羅秀朋 周 皓 董志明

(北京航天動(dòng)力研究所)

隨著工業(yè)化迅猛發(fā)展，各種生產(chǎn)系統(tǒng)產(chǎn)生的有機(jī)廢氣廢液增多，對環(huán)境的污染嚴(yán)重，環(huán)保壓力增大。廢氣廢液的處理方法很多，而焚燒法對有機(jī)廢氣廢液的去除率可以達(dá)到99.99%以上，同時(shí)可以回收熱量[1，2]，是一種高效而經(jīng)濟(jì)的處理方式。焚燒法處理廢氣廢液的核心設(shè)備是焚燒裝置,筆者提出了針對處理有機(jī)廢氣廢液焚燒裝置的設(shè)計(jì)理念，并對其設(shè)計(jì)原則做出分析。

1 焚燒工藝與設(shè)計(jì)理念

焚燒法處理有機(jī)廢氣廢液的關(guān)鍵是焚燒溫度的確定和焚燒裝置的設(shè)計(jì)，焚燒廢氣廢液的工藝流程如圖1所示。

圖1 焚燒法處理廢氣廢液工藝流程框圖

焚燒溫度的確定需由廢氣廢液的組分確定。大多數(shù)有機(jī)廢氣廢液的焚燒溫度范圍在800～1 200℃，如廢氣脫臭處理焚燒溫度取800～950℃為宜。

焚燒裝置主要分為燃燒器和焚燒爐兩部分，筆者提出的設(shè)計(jì)理念為：燃燒器提供穩(wěn)定燃燒的熱源，保證有機(jī)廢氣廢液的焚燒溫度，確保有機(jī)廢氣廢液的焚燒去除率在99.99%以上。由于環(huán)保要求日益增高，尤其對氮氧化物的控制，故要求盡量采用低NOx燃燒器。低NOx燃燒器的設(shè)計(jì)主要是通過降低中心火焰區(qū)溫度不高于1 500℃。采用的設(shè)計(jì)方法有燃料分級、空氣分級以及縮小高溫區(qū)火焰等。燃燒器的主燃料要求熱值不低于33.50MJ，并且燃料源穩(wěn)定，火焰燃燒穩(wěn)定，保證燃燒裝置能夠安全、可靠、穩(wěn)定運(yùn)行。

焚燒爐主要作用是提供足夠的停留時(shí)間，保證廢氣廢液焚燒，達(dá)到無害化排放。焚燒爐分為臥式、立式以及“L”型等爐型，可針對不同的有機(jī)廢氣廢液選用不同爐型。為配合燃燒器，降低NOx的排放，焚燒爐上可以設(shè)置空氣口，作為燃盡風(fēng)，對風(fēng)進(jìn)行分級?？諝獾耐ㄈ胛恢眯枰紤]整個(gè)爐膛的熱量均勻性，以保證爐內(nèi)熱量的均勻性和流場的穩(wěn)定性。

2 設(shè)計(jì)原則

焚燒爐設(shè)計(jì)原則主要考慮有機(jī)廢氣廢液的焚燒去除率和排煙指標(biāo)。具體的設(shè)計(jì)參數(shù)有焚燒溫度、停留時(shí)間、腐蝕溫度、爐內(nèi)的溫度場流場以及焚燒爐的襯里等。

焚燒溫度設(shè)定為能夠保證有機(jī)廢氣廢液中的有害組分被完全分解破壞的范圍。一般提高焚燒溫度有利于有機(jī)廢氣廢液的分解破壞，但會(huì)增加燃料消耗量，且高于1 500℃以后，會(huì)增加煙氣中的氮氧化物，引起二次污染。筆者認(rèn)為焚燒溫度比有機(jī)廢氣廢液中有害組分的著火溫度或分解溫度高出50～100℃為宜。

停留時(shí)間主要為保證有機(jī)廢氣廢液在焚燒爐內(nèi)可以焚燒干凈，達(dá)到無害化排放。設(shè)計(jì)上采用爐膛有效體積法。

焚燒爐爐膛的有效體積按容積熱負(fù)荷計(jì)算式選取，即：

Q=qv×V

(1)

式中qv——容積熱負(fù)荷，kW/m3；

Q——熱負(fù)荷，kJ/s或kW；

V——焚燒爐有效體積，m3。

參數(shù)qv一般取230～300kW/m3。有機(jī)廢液含水量少時(shí)，也可取350～465kW/m3。

停留時(shí)間t的計(jì)算式為：

(2)

式中F——焚燒爐爐膛截面積，m2；

h——焚燒爐高度或長度，m；

t——停留時(shí)間，s；

vy——焚燒爐實(shí)際煙氣量，m3/s；

ω——焚燒爐爐膛內(nèi)實(shí)際煙氣流速，m/s。

腐蝕溫度要高于煙氣的露點(diǎn)腐蝕溫度，保證焚燒爐爐殼的抗腐蝕能力。但也不可過高，否則會(huì)引起殼體變形，同時(shí)散熱過多，燃料耗量過大。

焚燒爐爐膛內(nèi)的溫度場、流場要求保持穩(wěn)定，不要出現(xiàn)過大波動(dòng)。為提高爐內(nèi)煙氣溫度場和流場的穩(wěn)定，可以在爐內(nèi)設(shè)置擋火墻，調(diào)整煙氣在爐內(nèi)的流場。

