環己酮廢液焚燒余熱鍋爐設計與運行研究

(北京航天動力研究所 北京航天石化技術裝備工程公司， 北京 100076)

環己酮廢液焚燒余熱鍋爐設計與運行研究

卜銀坤
(北京航天動力研究所 北京航天石化技術裝備工程公司， 北京 100076)

環己酮生產廢液中含有質量分數約17%的氫氧化鈉及其它有機物，采用液態排渣的方法焚燒并進行余熱回收，是國內外化工行業常規有效的做法。由于余熱鍋爐設計或運行的原因，常出現無法排渣或液態排渣狀態不理想的問題，造成鍋爐尾部受熱面嚴重積灰、磨損甚至無法運行。投資巨大、運行成本高、處理效果不夠理想及使用壽命短已成為環己酮廢液焚燒余熱鍋爐急待解決的問題。對國內1臺正在運行的單汽包倒N型液態排渣雙室爐環己酮廢液焚燒余熱鍋爐的設計、試運行及存在問題的改造過程進行了分析研究，指出只要結構設計原則性數據正確、把握好衛燃帶的設計和施工質量、做好液態排渣溜槽的密封和絕熱，使鍋爐按設計參數運行，環己酮廢液焚燒余熱鍋爐就能夠達到用戶使用要求。

余熱鍋爐； 環己酮； 液態排渣； 廢液焚燒； 設計； 運行

環己酮生產廢液中一般含有質量分數大約為17%的氫氧化鈉以及其它有機物，國內外化工行業通常采用液態排渣的方法焚燒環己酮廢液并進行余熱回收[1-6]。

針對環己酮廢液焚燒余熱鍋爐存在的投資特別巨大、處理效果不夠理想以及使用壽命比較短等問題，文中以1臺正在運行的新型單汽包倒N型液態排渣雙室爐環己酮廢液焚燒余熱鍋爐(圖1)為例，對其設計、試運行及存在問題的改造等方面進行分析研究。

圖1 單汽包倒N型液態排渣雙室爐環己酮廢液焚燒余熱鍋爐結構

1 余熱鍋爐結構及設計理念

圖1所示的余熱鍋爐和文獻[7]中的熱力計算示例5具有一定的相似性。鍋爐爐膛由燃燒室和冷卻室構成，燃燒室、冷卻室及煙道所構成的煙氣走向呈倒N形。其結構除了汽包、下降管系統、汽水引出管系統外，沿煙氣流動方向，所有受熱面布置依次為燃燒室、前凝渣管束、后凝渣管束、冷卻室、輻射屏、對流屏、高溫膜式省煤器、空氣預熱器、低溫省煤器。為了防止腐蝕性煙氣對金屬受熱面造成腐蝕，提高鍋爐的運行效率，減少輔助燃料，燃燒室和冷卻室中膜式水冷壁管靠火一側的圓弧面上均焊有密集的銷釘，并全部敷設一層耐火衛燃帶。該鍋爐結構緊湊、焚燒充分、余熱回收高效，而且易實現大型化。實踐證明，這種結構的定性設計是理想可行的，關鍵在于正確的定量設計。

環己酮廢液從燃燒室的頂部高壓霧化均勻噴入燃燒室，4個天然氣燃燒器在燃燒室靠近頂部橫截面的四角處，分別向燃燒室中心部位假想的直徑為1 m的圓切向噴入，形成此截面上的密集旋轉火焰，火焰隨著引風機的作用向下移動，同時蒸發并燃燒來自其上部的霧化廢液。燃燒室中下高度的橫截面上布置有二次風，通過溫度、壓力等傳感元件實時捕捉信號、PLC程控發出指令，自動調節天然氣、燃燒空氣、廢液的噴入量，確保燃燒室內各點及燃燒室底部出口的燃燒溫度、煙氣排放等各種參數在設計許可范圍內。

新型廢液焚燒余熱鍋爐設計理念[8]：①燃燒室的主要任務是確保廢液在輔助燃料的帶動下，能夠及時著火、穩定燃燒、充分燃盡，使其出口煙氣溫度達到預定要求，還要能夠攔截煙氣中50%以上的灰塵，使其從燃燒室底部液態排出。②設計的前凝渣管束和后凝渣管束除了對煙氣進行有限冷卻降溫外，更重要的是盡可能多地捕捉煙氣中的熔融鹽粒，使其下落到燃燒室底部的鹽池內，以便集中后從特制的溜槽中安全排出爐外。③冷卻室的任務是將從凝渣管束出來的次高溫煙氣繼續冷卻直至比煙灰熔點溫度低100～150 ℃，將煙氣中總灰分的30%沉降流入燃燒室底部的鹽池內，使煙氣通過密集的鍋爐尾部對流受熱面時不結渣、不積灰、不堵塞，最終達標順利排入大氣。

