焦化廢水特性與利用鍋爐無害化處理的工藝研究

范洪武，姚書恒，陳 剛，杜 巍

(1.上海電力股份有限公司羅涇燃機發電廠，上海 200949；2.上海上電電力工程有限公司，上海 202150；3.上海電力閔行燃氣發電有限公司，上海 200245)

0 引 言

新疆地區幅員遼闊，煤炭資源儲量豐富，以新疆哈密地區為例，全區煤炭預測儲量為5 708億t，占全國預測儲量的12.5%，占全疆預測儲量的31.7%，在全疆煤炭資源開發中具有居中輕重的地位。哈密地區煤炭資源品種多、易開采，具有“三低一高”的資源賦存條件(低硫、低灰、低瓦斯，高發熱量)，適合建設億噸級煤炭生產和深加工基地。依托有利資源條件，目前哈密地區某煤化工園內產業呈聚集性、規模化，產業鏈涵蓋煤炭開采、焦化、深加工及發電[1]。

產業鏈的擴展帶來了巨大的經濟效益，由此也衍生出了一系列的問題，如資源合理利用問題、平衡環保與發展等。煤炭與水資源是支撐煤化工產業發展最重要的兩大資源，哈密作為水資源及其匱乏的地區，如何有效節水、廢水深度回用、遏制煤化工水污染等將是未來發展中亟待攻克的重要課題。

在煤化工各個產業鏈內都會產生廢水，其中占比最大的便是焦化廢水。焦化廢水是煤炭在焦化工藝中所產生的的廢水統稱，焦化廢水中不僅含有濃度極高的有機物如酚類、油、氨氮等，也含有大量的吡啶、吲哚、聯苯等芳香族物質[2]。其水質波動大、水量多、COD高、生物毒性大，屬于典型的高毒性、高濃度、極難降解型工業有機廢水。一般而言，大量的廢水最終都會匯集到產業鏈最下游企業。

本文以哈密某煤化工產業園內某電站為例(以下簡稱某電站)，發電企業作為下游企業，承擔著大量的廢水處理的壓力。為了應對日益提升的環保要求，該電站積極開展焦化廢水無害化處理工藝的研究，并總結了大量實踐經驗，對進一步推動煤化工產業園發展有著極其重要的現實意義。

1 焦化廢水的特點及常見處理工藝

1.1 焦化廢水的來源

煤化工產業鏈里，煤經過焦化、煤氣化、液化、焦油化工等化學過程，將煤炭轉化為氣態、液態、固態燃料及其他化工產品。各個工藝中都會消耗大量的水，也由此產生大量焦化廢水。焦化廢水主要有以下幾個來源：(1)煤洗滌階段。(2)煤干餾時期。(3)蘭炭熄焦階段。(4)荒煤氣回收與凈化階段。(5)化學產品回收階段。

1.2 焦化廢水的特點

概括起來，焦化廢水具有以下幾大特征：(1)污染濃度高。(2)可生化性差，降解難度大。(3)有毒有害物質成分高，生物毒性強。(4)成分復雜，水質波動大。

1.3 焦化廢水的常見處理工藝

常見的焦化廢水處理主要有生物處理法、物理處理法、化學處理法三種大類。

生物處理法主要是利用微生物的氧化、分解、吸附等作用來處理焦化廢水中的一系列有機物與部分無機物。具體的工藝路線有活性淤泥降解法、生物脫氮技術、固化生物處理技術、生物流化床技術等。具有有機物去除徹底、水質改善顯著等特點，但工藝復雜、投資成本高。

物理處理法主要是指物理化學法，通過吸附、混凝等物化方式來處理廢水中的有機污染物和固態污染物。具體的工藝路線有混凝法、吸附法、煙道氣蒸發法、和萃取法。雖然成本低、工藝簡單，但水質改善不明顯。

化學處理法主要有臭氧法、Fenton試劑法、光催化氧化法、濕式催化氧化法、超臨界水氧化法、等離子體處理技術、電化學氧化技術及焚燒法等。種類繁多，路線比較不統一。

2 鍋爐焚燒法工藝研究

2.1 焚燒法原理及特點

眾多的焦化廢水工藝中，焚燒法是一種最為古老的方法。主要工藝方式為，將廢水霧化后，進入氣化爐或鍋爐中進行焚燒，使酚類有機物在800 ℃以上的高溫下， 發生氧化反應，最終生成CO2、H2O和無機廢渣排放。此法工藝簡單，操作方便，但能耗較大，每焚燒1噸焦化廢水其成本約在1 200～1 500元左右(按標煤燃料成本換算)。利用焚燒法處理焦化廢水效率高，二次污染少。但對用以焚燒的鍋爐要求較高，因一旦操作不慎，爐溫下降，往往會造成燃燒不完全，反而更易形成NOX等二次污染。

