煉化油泥回轉(zhuǎn)窯焚燒工藝設(shè)計(jì)

高明智

（世紀(jì)華揚(yáng)環(huán)境工程有限公司，北京 100101）

煉化油泥回轉(zhuǎn)窯焚燒工藝設(shè)計(jì)

高明智

（世紀(jì)華揚(yáng)環(huán)境工程有限公司，北京 100101）

焚燒是目前最徹底的污泥處置方式。回轉(zhuǎn)窯焚燒爐是一種適應(yīng)性很強(qiáng)的焚燒爐，也是處理含油污泥的主要選擇之一。結(jié)合某煉化企業(yè)含油污泥回轉(zhuǎn)窯焚燒工程，詳細(xì)介紹了該焚燒工程的工藝設(shè)計(jì)。

含油污泥;回轉(zhuǎn)窯;焚燒工藝

引言

煉化企業(yè)的污水處理場(chǎng)在處理凈化煉油污水的過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生大量的油泥、浮渣和活性污泥，俗稱“三泥”。“三泥”的成分復(fù)雜，含有礦物油、重金屬、有毒有害的化學(xué)有機(jī)物、致病微生物等，簡(jiǎn)稱“煉化油泥”。離心機(jī)脫水后的“三泥”含水率為80%～85%，含油量一般為3%～10%，處理難度大，資源化受限。選擇回轉(zhuǎn)窯焚燒處置工藝，可使污泥轉(zhuǎn)化為達(dá)標(biāo)排放的尾氣和穩(wěn)定的灰渣，實(shí)現(xiàn)污泥徹底的減量化，達(dá)到環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效益的統(tǒng)一。

某煉化企業(yè)含油污泥回轉(zhuǎn)窯焚燒工程的工藝流程為：污泥儲(chǔ)存輸送單元—焚燒單元（回轉(zhuǎn)窯+二燃室）—余熱利用單元—尾氣處理單元。焚燒單元結(jié)構(gòu)如圖示。

1 污泥和燃料氣的特性

污泥和燃料氣的物性參數(shù)是焚燒工藝計(jì)算的基礎(chǔ)，也是焚燒工藝設(shè)計(jì)的重要組成之一。

1.1 污泥

含水率約80%的油泥處理規(guī)模為10t/d。經(jīng)濃縮、離心脫水后的泥溫約25℃，暫存于污泥儲(chǔ)存輸送單元，并輸送至焚燒單元處置。污泥樣品送檢后的干基元素檢測(cè)數(shù)據(jù)見表1。

焚燒單元結(jié)構(gòu)圖

表1 含油污泥干基元素組成

表2 含油污泥收到基元素組成

1.2 燃料氣

煉化廠自配燃料氣，常溫，組分檢測(cè)數(shù)據(jù)見表3。

表3 燃料氣組成

根據(jù)公式：

得燃料氣燃燒所需理論空氣量V0= 9.90Nm3/h。理論煙氣量V0= 11.20Nm3/h。

Qi－－燃料氣中各組分的熱值，kJ/Nm3。

2 燃燒工藝計(jì)算

焚燒單元可假設(shè)成一個(gè)以污泥和燃料氣作為燃燒介質(zhì)的雙燃料燃燒系統(tǒng)。在保證從污泥投料至灰渣排出的時(shí)間在60～90min、回轉(zhuǎn)窯焚燒工況溫度在850℃～1000℃、 二燃室焚燒工況溫度在1100℃～1400℃[3]、焚燒物料充分?jǐn)噭?dòng)、過(guò)量空氣系數(shù)穩(wěn)定的前提下，可認(rèn)為焚燒單元能夠正常工作，即污泥能被充分有效處理。

焚燒工藝要求及參數(shù)規(guī)定如下：以非熔渣式操作的850℃和1100℃作為轉(zhuǎn)窯和二燃室煙溫的爐膛溫度設(shè)計(jì)值，且假設(shè)爐膛各處溫度恒定。燃料氣的消耗根據(jù)雙燃料燃燒產(chǎn)生煙氣的熱量與設(shè)計(jì)溫度下煙氣熱量的差異進(jìn)行確定。因燃料氣的成分、熱值相對(duì)固定，故過(guò)量空氣系數(shù)維持在α = 1.1～1.25[2]，有些燃燒器產(chǎn)品略高，本工程燃燒器α = 1.4。

