廢氣廢液焚燒裝置的設計與工業應用

羅秀朋 周 皓 董志明

(北京航天動力研究所)

隨著工業化迅猛發展，各種生產系統產生的有機廢氣廢液增多，對環境的污染嚴重，環保壓力增大。廢氣廢液的處理方法很多，而焚燒法對有機廢氣廢液的去除率可以達到99.99%以上，同時可以回收熱量[1，2]，是一種高效而經濟的處理方式。焚燒法處理廢氣廢液的核心設備是焚燒裝置,筆者提出了針對處理有機廢氣廢液焚燒裝置的設計理念，并對其設計原則做出分析。

1 焚燒工藝與設計理念

焚燒法處理有機廢氣廢液的關鍵是焚燒溫度的確定和焚燒裝置的設計，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。大多數有機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，筆者提出的設計理念為：燃燒器提供穩定燃燒的熱源，保證有機廢氣廢液的焚燒溫度，確保有機廢氣廢液的焚燒去除率在99.99%以上。由于環保要求日益增高，尤其對氮氧化物的控制，故要求盡量采用低NOx燃燒器。低NOx燃燒器的設計主要是通過降低中心火焰區溫度不高于1 500℃。采用的設計方法有燃料分級、空氣分級以及縮小高溫區火焰等。燃燒器的主燃料要求熱值不低于33.50MJ，并且燃料源穩定，火焰燃燒穩定，保證燃燒裝置能夠安全、可靠、穩定運行。

焚燒爐主要作用是提供足夠的停留時間，保證廢氣廢液焚燒，達到無害化排放。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，焚燒爐上可以設置空氣口，作為燃盡風，對風進行分級。空氣的通入位置需要考慮整個爐膛的熱量均勻性，以保證爐內熱量的均勻性和流場的穩定性。

2 設計原則

焚燒爐設計原則主要考慮有機廢氣廢液的焚燒去除率和排煙指標。具體的設計參數有焚燒溫度、停留時間、腐蝕溫度、爐內的溫度場流場以及焚燒爐的襯里等。

焚燒溫度設定為能夠保證有機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廢氣廢液的分解破壞，但會增加燃料消耗量，且高于1 500℃以后，會增加煙氣中的氮氧化物，引起二次污染。筆者認為焚燒溫度比有機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。

停留時間主要為保證有機廢氣廢液在焚燒爐內可以焚燒干凈，達到無害化排放。設計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荷計算式選取，即：

Q=qv×V

(1)

式中qv——容積熱負荷，kW/m3；

Q——熱負荷，kJ/s或kW；

V——焚燒爐有效體積，m3。

參數qv一般取230～300kW/m3。有機廢液含水量少時，也可取350～465kW/m3。

停留時間t的計算式為：

(2)

式中F——焚燒爐爐膛截面積，m2；

h——焚燒爐高度或長度，m；

t——停留時間，s；

vy——焚燒爐實際煙氣量，m3/s；

ω——焚燒爐爐膛內實際煙氣流速，m/s。

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

焚燒爐爐膛內的溫度場、流場要求保持穩定，不要出現過大波動。為提高爐內煙氣溫度場和流場的穩定，可以在爐內設置擋火墻，調整煙氣在爐內的流場。

焚燒爐襯里的設計需根據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，同時應注意有機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，需要選用電镕耐火材料；焚燒有機廢液含堿時，需要考慮鉻鎂、高鋁質耐火材料。襯里的設計需要考慮爐襯的整體結構和支托架的耐熱、耐腐蝕性。合理的襯里設計能夠提高焚燒爐襯里的使用壽命，保證焚燒爐整體運行的安全性、穩定性和可靠性。

3 工業應用

基于筆者提出的焚燒裝置設計理念，在國內某蛋氨酸生產企業設計投建了一套廢氣廢液焚燒裝置。該企業蛋氨酸生產線產生的廢氣廢液參數見表1。

表1 某蛋氨酸生產線廢氣廢液參數

3.1焚燒爐爐體設計

焚燒爐的具體設計如圖2所示，焚燒爐爐體上設置了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荷計算式進行計算，同時用停留時間計算式進行驗證，最終確定有效體積為85m3。

焚燒爐操作溫度設定1 200±50℃，可以將廢棄物完全焚燒干凈，排煙指標達到國家環保要求。

考慮到硫化氫的露點腐蝕，設計焚燒爐外壁溫度不低于150℃，同時考慮到高溫硫化腐蝕以及爐殼材料的強度，最高壁溫一般控制在250℃以下。由于殼體對壁溫要求嚴格，為保證不受環境因素影響，設計可調溫的全封閉式防雨罩將焚燒爐完全包裹。

由于風量波動、氣流湍流的不均勻性和輻射強度不同，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，爐膛溫度在整個下半部位會趨于穩定，故對耐火襯里的選擇需分區域考慮。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、強度大、耐高溫、抗腐蝕及抗熱震等性能。焚燒爐下部選取重質高鋁磚LZ- 75，其Al2O3含量不低于75%，具體性能參數

圖2 焚燒爐設計簡圖

滿足標準GB/T 2988- 2004。整個焚燒爐襯里的隔熱層都選取輕質高鋁磚，型號LG140- 1.0，具體性能參數滿足GB/T 3995- 2006。

3.2燃燒器設計

通過熱力計算，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#三單元連續廢氣，5#三單元停車廢氣，6#二、四單元連續廢氣和7#四單元廢液。燃燒器具體設計如圖3所示。這種結構能夠保證主火焰區的穩定燃燒，提高裝置運行的安全性和可靠性；能夠保證廢氣、廢液的完全焚燒分解；能夠使主火焰區溫度不至于過高，降低氮氧化物等有害氣體產生。

圖3 燃燒器設計簡圖

4 結束語

立式焚燒裝置對不同熱值的廢氣、廢液進行分區域布置。燃燒器采用多槍設計理念，助燃空氣采用分級配風。該焚燒裝置具有高效、環保、可操作性強以及對工況的匹配性好等優點。焚燒裝置正式投入運行四年多以來狀況良好，處理量可長期維持滿負荷，環評數據達到GB 16297- 1996和GB 18484- 2001標準要求，為當地的環保事業做出了突出貢獻，同時對相關領域的廢氣廢液處理具有指導和借鑒意義。

[1] 張紹坤.有機廢液和廢氣聯合焚燒處理技術的研究與應用[J].工業爐，2012，34(4)：34～36.

[2] 王政偉,李蓉.化工廢棄物焚燒爐爐排的設計計算[J].化工機械,2012,39(1):52～54.

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