2 余熱鍋爐主要參數

正在運行的環己酮廢液焚燒余熱鍋爐額定蒸發量30 t/h，額定蒸汽出口壓力1.57 MPa(G)、出口溫度203 ℃，鍋筒工作壓力1.57 MPa(G)，給水溫度104 ℃，焚燒環己酮廢液消耗量16 800 kg/h，輔助燃料天然氣消耗量829.285 7 kg/h，理論燃燒溫度1 280 ℃，鍋爐排煙溫度200 ℃，鍋爐熱效率69.6%。所用輔助燃料天然氣熱值約35 884 kJ/m3、壓力0.25～0.30 MPa(G)，天然氣組分含甲烷、丙烷、丁烷、其他碳氫化合物、氮氣[9]，體積分數分別為98%、0.30%、0.30%、0.40%、1%。按用戶給出的廢液物理組成折算的元素質量分數見表1。

表1 按環己酮廢液物理組成折算的元素質量分數

3 余熱鍋爐試運行過程中存在問題

在環己酮廢液焚燒余熱鍋爐初期3個月的試運行過程中，燃燒室中心煙氣溫度經常處于(1 000±50)℃，液態排渣口處溫度一般為(850±50)℃。因不能正常液態排渣，尾部煙道積灰堵塞嚴重，導致鍋爐無法運行而被迫停爐。

現場檢查發現，余熱鍋爐衛燃帶不均勻脫落比較嚴重，同時伴有寬窄不同的裂縫，局部存在嚴重腐蝕，露出的銷釘凝有固體鹽。同時，燃燒室底部的液態排渣時有時無，且流動不暢。鍋爐對流煙道中高溫膜式省煤器入口、空氣預熱器入口及低溫省煤器入口均存在嚴重的積灰現象。

4 余熱鍋爐存在問題原因分析及解決辦法

4.1 結構設計原則性數據審查[8-10]

在廢液和指定助燃天然氣的混合比為1 kg∶0.069 1 m3、過氧燃燒的過量空氣系數α=1.363、熱空氣的溫度trk=300 ℃時，計算的理論燃燒溫度為1 280 ℃。在滿負荷，即混合燃料的計算消耗量4.805 6 kg/s、低位發熱量6 961.664 kJ/kg的情況下，當燃燒室出口煙氣溫度為950 ℃時，燃燒室內的平均煙氣溫度應當為1 115 ℃。設計的鍋爐燃燒室為方形截面，其邊長4 m，燃燒室高度14 m，燃燒室底部布置了兩級凝渣管束，且設有折焰墻，有利于液態排渣。根據爐膛的幾何形狀和尺寸，煙氣在燃燒室內平均流速計算值為6 m/s、經過的時間計算值為2.0 s，因為其后有冷卻室，因此該時間是足夠的[11，12]。審查認為，燃燒室結構的原則性設計數據沒有問題，如果衛燃帶能起到應有的作用，燃燒室內平均煙氣溫度為1 115 ℃，則燃燒室底部的液態排渣應當沒有問題，液態排渣環己酮廢液焚燒余熱鍋爐能夠正常運行。

4.2 衛燃帶組分及其性能設計審查

根據衛燃帶破損、脫落的現場情況，筆者發現，除露出的銷釘頭部覆蓋一層白色的固體碳酸鈉外，其余部分的衛燃帶表面均有不同程度的腐蝕跡象，膜式水冷壁管上衛燃帶最薄處腐蝕量較少，處于兩根水冷壁管中間的衛燃帶也是較厚位置腐蝕量最多，整個衛燃帶表面形成條紋形的凹凸面。分析認為，出現這種現象的原因，除了銷釘形狀、數量、布局、澆鑄料的配比存在設計問題外，不恰當的施工工藝和偏高的運行溫度也不能忽略。

鍋爐正常運行時熱量沿各層的傳導及層間各節點的溫度見圖2。橫坐標代表衛燃帶復合爐襯的厚度δ，縱坐標代表衛燃帶復合爐襯截面內各節點的溫度t。

圖2 衛燃帶復合爐襯橫截面內各節點溫度

除各種損失外，從熱平衡角度考慮，煙氣中將有一定的熱流qlt穿過厚度為δry的熔融鹽層、厚度為δgy的固體鹽層、厚度δwr=0.03 m的衛燃帶層、厚度δgb=0.005 m的管壁金屬厚度層直到工質水，使一部分水變為蒸汽上升到鍋筒。

