)可調(diào)控參數(shù)為工藝水和壓縮空氣的壓力，通過固定工藝水或壓縮空氣其中一個(gè)壓力，調(diào)節(jié)另一個(gè)參數(shù)壓力，觀察廢液槍霧化效果，實(shí)驗(yàn)過程中出現(xiàn)了噴槍運(yùn)行臨界點(diǎn)，即“倒水現(xiàn)象”和“倒氣現(xiàn)象”[4]?！暗顾F(xiàn)象”是當(dāng)水壓大于一定氣路壓力時(shí)，會(huì)出現(xiàn)部分水倒流進(jìn)入氣路中，氣體流量為零；倒氣現(xiàn)象”是當(dāng)氣路壓力大于一定水路壓力時(shí)， 氣體會(huì)倒流進(jìn)入水路中，水的流量為零。“倒水現(xiàn)象”及“倒氣現(xiàn)象”均為非正常工況， 試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)當(dāng)氣路壓力高于水路壓力0.3 MPa 時(shí)就會(huì)出現(xiàn)倒氣現(xiàn)象， 所以在正常生產(chǎn)工況下通過平衡工質(zhì)和霧化介質(zhì)的壓力， 一定要避免這兩種非正?，F(xiàn)象出現(xiàn)。

試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)壓縮空氣和工藝水壓力的變化對(duì)噴射的錐角影響不大， 當(dāng)壓縮空氣壓力在一定范圍內(nèi)調(diào)大時(shí)，噴射距離會(huì)變大（這一點(diǎn)在實(shí)際應(yīng)用中也能發(fā)現(xiàn)， 當(dāng)適當(dāng)增加壓縮空氣的壓力焚燒爐下部溫度會(huì)上升），霧化效果更好；當(dāng)適當(dāng)提高工藝水的壓力時(shí)，霧化液滴明顯增大，甚至呈斷續(xù)水柱狀噴出。

4.3 內(nèi)混式空氣霧化噴槍的實(shí)際應(yīng)用效果

內(nèi)混式空氣霧化噴槍已使用兩年多時(shí)間， 運(yùn)行效果較好， 使用內(nèi)混式空氣霧化噴槍后最直接的改變是避免清理廢液槍，極大減輕了勞動(dòng)量，同時(shí)也避免了清理廢液槍而產(chǎn)生的危廢。 同時(shí)從吸收酸顏色明顯看出使用內(nèi)混式空氣霧化噴槍后廢液焚燒更充分。

使用內(nèi)混式空氣霧化噴槍前吸收酸顏色發(fā)暗，證明廢液焚燒不充分，煙氣中雜質(zhì)較多，使用內(nèi)混式空氣霧化噴槍后吸收酸顏色呈淡黃色且清澈透明，證明廢液焚燒更加充分，煙氣成分較為純凈。同時(shí)因煙氣成分較純凈，吸收效果較好，減少了后續(xù)的尾氣處理工作。

與機(jī)械式霧化噴槍相比，使用內(nèi)混式空氣霧化噴槍第二點(diǎn)變化就是焚燒處理量增大了，受制于機(jī)械式霧化噴槍的霧化效果，焚燒處理量一直較低，使用內(nèi)混式空氣霧化噴槍后通過平衡壓縮空氣與廢液的壓力，可以提高廢液處理量，提高主反應(yīng)負(fù)荷。

5 結(jié)語

噴槍機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)對(duì)于廢液燃燒效果及處理能力有著直接的影響， 隨著研究的霧化噴槍的性能不斷提高。對(duì)于高粘度廢液，通過實(shí)際應(yīng)用對(duì)比內(nèi)混式空氣霧化噴槍不管對(duì)廢液的霧化效果還是處理廢液數(shù)量都要比機(jī)械式霧化噴槍效果好， 在使用內(nèi)混式空氣霧化噴槍前首先確定其運(yùn)行臨界點(diǎn)， 投用時(shí)注意先打開進(jìn)廢液槍的壓縮空氣 （或高壓霧化蒸汽），再投廢液，停用時(shí)要先停燒廢液，再停壓縮空氣（或高壓霧化蒸汽）， 避免在實(shí)際應(yīng)用中出現(xiàn)偏離正常工況的現(xiàn)象導(dǎo)致廢液槍堵塞或影響燃燒效果。 同時(shí)要綜合考慮處理的物料特性， 由于四氯乙烯副產(chǎn)高沸物凝固點(diǎn)及黏度都較高， 在使用內(nèi)混式空氣霧化廢液槍時(shí)壓縮空氣需要適當(dāng)進(jìn)行預(yù)加熱， 防止由于壓縮空氣溫度較低與高沸物接觸時(shí)導(dǎo)致其發(fā)生凝固而堵塞槍眼，影響生產(chǎn)。