回轉(zhuǎn)窯的熱量損失是熱平衡計(jì)算中的重要參數(shù)之一，參照多層圓筒壁的總傳熱方法[4]。根據(jù)公式：

其中：Q — 轉(zhuǎn)窯熱損失，W；

L — 轉(zhuǎn)窯筒體長(zhǎng)度，m；

T — 焚燒煙氣溫度，℃；

t — 環(huán)境溫度，℃；

ri— 耐火層、保溫層、筒壁厚，m；

λ1—耐火層、保溫層、筒壁導(dǎo)熱系數(shù)，W/m·K；

二燃室熱量損失計(jì)算參照上述公式，焚燒單元漏風(fēng)量忽略不計(jì)，二燃室干煙氣的氧含量按6%計(jì)。

以上規(guī)定了燃燒工藝計(jì)算的充分必要條件，其使焚燒單元的煙氣產(chǎn)出狀態(tài)唯一，見表4。

表4 二燃室出口煙氣組成

表4為焚燒單元（回轉(zhuǎn)窯+二燃式）的焚燒結(jié)果，是焚燒系統(tǒng)后續(xù)處理單元的處理對(duì)象和設(shè)計(jì)基礎(chǔ)。有必要對(duì)上述結(jié)果校核：

（1）煙氣密度經(jīng)

校核，與計(jì)算值相差3.5‰；

（2）二燃室出口干煙氣的氧含量為6.1%，與設(shè)計(jì)值接近；

（3）焚燒單元總熱損失約占輸入熱量的10.8%，在合理范圍內(nèi)；

經(jīng)計(jì)算，工況下的污泥焚燒過(guò)量空氣系數(shù)α = 1.3，和燃料氣過(guò)量空氣系數(shù)（α = 1.4）決定了風(fēng)機(jī)風(fēng)量的大小。

3 回轉(zhuǎn)窯、二燃室的工藝設(shè)計(jì)

3.1 回轉(zhuǎn)窯

在回轉(zhuǎn)窯廢物焚燒的基本要求和燃燒工藝計(jì)算結(jié)果的基礎(chǔ)上，回轉(zhuǎn)窯的工藝設(shè)計(jì)按權(quán)重大小應(yīng)先后滿足污泥停留時(shí)間、容積熱負(fù)荷、回轉(zhuǎn)窯外壁溫度、容積重量負(fù)荷、填充系數(shù)等參數(shù)。其中停留時(shí)間和容積熱負(fù)荷應(yīng)同時(shí)優(yōu)先滿足工藝要求并能相互校核。容積重量負(fù)荷、填充系數(shù)的設(shè)計(jì)權(quán)重視焚燒物料的物性差異而較小。

（1）污泥停留時(shí)間

其中：

t — 停留時(shí)間，min；

L— 轉(zhuǎn)窯筒體長(zhǎng)度9.0m；

計(jì)算得t = 33～329min，滿足30～120min的要求。

（2）容積熱負(fù)荷

回轉(zhuǎn)窯容積熱負(fù)荷允許范圍較寬，一般在（4.2～104.5）×104kJ/m3·h[3]。該值過(guò)大或過(guò)小都會(huì)對(duì)爐膛造成影響。容積熱負(fù)荷的選取與設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)相關(guān)，適宜的取值范圍為（25～45）×104kJ/m3·h。負(fù)荷過(guò)大易對(duì)爐膛造成損害，降低燃燒室使用壽命，且高溫?zé)煔馔Ａ魰r(shí)間過(guò)短，導(dǎo)致不完全燃燒氣體過(guò)多，燃燒室熱量分布不均勻。負(fù)荷過(guò)低會(huì)使?fàn)t膛設(shè)計(jì)尺寸較大，增加散熱損失、降低燃燒效率[5]。本項(xiàng)目回轉(zhuǎn)窯容積熱負(fù)荷為30×104kJ/m3·h。經(jīng)校核，回轉(zhuǎn)窯尺寸Φ1.8×9.0m滿足負(fù)荷要求。

（3）其他

根據(jù)回轉(zhuǎn)窯的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，并依據(jù)公式

其中：

Q — 回轉(zhuǎn)窯熱損失，W；

Sw— 耐火層內(nèi)表面積，m2；

t1— 耐火層內(nèi)表面溫度，℃。

求得轉(zhuǎn)窯外壁溫度179℃，滿足大于硫酸露點(diǎn)溫度（約150℃）的要求，可避免筒體金屬材料的低溫酸腐蝕。

經(jīng)核算，容積重量負(fù)荷為37kg/m3·h，符合介于35～60kg/m3·h的要求。填充系數(shù)為0.023，偏低，由污泥物性使然，可接受。