需要說明的是[13]，固體鹽的腐蝕性比熔融鹽的腐蝕性低一個數量級，所以熱量傳遞路徑中的固體鹽層對衛燃帶具有無可替代的保護作用，是鍋爐安全運行的重要條件，其厚度可以很薄但不可以為0。然而事實上，由于燃燒室的運行溫度過高、衛燃帶導熱系數過小或者熔鹽對衛燃帶腐蝕生成共晶熔鹽凝結溫度的降低等原因，實際并未形成圖2中所示的固體鹽層，致使衛燃帶出現短期嚴重腐蝕或衛燃帶的使用壽命過短。這種案例并不鮮見，本鍋爐就是其中一例。

作為澆鑄料的不同粒度的各種骨料，除了含有質量分數30%～45%的Cr2O3外，還含有不同數量的Al2O3、SiO2、CaO、Fe2O3等成分。在現場進行成分、粒度配比時，必須先化驗其名義成分的真實性，同時還要制作多種檢測試塊[14]，確認滿足要求后方可進行現場施工。

環己酮廢液焚燒煙氣中的灰分主要是Na2CO3，其熔點是854 ℃。運行現場測試數據證明[13]，Na2CO3的流動溫度最低為868 ℃，此時燃燒室的出口煙氣溫度為950 ℃，燃燒室內的煙氣溫度為(1 115±25)℃。關于固體鹽層對衛燃帶起保護作用的說法，文獻[15，16]認為，熔融Na2CO3對衛燃帶的初期腐蝕，或衛燃帶表面的一部分材料熔入熔融Na2CO3后，黏度大大增加、流動性變低，從而極大降低了腐蝕速度。

此外，必須的熔融鹽層厚度，不僅是余熱鍋爐燃燒室必須排渣量的需要，更是形成固體鹽層的需要。在設計余熱鍋爐時，根據燃燒室底部需要的液態排渣量，可以計算出燃燒室壁面理論熔融鹽層的厚度[13]。鑒于熔融鹽層厚度對提高燃燒室液態排渣量和衛燃帶使用壽命的重要作用，應當盡可能地提高熔融鹽層的厚度，通常采用的方法是采用旋流燃燒和設計合理的折焰墻，這樣可以使燃料灰分的80%從爐膛底部排出，其中超過90%是從壁面熔融鹽層中流下來的[10，17]。

文獻[13]對堿爐中衛燃帶相關問題進行了定量計算和分析，認為出現衛燃帶短期腐蝕脫落主要是設計原因。按熱傳導反向的設計理念重新設計并精心施工后[13，18]，解決了衛燃帶短期腐蝕脫落的問題，而且指出了這種鍋爐成功設計的關鍵路徑：①根據混合燃料的灰分確定爐膛底部可能的液態排渣量，進而計算出爐膛壁面熔融鹽層的可能厚度。②根據壁面熔融鹽層的可能厚度計算其高溫側的溫度，即燃燒室允許的向火壁面溫度。再根據燃燒室必須的出口溫度計算出燃燒室內必須的理論燃燒溫度。③根據求得的理論燃燒溫度進行混合燃料中廢液、補充燃料的配比設計。

4.3 鍋爐尾部受熱面積灰問題

環己酮廢液焚燒爐屬于典型的堿爐，廢液焚燒后的煙氣中含有的熔融Na2CO3約58.183 g/m3，對衛燃帶的侵蝕和滲透是非常嚴重的，因此必須對衛燃帶的設計和施工質量給予高度重視。此外，燃燒室、冷卻室的結構必須保證煙氣中80%的熔融Na2CO3能夠被捕捉并在其底部及時排出爐外，否則熔融Na2CO3會隨煙氣進入下游煙道冷卻成固體Na2CO3大量沉積在受熱面上，磨損金屬受熱面甚至堵塞煙氣流道。