2.2 鍋爐焚燒法的經濟性

鍋爐焚燒法作為一種成熟的焦化廢水處理技術，由于燃料成本的限制，因此未大規模的推廣。煤化工產業中會產生大量的荒煤氣，荒煤氣具有熱值適中、燃燒穩定等特點。作為工藝廢氣，如不處理回收，只能在放散塔燃燒放散。在經濟性上，以荒煤氣為原料的燃氣爐燃料成本低廉，可大規模應用焚燒法來處理焦化廢水。

3 鍋爐焚燒法的工程實踐

3.1 鍋爐焚燒法的具體實施方案

某電站以廠內啟動鍋爐為基礎，通過小型改造和系列試驗，驗證利用鍋爐焚燒法處理焦化廢水的可行性。該啟動爐為江蘇太湖鍋爐股份有限公司生產的SZS35-1.35/300-Q型鍋爐，額定出力35 t/h、鍋爐蒸汽額定出口溫度300 ℃、額定過熱蒸汽壓力1.35 MPa、額定給水溫度20 ℃、鍋爐排污率3%、鍋爐效率91%、鍋爐排煙溫度151.5 ℃、鍋爐爐膛總容積178.16 m3，鍋爐計算燃料消耗量16 262.6 Nm3/h。該鍋爐配備有兩個旋流式燃燒器，分為上、下兩層布置，每個燃燒器中心配備有一根點火油槍，點火油槍采用空氣霧化。

為了能進行摻燒試驗，技術人員決定，將上層燃燒器的點火油槍改造成焦化廢水噴射槍，并采用空氣霧化的方式對摻入爐膛的廢水進行霧化，在管路設置10 m3再循環水箱、再循環閥、流量2 m3揚程160 m的輸送泵、流量計及壓力表。改造后系統管路如圖1所示。

圖1 啟動鍋爐摻燒焦化廢水管路圖

3.2 鍋爐焚燒法對鍋爐效率的影響

改造完成后，為了驗證焦化廢水在噴嘴中的最佳霧化效果，技術人員執行了焦化廢水噴射的冷態試驗，用于模擬在熱態工況下的試驗參數。經試驗后發現，在霧化空氣壓力穩定在0.6 MPa、通過調節廢水再循環，焦化廢水噴射壓力在大于0.4 MPa的工況下，霧化效果較好。同時隨著廢水噴射壓力的不斷增大(最大值為1.2 MPa)，霧化效果將得到進一步的改善。

由鍋爐最大燃料消耗量Bmax=16 262 Nm3/h、燃料熱值Qpp=7 033 kJ/Nm3、爐膛容積Vm=61.3 m3、容積熱負荷Qv=494 187 W/m3計算可得最大燃燒熱量∑Qmax和最大理論熱量∑Qm：

∑Qmax=Bmax×Qpp÷3600

(1)

∑Qmax=31,620,555 W

∑Qm=Vm×Qv

(2)

∑Qm=30,293,663 W

焦化廢水輸送泵最大輸送流量Qw=1.5 T/h、爐膛內出口溫度為1 120 ℃、廢水初溫為20 ℃、出口煙溫151.5 ℃、廢水比熱容C=4.2*103J/kg·℃計算可得焦化廢水吸熱量∑Qw：

∑QW=QW×130×C

(1)

∑QW=227,500 W

(2)

經計算，∑Qw/∑Qmax≈0.007 2，焚燒后折算鍋爐效率為90.4%，可知使用鍋爐焚燒法處理焦化廢水，會使鍋爐效率小幅下降，隨著鍋爐容積熱負荷的上升，效率下降越少。

經熱態試驗后發現，當焦化廢水摻燒量達到一定比例后，會使爐膛溫度降低，火焰強度明顯減弱。但隨著鍋爐的負荷進一步提升，廢水摻燒對鍋爐的影響進一步減弱。其主要表現為爐膛溫度、火焰強度區域穩定。在鍋爐50%負荷時，摻燒焦化廢水使爐膛溫度下降大約50 ℃，而當鍋爐升到61%、75%負荷時，爐膛溫度分別下降約20、14 ℃。