3.2 二燃室

二燃室的工藝設(shè)計(jì)和回轉(zhuǎn)窯的設(shè)計(jì)類似，應(yīng)滿足煙氣停留時(shí)間、容積熱負(fù)荷、外壁溫度等參數(shù)要求。

需要指出，二燃室內(nèi)煙氣的流速控制在3～5m/s，停留時(shí)間大于2s。容積熱負(fù)荷一般取（40～65）×104kJ/m3·h。本項(xiàng)目二燃室的容積熱負(fù)荷設(shè)計(jì)值為40×104kJ/m3·h。

3.3 耐火材料的選擇

耐火材料是焚燒單元的重要組成部分，必須具備如下基本要求：

（1）應(yīng)具有在設(shè)計(jì)溫度下不軟化、不熔融的性能；

（2）可承受應(yīng)力荷載和熱荷載，維持結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，不變形；

（3）維持高溫體積穩(wěn)定性，不致由膨脹和收縮使砌體變形或出現(xiàn)裂紋；

（4）溫度急變或受熱不均勻時(shí)不會(huì)崩裂破壞；

（5）具有足夠的強(qiáng)度和耐磨度。

回轉(zhuǎn)窯和二燃室耐火材料的選擇應(yīng)滿足如上要求，但同一套焚燒單元中耐火材料的種類不宜過(guò)多。

4 燃燒器設(shè)計(jì)

燃燒器是重要的升溫設(shè)備，其作用表現(xiàn)在：1）補(bǔ)充設(shè)計(jì)焚燒工況所需熱量；2）烘爐時(shí)為爐膛提供熱量；3）啟停爐時(shí)維持爐膛適當(dāng)?shù)纳禍厮俾省Ｈ紵鞒隽Φ脑O(shè)計(jì)主要參照上述3種工作狀態(tài)。

本項(xiàng)目選用的進(jìn)口燃燒器可按一定比例和一定混合條件將燃料氣和空氣供入爐內(nèi)燃燒，滿足爐內(nèi)污泥焚燒過(guò)程對(duì)火焰的要求。回轉(zhuǎn)窯配備1臺(tái)燃燒器，回轉(zhuǎn)窯配備2臺(tái)燃燒器。

4.1 焚燒工況燃燒器出力

在規(guī)定的焚燒工況下，回轉(zhuǎn)窯燃燒器的出力應(yīng)滿足回轉(zhuǎn)窯出口煙氣設(shè)計(jì)溫度（850℃）時(shí)所需補(bǔ)充的燃料氣量。

根據(jù)第2節(jié)燃燒工藝計(jì)算，回轉(zhuǎn)窯需補(bǔ)充77kg/h的燃料氣，約71×104kcal/h。放大倍數(shù)r在1.5～2之間。本項(xiàng)目按r = 1.5計(jì)，回轉(zhuǎn)窯燃燒器出力為106×104kcal/h。

同理，二燃室燃燒器出力為114×104kcal/h。

4.2 烘爐階段燃燒器出力

新砌筑和經(jīng)過(guò)大修的爐體需要排除水分，使結(jié)構(gòu)在高溫下趨于穩(wěn)定，保證爐體正常操作。

本項(xiàng)目的焚燒單元在砌筑后和大修后需要烘爐，將烘爐時(shí)間段劃分為：常溫～150℃、150℃～210℃、210℃～300℃、300℃～400℃、400℃～600℃、600℃～1000℃，共6個(gè)升溫區(qū)間，升溫速度10℃～15℃/h。總烘爐時(shí)間包括升溫時(shí)間和維持溫度時(shí)間，共約230h。

燃燒器應(yīng)滿足上述升溫過(guò)程所需的熱量需求。計(jì)算燃燒器出力時(shí)，假設(shè)每個(gè)升溫區(qū)間都按溫度上限的維持溫度區(qū)間，并結(jié)合每個(gè)區(qū)間相應(yīng)的散熱損失、燃燒器α=1.4等參數(shù)，計(jì)算出各區(qū)間所需燃料氣用量并累加。

按r=1.5計(jì)，經(jīng)計(jì)算，回轉(zhuǎn)窯燃燒器出力為5.8×104kcal/h。同理，二燃室燃燒器出力為7.0×104kcal/h。

