窯尾廢氣處理焚燒爐的設計和應用*

雷晏國 賈 軍 王煙芝 王 林 董 輝

(咸陽陶瓷研究設計院有限公司 陜西 咸陽 712000)

隨著工業(yè)的迅猛發(fā)展，各種廢氣、廢渣、廢液增多。生態(tài)環(huán)境破壞日益惡劣，環(huán)保問題逐步提上日程。窯爐設備在工業(yè)生產(chǎn)過程中，因產(chǎn)量大，能耗高，排出的廢氣也很大，如不進行集中尾氣收集并處理，會對周圍環(huán)境產(chǎn)生污染。窯爐在生產(chǎn)不同產(chǎn)品過程中會排出各種不同種類的有害氣體，如石墨負極材料燒制過程、超容碳的活化和碳化，排出的廢氣有焦油氣、氨氣、鉀蒸汽等，有些產(chǎn)品還可能排出硫化物、有機物等。這些廢氣如不加以處理直接排放到大氣中，既污染了環(huán)境，又對人體造成了傷害。根據(jù)多年的生產(chǎn)實踐，采取尾氣集中收集后在焚燒爐內(nèi)燃燒，燃燒后再經(jīng)過噴淋或者活性炭吸附等方式處理后排放到空氣中的方式，這種方式經(jīng)過驗證達到了尾氣排放標準。下面僅以焚燒爐的設計進行探討。

1 燃氣焚燒爐的原理

焚燒爐加熱方式為燃氣加熱方式，爐膛尾氣排出后，經(jīng)過收集管路，通過引風機引入到一定溫度的焚燒爐膛內(nèi)。

進入爐膛的尾氣、充足的空氣、燃氣燒嘴噴出的火焰三者形成一個渦流，使得尾氣在高溫狀態(tài)充分燃燒，廢氣燃燒后的產(chǎn)物主要為CO2、H2O、SO2等，前2種可直接排入空氣中，后2種則需要噴淋和活性炭吸附等其他手段加以處理。

爐體燃燒根據(jù)3T(溫度、時間、渦流)原則設計，確保廢氣在爐膛內(nèi)充分地氧化、分解、燃燒，使有機物去除率達到99%以上。

停留時間的合理性是確保廢氣完全燃燒的前提，工況時燃燒室溫度650 ℃以上，煙氣停留時間≥2 s，溫度越高，停留時間越短。溫度范圍可根據(jù)不同尾氣調(diào)整，調(diào)整區(qū)間為650～1 000 ℃。渦流旋轉(zhuǎn)使得廢氣、燃料氣和空氣充分混合，混合程度好、湍流度高，則燃燒效率就高。

2 焚燒爐的設計

焚燒爐主要由管道、爐體、引風系統(tǒng)、電控系統(tǒng)組成，如圖1所示。

圖1 焚燒爐結(jié)構(gòu)示意圖

2.1 管道設計

從窯爐上各個排氣口上排出的尾氣通過管路收集在一根主管上，最后連接在焚燒爐尾氣進口上。管道材質(zhì)為304材質(zhì)。根據(jù)尾氣成分的不同，管道需要做保溫或者給管道增加加熱裝置，有利于尾氣的順暢流動，防止凝結(jié)在管道中堵塞管道。

管道管徑大小可根據(jù)尾氣排放總量和流速來確定，具體如下：

其中，V為氣體在標準狀態(tài)下的體積流量(Nm3/h)；d為管道內(nèi)徑(mm)；ω為管內(nèi)氣體在標準狀態(tài)下的流速(m/s)，一般取2～3 m/s。

2.2 爐體設計

技術(shù)要求：溫度≤1 000 ℃，控溫精度±5 ℃，溫度可調(diào)，功率可調(diào)。

爐體由外殼、保溫層、燒嘴系統(tǒng)組成。具體如圖2所示。

圖2 爐體結(jié)構(gòu)示意圖

2.2.1 爐膛尺寸的計算確定

焚燒爐爐膛設計成臥式、圓筒結(jié)構(gòu)，這樣廢氣在爐膛內(nèi)死角最少，最有利于燃燒完全。

焚燒爐爐膛尺寸主要是由燃燒室允許的容積熱強度和廢氣焚燒時在高溫爐膛內(nèi)所需的停留時間2個因素決定的。通常的做法是按爐膛允許熱強度來決定爐膛尺寸，然后按廢氣焚燒所必需的停留時間加以校核。具體如下：

