含氯與含氟廢液流化床焚燒系統(tǒng)研究及開發(fā)

江泳，魏璽，馬增益

(1. 浙江巨化股份有限公司電化廠，浙江 衢州 324004;2. 浙江大學(xué)能源工程學(xué)院，浙江 杭州 310030)

化工企業(yè)產(chǎn)生的廢液，具有成分復(fù)雜、理化性質(zhì)難以鑒定、污染物含量高、生物難降解、腐蝕性、毒性、反應(yīng)性等一系列特點(diǎn)[1]。如果隨意排放，將嚴(yán)重影響環(huán)境。城鎮(zhèn)污水處理廠系統(tǒng)處理污水種類比較單一，不具備處理此類廢水的能力，故設(shè)計(jì)一種能夠高效、環(huán)保處理此類廢水的設(shè)施，具有一定的現(xiàn)實(shí)意義及經(jīng)濟(jì)前景。

浙江巨化股份有限公司電化廠聯(lián)合浙江大學(xué)能源工程學(xué)院技術(shù)團(tuán)隊(duì)，針對(duì)傳統(tǒng)焚燒爐及化工制酸流程，于2020年7月設(shè)計(jì)開發(fā)了處理能力為3 kt/a的含氯與含氟化工廢液和固廢的焚燒技術(shù)。

1 焚燒技術(shù)的選取

目前比較常用的焚燒技術(shù)主要有回轉(zhuǎn)窯焚燒技術(shù)、流化床焚燒技術(shù)、液體噴注式焚燒技術(shù)。

流化床焚燒爐爐體較小、爐內(nèi)活動(dòng)部件少、爐體故障較少、運(yùn)行穩(wěn)定。具有很大熱容量的惰性床料強(qiáng)烈“翻滾、沸騰”，床層內(nèi)焚燒物料與燃燒媒介充分接觸，導(dǎo)熱效果、傳質(zhì)效果較優(yōu)，爐內(nèi)的溫度能夠保證在一個(gè)很小區(qū)間，對(duì)焚燒物料的分解及燃盡具有很大的作用，具有較高的燃燒效率及有害廢物焚毀率[2]。化工廢液焚燒產(chǎn)物具有腐蝕性、毒性等特點(diǎn)，較少的活動(dòng)部件可以延長(zhǎng)系統(tǒng)的運(yùn)行周期，整體考慮本項(xiàng)目焚燒系統(tǒng)采用流化床焚燒技術(shù)。

2 焚燒物料組成

焚燒物料主要組成如表1所示。

表1 焚燒物料明細(xì)Table 1 Details of incineration materials

如表1所示：焚燒物料含氯且具有一定的熱值，但是不含氮元素及硫元素。根據(jù)化學(xué)分析，含氯化合物經(jīng)過高溫焚燒，轉(zhuǎn)化成氯化氫、二氧化碳和水。

3 焚燒系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

通過分析，焚燒系統(tǒng)設(shè)計(jì)為7個(gè)分系統(tǒng)：給料系統(tǒng)、焚燒系統(tǒng)、余熱回收系統(tǒng)、急冷系統(tǒng)、收塵系統(tǒng)、酸回收系統(tǒng)、脫酸及尾氣排放系統(tǒng)。焚燒系統(tǒng)流程如圖1所示。

圖1 焚燒系統(tǒng)流程圖Fig.1 Process flow of incineration system

3.1 霧化噴槍的設(shè)計(jì)及要求

流化床焚燒爐焚燒過程中，焚燒物料能夠與惰性床料充分接觸，可以使焚燒物料燃燒更充分。所以給料系統(tǒng)選取只須考慮物料能夠進(jìn)入焚燒爐就行，無須考慮廢液的霧化及預(yù)處理，所以本焚燒系統(tǒng)采用水冷雙流體噴槍。霧化噴槍結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1—壓縮空氣；2—廢液；3—冷卻水進(jìn)口；4—冷卻水出口；5—噴槍套管；6—廢液噴嘴。圖2 霧化噴槍結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure of atomizing spray gun

3.2 焚燒裝置設(shè)計(jì)及要求

《危險(xiǎn)廢物焚燒污染控制標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18484—2020)要求：為了使物料焚燒完全，需要維持煙氣經(jīng)過高溫段的時(shí)間控制在至少2 s[3]。

流化床由風(fēng)室、布風(fēng)板、一燃室(密相區(qū))、二燃室(稀相區(qū))組成。流化床焚燒室的設(shè)計(jì)需遵循，煙氣在二燃室停留時(shí)間在2 s以上。