4.3 啟停爐階段燃燒器出力

啟停爐階段屬于不穩(wěn)定態(tài)傳熱過(guò)程。啟爐時(shí)，爐膛溫度隨時(shí)間而升高，爐體實(shí)現(xiàn)蓄熱過(guò)程；停爐時(shí)，爐膛溫度隨時(shí)間而降低，爐體實(shí)現(xiàn)放熱過(guò)程。

工程應(yīng)用中，要求在短期停爐后，爐體正常啟動(dòng)的時(shí)間盡可能短，并保證升溫階段爐體安全。停爐檢修時(shí)，要求爐體降溫速度均勻平緩，維持耐火材料的熱穩(wěn)定。本項(xiàng)目根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，規(guī)定了爐溫由常溫升至可正常投料時(shí)的時(shí)間為6～12h，該時(shí)間和爐膛容積熱負(fù)荷的設(shè)計(jì)值相關(guān)。同理，停爐階段爐膛降溫速度為30℃～50℃/h。

啟停爐階段，由燃燒器維持爐膛穩(wěn)定升降溫，焚燒單元從雙燃料燃燒系統(tǒng)變?yōu)閱稳剂先紵到y(tǒng)。此階段燃燒器的出力相當(dāng)于滿足爐膛容積熱負(fù)荷的設(shè)計(jì)極值燃燒器所能提供的熱量。則回轉(zhuǎn)窯和二燃室的燃燒器出力分別等于各自的容積熱負(fù)荷值與有效爐膛容積的乘積。

按r=1.5計(jì)，經(jīng)計(jì)算，回轉(zhuǎn)窯燃燒器出力為122×104kcal/h。同理，二燃室燃燒器出力為208×104kcal/h。

根據(jù)以上三種狀態(tài)燃燒器出力的計(jì)算結(jié)果，選取啟爐階段燃燒器出力為燃燒器出力的設(shè)計(jì)值。

5 風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目風(fēng)機(jī)種類有一次風(fēng)機(jī)、二次風(fēng)機(jī)和引風(fēng)機(jī)。一、二次風(fēng)機(jī)供應(yīng)燃燒器和污泥焚燒所需的空氣，引風(fēng)機(jī)抽取焚燒煙氣外排至環(huán)境中。

5.1 一次風(fēng)機(jī)風(fēng)量

如前所述，燃料氣的α=1.4，且燃料最大消耗量為燃燒器出力的設(shè)計(jì)值所對(duì)應(yīng)的燃料量。根據(jù)燃料氣燃燒所需的實(shí)際空氣量，得一次風(fēng)機(jī)風(fēng)量為 4220Nm3/h。

5.2 二次風(fēng)機(jī)風(fēng)量

污泥過(guò)量空氣系數(shù)α=1.3，且污泥處理量為417kg/h。根據(jù)污泥燃燒所需的實(shí)際空氣量，經(jīng)計(jì)算，二次風(fēng)機(jī)風(fēng)量為500Nm3/h。

5.3 引風(fēng)機(jī)風(fēng)量

引風(fēng)機(jī)風(fēng)量應(yīng)按焚燒系統(tǒng)生成的最大煙氣量進(jìn)行確定，最大煙氣量在啟爐階段由回轉(zhuǎn)窯燃燒器和二燃室燃燒器加熱爐膛時(shí)生成。

經(jīng)計(jì)算，燃燒器最大出力狀態(tài)產(chǎn)生的煙氣量為6743Nm3/h，此值為引風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)風(fēng)量。

6 結(jié)論

焚燒工藝設(shè)計(jì)是工程實(shí)現(xiàn)的重要組成部分，是設(shè)備選型的重要依據(jù)。現(xiàn)階段，估算過(guò)程和經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)仍是工藝設(shè)計(jì)的主要手段。

數(shù)值模擬方法可對(duì)爐膛溫度等參數(shù)隨時(shí)間的變化過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，可精確地建立焚燒模型并有效指導(dǎo)工藝設(shè)計(jì)，對(duì)揭示燃燒過(guò)程、驗(yàn)證經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)、設(shè)備選型等具有重要的工程意義。這是焚燒工藝設(shè)計(jì)的方向之一。

[1] 化工環(huán)境保護(hù)設(shè)計(jì)手冊(cè)（第1版）[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2001.

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Craftwork Design of Rotary Kiln Incineration for Refining Oil-mud

GAO Ming-zhi

X703

A

1006-5377（2014）03-0044-04