3.3 鍋爐焚燒法對排煙的影響

實際實驗中，在相同鍋爐負荷下，摻燒焦化廢水后，鍋爐排煙溫度明顯升高。而隨著摻燒廢水量的增加，煙氣量增加、排煙溫度也進一步升高。

在省煤器后煙道疏水處收集了煙氣冷凝液，分析了pH、電導率、氯離子、 濁度和CODcr。煙氣冷凝液存在鐵銹(鐵銹應來源于煙道內)，顏色偏黃色，氣味上無焦化廢水的強烈刺激性氣味，與焦化廢水原液形成鮮明對比，這說明經過高溫焚燒酚類有機物有明細的分解。另外，從水質分析結果來看，摻燒焦化廢水對煙氣冷凝液pH、電導率、氯離子、濁度這些指標的影響不明顯，對CODcr有一定的影響。數據詳見表1。

表1 煙氣冷凝液分析記錄

排放環保指標方面，煙氣中NOX值受燃料中氨氮的變化影響較大，另外SO2有些數值明顯偏小主要由于實際煙氣含濕量較高，對檢測結果影響較大。CO主要受配風的影響較大，啟動鍋爐配風調節手段靈活。數據詳見表2。

表2 煙氣排放檢測記錄

4 鍋爐焚燒法的綜合評價

(1)結合冷態試驗的情況及熱態試驗的數據，為保證霧化效果，廢水槍噴射壓力最好大于0.6 MPa。對應噴射壓力0.6～1.0 MPa，入爐廢水量大約為0.82～1.32 t/h。對應啟動鍋爐蒸發量為18～26 t/h。從模化放大的比例來看，265 t/h的燃氣鍋爐摻燒10 t/h廢水是有可能的。另外，從熱態試驗的情況來看，摻燒一定量廢水，鍋爐負荷較高，鍋爐運行受到的影響越小。

(2)焦化廢水焚燒效果的主要影響因素是：焚燒溫度、以及在高溫區的停留時間。啟動鍋爐由于爐膛溫度相對還不夠高，另外爐膛也較小，不一定能完全燃燒分解酚類物質，但是從啟動鍋爐省煤器煙道收集的冷凝液氣味上無焦化廢水的強烈刺激性氣味，說明焦化廢水通過爐膛焚燒后有明顯的分解。另外，從實驗室分析結果來看，摻燒焦化廢水對煙氣冷凝液pH、電導率、氯離子、濁度這些指標的影響不明顯，對CODcr影響較為明顯。

(3)根據煙氣排放檢測結果，NOX變化趨勢受爐膛溫度影響。當噴水焚燒后爐溫降低，NOX濃度有降低趨勢，即存在正相關性，當然也受到燃料中氨氮(即燃料氮)的影響。煙氣 SO2數據與鍋爐燃燒無相關性，主要受燃料硫份的影響，通過物料平衡可以進行測算。另外焦化廢水殘留灰分測試(在815 ℃經過1小時高溫焚燒)結果為0.022%，表明焚燒后殘留灰分不足于影響煙氣粉塵排放。

5 結束語

焦化廢水由于有組分復雜、毒性大等特點，在選用傳統的處理工藝時不僅面臨治理不徹底、二次污染大等問題，且成本投入較高。因此需要我們根據煤化工產業鏈的特性，充分利用產業鏈優勢，選擇因地制宜的方法。某電站作為哈密某化工園下游企業，以煤化工荒煤氣作為原料，用于燃氣鍋爐燃燒發電。電站鍋爐具有熱容量大、燃燒溫度高、效率高等特點。技術參數上能滿足焦化廢水焚燒熱解的所有條件。同時電站鍋爐均配套設置了尾部煙氣凈化裝置，能有效脫去煙氣中NOX、SOX等，可有效避免焦化廢水在焚燒中產生的二次污染。某電站以鍋爐無害化焚燒的方式來處理焦化廢水，無論是在先期的技術論證、還是后期的工程實踐中均取得了良好的效果。綜上所述，以鍋爐焚燒法處理焦化廢水不僅具有技術優勢、效率優勢，也具有成本優勢及工藝推廣價值。