3.3 余熱回收系統(tǒng)設(shè)計(jì)及要求

《危險(xiǎn)廢物焚燒污染控制標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18484—2020)規(guī)定：“焚燒爐高溫段焚燒爐燃燒室出口及出口上游，燃燒所產(chǎn)生的煙氣溫度處于≥1 100 ℃的區(qū)間段。煙氣停留時(shí)間指燃燒所產(chǎn)生的煙氣處于高溫段(≥1 100 ℃)的持續(xù)時(shí)間，可通過焚燒爐高溫段有效容積和煙氣流量的比值計(jì)算?！盵3]

焚燒后的煙氣溫度≥1 100 ℃，蘊(yùn)含大量的能量，如果直接急冷后無序排放，造成能量浪費(fèi)，不符合《中華人民共和國(guó)節(jié)約能源法》的要求。本系統(tǒng)采用余熱鍋爐回收能量，產(chǎn)生的蒸汽能夠補(bǔ)貼運(yùn)行成本，減少系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)用。余熱回收過程要考慮受熱面的高溫腐蝕及磨損等問題。

3.4 急冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)及要求

《危險(xiǎn)廢物焚燒污染控制標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18484—2020)規(guī)定：“焚燒煙氣凈化裝置至少應(yīng)具備除塵、脫硫、脫硝、脫酸、去除二惡英類及重金屬類污染物的功能。每臺(tái)焚燒爐宜單獨(dú)設(shè)置煙氣凈化裝置?！盵3]

《危險(xiǎn)廢物集中焚燒處置工程建設(shè)技術(shù)規(guī)范》(HJ/T 176—2005)規(guī)定：“危險(xiǎn)廢物焚燒過程應(yīng)采取如下二惡英控制措施：①危險(xiǎn)廢物應(yīng)完全焚燒，并嚴(yán)格控制燃燒室煙氣的溫度、停留時(shí)間和流動(dòng)工況；②焚燒廢物產(chǎn)生的高溫?zé)煔鈶?yīng)采取急冷處理，使煙氣溫度在1.0 s內(nèi)降到200 ℃以下，減少煙氣在200～500 ℃溫區(qū)的滯留時(shí)間；③在中和反應(yīng)器和袋式除塵器之間可噴入活性炭或多孔性吸附劑，也可在布袋除塵器后設(shè)置活性炭或多孔性吸附吸收塔(床)?！盵4]

急冷段需要考慮減少二惡英生成的方法，通常是使煙氣溫度在1.0 s內(nèi)從550 ℃降到200 ℃左右，再配合活性炭噴射裝置吸附產(chǎn)生的二惡英及煙氣中的重金屬。焚燒的煙氣具有腐蝕性，故急冷段在防治二惡英的同時(shí)，須考慮急冷段設(shè)備的腐蝕，可以通過技術(shù)手段來增強(qiáng)設(shè)備的耐腐蝕性或通過運(yùn)行調(diào)整減緩設(shè)備的腐蝕。

3.5 收塵系統(tǒng)設(shè)計(jì)及要求

收塵系統(tǒng)主要功能是降低煙氣中的含灰量，阻止通過活性炭噴射吸附下來的二惡英及大量的灰進(jìn)入后系統(tǒng)，而增加后系統(tǒng)的處理難度。比較常用的收塵系統(tǒng)為電除塵系統(tǒng)或布袋除塵系統(tǒng)。焚燒系統(tǒng)可以單獨(dú)用一種系統(tǒng)也可以2種系統(tǒng)混用。

3.6 尾氣處理系統(tǒng)

尾氣處理系統(tǒng)主要由酸回收系統(tǒng)、脫酸系統(tǒng)、尾氣排放系統(tǒng)組成。

焚燒處置的目的是減量化、資源化和無害化。因焚燒煙氣中含有大量酸性氣體，且極易溶于水，可以借鑒化工制酸流程，把煙氣中的酸性氣體轉(zhuǎn)移至水中制成稀酸。大部分酸性氣體進(jìn)入稀酸，未吸收的少量酸性氣體通過酸堿中和脫酸系統(tǒng)吸收，最終進(jìn)入煙囪達(dá)標(biāo)排放。

常規(guī)的尾氣處理系統(tǒng)是利用酸堿中和吸收煙氣中的酸性氣體，在吸收酸性氣體的同時(shí)，再次產(chǎn)生大量的固廢。利用酸回收系統(tǒng)，可以制得稀酸。只有少量酸性氣體被酸堿中和。對(duì)酸做鑒定及處理，可以重復(fù)利用或外送，具有一定的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，同時(shí)滿足減量化、資源化的原則。

3.7 脫硝系統(tǒng)

因焚燒物料中不含氮元素，系統(tǒng)未考慮脫硝系統(tǒng)，但是預(yù)留的有脫硝模塊空間，如果投產(chǎn)后氮排放超標(biāo)，再配套脫硝模塊。