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以及隔熱材料，同時(shí)應(yīng)注意有機(jī)廢氣廢液和焚燒后的煙氣對耐火材料的腐蝕問題[3]。燃燒后的煙氣中含鹽堿時(shí)，需要選用電镕耐火材料；焚燒有機(jī)廢液含堿時(shí)，需要考慮鉻鎂、高鋁質(zhì)耐火材料。襯里的設(shè)計(jì)需要考慮爐襯的整體結(jié)構(gòu)和支托架的耐熱、耐腐蝕性。合理的襯里設(shè)計(jì)能夠提高焚燒爐襯里的使用壽命，保證焚燒爐整體運(yùn)行的安全性、穩(wěn)定性和可靠性。

3 工業(yè)應(yīng)用

基于筆者提出的焚燒裝置設(shè)計(jì)理念，在國內(nèi)某蛋氨酸生產(chǎn)企業(yè)設(shè)計(jì)投建了一套廢氣廢液焚燒裝置。該企業(yè)蛋氨酸生產(chǎn)線產(chǎn)生的廢氣廢液參數(shù)見表1。

表1 某蛋氨酸生產(chǎn)線廢氣廢液參數(shù)

3.1焚燒爐爐體設(shè)計(jì)

焚燒爐的具體設(shè)計(jì)如圖2所示，焚燒爐爐體上設(shè)置了3處廢棄物處置口，從上到下依次是：1#處理五單元廢液、2#處理五單元連續(xù)廢氣和3#處理三單元開車廢氣。

焚燒爐的有效體積按容積熱負(fù)荷計(jì)算式進(jìn)行計(jì)算，同時(shí)用停留時(shí)間計(jì)算式進(jìn)行驗(yàn)證，最終確定有效體積為85m3。

焚燒爐操作溫度設(shè)定1 200±50℃，可以將廢棄物完全焚燒干凈，排煙指標(biāo)達(dá)到國家環(huán)保要求。

考慮到硫化氫的露點(diǎn)腐蝕，設(shè)計(jì)焚燒爐外壁溫度不低于150℃，同時(shí)考慮到高溫硫化腐蝕以及爐殼材料的強(qiáng)度，最高壁溫一般控制在250℃以下。由于殼體對壁溫要求嚴(yán)格，為保證不受環(huán)境因素影響，設(shè)計(jì)可調(diào)溫的全封閉式防雨罩將焚燒爐完全包裹。

由于風(fēng)量波動(dòng)、氣流湍流的不均勻性和輻射強(qiáng)度不同，焚燒爐上部與燃燒器連接部位溫度接近1 500℃，而加入廢棄物后，爐膛溫度在整個(gè)下半部位會(huì)趨于穩(wěn)定，故對耐火襯里的選擇需分區(qū)域考慮。本臺焚燒爐上部選取的耐火磚為剛玉磚。剛玉磚具有純度高、強(qiáng)度大、耐高溫、抗腐蝕及抗熱震等性能。焚燒爐下部選取重質(zhì)高鋁磚LZ- 75，其Al2O3含量不低于75%，具體性能參數(shù)

圖2 焚燒爐設(shè)計(jì)簡圖

滿足標(biāo)準(zhǔn)GB/T 2988- 2004。整個(gè)焚燒爐襯里的隔熱層都選取輕質(zhì)高鋁磚，型號LG140- 1.0，具體性能參數(shù)滿足GB/T 3995- 2006。

3.2燃燒器設(shè)計(jì)

通過熱力計(jì)算，正常工況需要天然氣的伴燒量是250Nm3/h，焚燒爐襯里的烘干所需最大天然氣量是500Nm3/h。燃燒器需要處理的廢棄物有：4#三單元連續(xù)廢氣，5#三單元停車廢氣，6#二、四單元連續(xù)廢氣和7#四單元廢液。燃燒器具體設(shè)計(jì)如圖3所示。這種結(jié)構(gòu)能夠保證主火焰區(qū)的穩(wěn)定燃燒，提高裝置運(yùn)行的安全性和可靠性；能夠保證廢氣、廢液的完全焚燒分解；能夠使主火焰區(qū)溫度不至于過高，降低氮氧化物等有害氣體產(chǎn)生。

圖3 燃燒器設(shè)計(jì)簡圖

4 結(jié)束語

立式焚燒裝置對不同熱值的廢氣、廢液進(jìn)行分區(qū)域布置。燃燒器采用多槍設(shè)計(jì)理念，助燃空氣采用分級配風(fēng)。該焚燒裝置具有高效、環(huán)保、可操作性強(qiáng)以及對工況的匹配性好等優(yōu)點(diǎn)。焚燒裝置正式投入運(yùn)行四年多以來狀況良好，處理量可長期維持滿負(fù)荷，環(huán)評數(shù)據(jù)達(dá)到GB 16297- 1996和GB 18484- 2001標(biāo)準(zhǔn)要求，為當(dāng)?shù)氐沫h(huán)保事業(yè)做出了突出貢獻(xiàn)，同時(shí)對相關(guān)領(lǐng)域的廢氣廢液處理具有指導(dǎo)和借鑒意義。

[1] 張紹坤.有機(jī)廢液和廢氣聯(lián)合焚燒處理技術(shù)的研究與應(yīng)用[J].工業(yè)爐，2012，34(4)：34～36.

[2] 王政偉,李蓉.化工廢棄物焚燒爐爐排的設(shè)計(jì)計(jì)算[J].化工機(jī)械,2012,39(1):52～54.

[3] 李振威.焚燒爐耐火襯里更換過程的管理實(shí)踐[J].化工機(jī)械,2012,39(5):670～671.