其中，qv為爐膛容積熱強度(W/m3)；B為每小時燃料量(kg/h)；Qydw為每公斤燃料的最低發(fā)熱量(kJ/kg)；V1為爐膛容積(m3)。

停留時間計算如下：

其中，t為尾氣停留時間(s)；V1為焚燒爐爐膛總體積(m3)；V為爐膛內(nèi)對應溫度煙氣的體積(m3)。

假設尾氣為理想氣體，并假設爐膛內(nèi)壓力無變化，根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程可得：

其中，V為爐膛內(nèi)對應溫度煙氣的體積(m3)；V'為標準狀況下，溫度為23 ℃時廢氣的體積(m3)；T為焚燒時爐膛內(nèi)實際溫度(℃)。

2.2.2 外殼及保溫層

外殼采用板材卷繞焊接而成，外殼上設計有燒嘴孔、觀察孔、防爆口、熱電偶口、壓力檢測口、維修孔等。

保溫層的選用根據(jù)爐膛溫度高低選擇承受焚燒溫度的耐火材料，同時也要考慮廢氣對耐火材料的腐蝕性，根據(jù)廢氣種類，選擇耐酸、耐堿的材料。在焚燒的過程中，不可避免會有腐蝕和損壞的情況，設計時可考慮維修窗等。

2.2.3 燃燒系統(tǒng)

燃燒系統(tǒng)主要由安裝在外殼上的燃氣燒嘴來實現(xiàn)給爐膛加熱。燃控系統(tǒng)帶有自動點火、火焰檢測等全自動系統(tǒng)。具有安全可靠的燃氣泄漏檢測和處理系統(tǒng)，一旦發(fā)生燃氣泄漏或燒嘴熄滅，雙電磁閥將切斷燃氣管路。助燃空氣由一臺變頻風機提供，在助燃風管路上安裝有一個電動調(diào)節(jié)閥來調(diào)節(jié)進風量的大小。

2.2.4 引風管路

引風管路上裝有配風閥、煙氣閘閥。配風閥數(shù)量多少根據(jù)系統(tǒng)管路上溫度確定，配風閥實現(xiàn)了自動控制，根據(jù)管路溫度自動調(diào)整開度大小。煙氣閘閥的開度可增加煙氣在爐膛內(nèi)的停留時間。根據(jù)燃燒后排出氣體的不同，在引風管路上可增加不同的處理設備，如噴淋塔、活性炭吸附塔等。

3 電控系統(tǒng)

整個系統(tǒng)集成在一個觸控屏上來體現(xiàn)，能實現(xiàn)燒嘴的自動點火，燃氣泄漏報警并自動關(guān)閉氣源等，溫度可根據(jù)廢氣種類設置不同的溫度，溫度設置好后將穩(wěn)定在這一溫度范圍，溫度均勻性可達到±5℃。爐膛內(nèi)進風量的多少通過氧含量測試器來精確控制電動調(diào)節(jié)閥的開度。爐膛壓力通過壓力傳感器來控制爐尾風機電機頻率，使得爐膛壓力始終保持在微負壓狀態(tài)運行。

4 應用情況

焚燒爐制作完成后，應用于張家港某企業(yè)的超容碳生產(chǎn)上，從客戶現(xiàn)場反應情況看，如果停止焚燒后，尾氣排出后車間內(nèi)有很大的異味，環(huán)境污染很明顯；焚燒時車間內(nèi)沒有任何異味，達到了環(huán)保要求。在四川某企業(yè)電池負極燒成過程中，關(guān)閉焚燒爐時尾氣彌漫在車間內(nèi)，使用后車間無異味，達到環(huán)保要求。

5 結(jié)語

廢氣焚燒效率可達到99%，在高濃度廢氣處理中是其他處理設備所不具備的。有機廢氣在焚燒爐內(nèi)燃燒后的氣體主要是CO2和H2O，可直接排放到空氣中，這是活性炭吸附、噴淋塔等設備所不具備的。該技術(shù)可實現(xiàn)二噁英的零排放；該設備具有排煙量少、灰渣無污染、效率高、性價比高等特點；該設備具有一定的應用前景和推廣價值。