4 運(yùn)行管理及注意事項(xiàng)

4.1 焚燒系統(tǒng)投料及運(yùn)行溫度

《危險(xiǎn)廢物焚燒污染控制標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18484—2020)要求：“危險(xiǎn)廢物焚燒設(shè)施在啟動(dòng)時(shí)，應(yīng)先將爐膛內(nèi)溫度升至規(guī)定的溫度后再投入危險(xiǎn)廢物。自焚燒設(shè)施啟動(dòng)開始投入危險(xiǎn)廢物后，應(yīng)逐漸增加投入量，并應(yīng)在6 h內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定工況?！盵3]

為了維持高溫段的溫度能夠維持在1 100 ℃以上，需要在高溫段布置補(bǔ)燃裝置，在啟爐及運(yùn)行階段調(diào)整焚燒工況。

流化床密相段(爐膛高溫段以下部分)的投料溫度主要是根據(jù)焚燒物料的著火溫度來確定，通常投料溫度在700～850 ℃。當(dāng)爐膛的密相段及高溫段均處在對(duì)應(yīng)指標(biāo)時(shí)，可以進(jìn)行投料。

危險(xiǎn)廢物焚燒爐的技術(shù)性能指標(biāo)[3]為：

焚燒爐高溫段溫度

≥1 100 ℃；

煙氣停留時(shí)間

≥2.0 s；

煙氣氧含量(干煙氣，煙囪取樣口)

6%～15%；

煙囪取樣孔一氧化碳質(zhì)量濃度

1 h均值 ≤100 mg/m3；

日均值 ≤80 mg/m3；

燃燒效率

≥99.9%；

焚毀去除率

≥99.99%；

熱灼減率

<5%。

4.2 焚燒系統(tǒng)運(yùn)行壓力

《危險(xiǎn)廢物焚燒污染控制標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18484—2020)規(guī)定：“焚燒設(shè)施應(yīng)采取負(fù)壓設(shè)計(jì)或其他技術(shù)措施，防止運(yùn)行過程中有害氣體逸出?！盵3]

焚燒段的煙氣溫度較高，煙氣成分比較復(fù)雜，如果不保持負(fù)壓運(yùn)行，焚燒爐非正常運(yùn)行工況下，易發(fā)生安全事故，故運(yùn)行過程中需要保證系統(tǒng)為負(fù)壓。

4.3 注意事項(xiàng)

每個(gè)設(shè)備的進(jìn)出口溫度都要與相連的后一個(gè)設(shè)備的進(jìn)出口溫度匹配，不然易導(dǎo)致設(shè)備損壞，降低系統(tǒng)的運(yùn)行周期。建議裝置采用自動(dòng)化控制系統(tǒng)。

由于焚燒物料的特殊性，需要對(duì)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境進(jìn)行監(jiān)視。根據(jù)安全需要，檢測(cè)設(shè)備、設(shè)備報(bào)警需要具有現(xiàn)場(chǎng)聲光報(bào)警及中控室聲光報(bào)警功能。

5 投產(chǎn)后運(yùn)行情況

焚燒系統(tǒng)建成后，通過1個(gè)月的調(diào)試及試運(yùn)行，爐內(nèi)流化正常、各項(xiàng)溫度在正常工況下，均能滿足指標(biāo)要求。通過提高設(shè)備要求及調(diào)整運(yùn)行指標(biāo)，設(shè)備及受熱面的腐蝕均在設(shè)計(jì)范圍之內(nèi)，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，并且通過環(huán)保及性能驗(yàn)收。同時(shí)焚燒了高氯和高氟固體危廢，運(yùn)行效果良好。

酸回收系統(tǒng)回收鹽酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)能夠達(dá)到26%，超過了設(shè)計(jì)要求，產(chǎn)生的酸回收利用，給企業(yè)帶來了一定的經(jīng)濟(jì)效益。

焚燒余熱系統(tǒng)可以副產(chǎn)壓力0.4 MPa以上的低壓蒸汽2 t/h以上，大部分時(shí)間不需要運(yùn)行成本，投資回收期在2年以內(nèi)。

經(jīng)過專業(yè)部門的檢測(cè)，各項(xiàng)環(huán)保指標(biāo)均能夠達(dá)到《危險(xiǎn)廢物焚燒污染控制標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18484—2020)要求，且在未設(shè)置脫硝設(shè)備的情況下，氮氧化物也能夠達(dá)標(biāo)。

使用流化床焚燒技術(shù)處置含氯與含氟化工廢液，可使化工裝置實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)周期、低腐蝕、低成本和低污染高效運(yùn)行，滿足了國(guó)家對(duì)環(huán)保新設(shè)備與低碳技術(shù)的高要求，具有顯著的適應(yīng)能力。