由圖1可以知道，緊鄰鍋爐冷卻室的是輻射屏、對流屏、高溫膜式省煤器，已充分考慮了減少積灰的問題。之所以出現鍋爐尾部受熱面積灰的情況，主要是因為設計、施工或運行的原因，使衛燃帶應有的功能沒有達到，衛燃帶自身嚴重損壞、脫落，而且燃燒室的溫度不能保證應有的出口溫度，致使煙氣中的大量熔融Na2CO3提前凝結成固體微顆粒，并隨煙氣進入了下游煙道。要解決此問題，就要確保液態排渣量的設計要求，實現燃燒室和冷卻室的預定設計功能。

4.4 燃燒室底部液態排渣不暢問題

根據現場考察及運行記錄數據，認為因為設計、施工或者運行的原因，衛燃帶的應有功能沒有達到，燃燒室的溫度不能保證應有的出口溫度，致使燃燒室底部液態排渣量過少。燃燒室底部液態排渣不暢，主要是因為液態排渣溜槽無密封和未絕熱所導致。一般出于運行經濟性考慮，向外流出的液態Na2CO3過熱度很小，很容易被外界冷空氣冷卻結塊。而燃燒室具有一定的負壓，外界冷空氣從排渣口被吸入的逆流工況提高了外流液態Na2CO3的冷凝結塊速度。

實踐證明[13]，采用厚度為0.03 m、導熱系數為4.7 W/(m·℃)的碳化硅耐火澆鑄料并嚴格按相關工藝要求構筑的衛燃帶，能夠保證鍋爐的正常運行。采用如圖3所示的封閉式保溫溜槽，能夠保證液態Na2CO3順利流入碎渣水池。采用圖4所示的無漏風Na2CO3液渣排出、碎渣、輸出外排系統，則是更科學的選擇。

圖3 具有耐火保溫襯里的封閉式溜槽

5 結語

新型單汽包倒N型液態排渣雙室爐環己酮廢液焚燒余熱鍋爐具有結構緊湊、焚燒充分、余熱回收高效等特點，而且容易實現大型化。介紹了環己酮廢液焚燒余熱鍋爐設計的關鍵路徑，衛燃帶對鍋爐安全、穩定、高效運行作用重大，應保證衛燃帶設計有據、施工質量嚴格以及運行狀態良好。只要鍋爐的定量結構設計原則性數據正確，保證鍋爐按設計參數運行，倒N型結構雙室爐液態排渣環己酮廢液焚燒余熱鍋爐就能夠達到用戶的使用要求。此鍋爐的成功設計和運行，對其它類型液態排渣爐具有一定的參考意義。

1.具有水封功能的碎渣水池 2.液渣下落豎井 3.具有耐火保溫襯里的封閉式液渣溜槽 4.燃燒室底部耐火襯里澆鑄料 5.液態渣出口 6.燃燒室水冷壁管 7.溜槽進出口壓差調節閥 8.汽水分離器 9.凝結水自動疏水器 10.撈渣機 11.風管 12.鍋爐鼓風機進風口圖4 無漏風液態Na2CO3外排系統

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StudyonDesignandOperationofCyclohexanoneWastewaterIncinerationWasteHeatBoiler

BUYin-kun
(Beijing Aerospace Propulsion Institute，Beijing Aerospace Petrochemical Technology and Equipment Engineering Corporation，Beijing 100076，China)

Cyclohexanone wastewater contains about 17% sodium hydroxide and other organic compound. Incinerating liquid slag and recovering waste heat thereafter is the conventional practice in chemical industry at home and abroad. Since the issue of the design or operation, there often appear t slag-tapping failures, such as unable and undesirable slag-tapping. The failures results in serious fouling on the heating surface of the boiler tail, serious wear and even the unit shut-down. High investment and operating costs, undesirable treatment effect and short service life have become urgent problems to be solved for the cyclohexanone wastewater incineration waste heat boiler. An analysis was carried out for the design, commissioning, and problems existing in sing drum inverted N type liquid slag-tapping double chamber furnace in operation, and a solution was put forward that only if the correct design according to principle data, and good management and construction quality of scientific design and construction quality refractory belts are carried out, good slag-tapping chute sealing and insulation and running following design parameter, the cyclohexanone waste incineration waste heat boiler would satisfy users and meet their requirements.

waste heat boiler； cyclohexanone； slag-tapping； wastewater incineration； design； operation

1000-7466(2017)06-0018-06

2017-05-30

卜銀坤(1944-)，江蘇灌南人，高級工程師，學士，一直從事鍋爐、壓力容器設計和研究，目前主要從事化工廢棄物、廢液、廢氣焚燒及余熱回收技術產品的研究和開發。

TQ054； TK229.92

B

10.3969/j.issn.1000-7466.2017.06.004

(張編)