低熱值廢水熱力氧化處理的工程實踐應用

曹楓，孟建強，龍潭，付銀成

（中國船舶重工集團公司第七一一研究所，上海201108）

近年來，伴隨著經濟社會的發展，環境問題日益突出，國家環保政策進一步嚴格。過去處理低濃度廢水的方法均不再適應現行要求，如生化處理法、活性污泥法、濕式氧化法等。在廢水處理方法中，熱力氧化焚燒是處理效率最高的方法之一，可以實現較徹底的廢物無害化處理，在行業內得到廣泛應用。

按照廢物中有機物含量的多少，可分為低熱值廢物與高熱值廢物。對于低熱值廢物，又可分為低熱值廢氣、低熱值廢水、低熱值廢固等。通常廢氣中有機物濃度在8 000 mg/Nm以下時歸類為低熱值廢氣，如果低熱值廢氣的氣量較大，采用熱力焚燒方式處理時，由于廢氣入爐后的降溫原因，會造成較大的能耗浪費；而采用蓄熱式熱力焚燒或者低溫催化氧化焚燒處理時，廢氣入爐溫度接近于氧化溫度，不需要吸收太多的熱量，即可達到氧化溫度，節省能耗；如果低熱值廢氣的氣量較小，通入焚燒其他廢物的熱力焚燒爐焚燒處理時對爐膛溫度以及整體熱負荷影響較小，不需要補充大量的燃料氣來維持焚燒溫度，不會造成較大的能源浪費，可以采用熱力焚燒方式進行處理；低熱值廢水無法通過蓄熱式熱力焚燒或者低溫催化氧化焚燒處理，采用熱力焚燒處理的過程中，因水蒸發時吸收汽化潛熱，導致噴水后爐膛降溫明顯，需要補充燃料氣，以維持爐內穩定均勻的溫度場，保證廢水中的有毒有害物質在高溫環境中完全分解燃燒，最終達標排放，低熱值廢水通常利用壓縮空氣霧化進入爐膛焚燒。對于高熱值廢物，同樣可分為高熱值廢氣、高熱值廢液、高熱值廢固。

1 工程應用案例

本文通過工程案例，介紹采用熱力焚燒處理低熱值廢水過程中的理論設計與實際運行結果，并加以分析。

某化工廠廢氣廢水焚燒爐，待處理廢水量5 000 kg/h，常溫，壓力0.2 MPa；廢氣量800 Nm/h，熱值低，氣量相對較少，入爐對焚燒爐整體負荷不會造成太大影響。爐膛操作溫度1 100℃，微負壓運行，焚燒爐采用平衡通風方式供風排煙。廢水組分見表1。

表1 廢水組分

廢水和廢氣組分與流量因裝置負荷的變化波動，如果直接送入焚燒爐內會導致運行不穩定。因此，焚燒界區內配置一臺200 m的廢水儲罐，用屏蔽泵增壓輸送廢水至廢水噴槍，焚燒爐可根據廢水的儲量調節焚燒量。廢水通過壓縮空氣霧化成粒徑約100 μm的液滴進入爐膛，廢水粘度小，霧化噴頭采用內混式結構，霧化角度55°，液體的燃燒速度反比于液體霧化粒徑的二次方，霧化后粒徑越小，燃燒效果越好。廢水入爐后經過蒸發、汽化、氧化等過程，保證一定停留時間，最終生成由二氧化碳、水蒸氣等組成的高溫煙氣，經余熱回收后通過煙囪排放。廢水焚燒過程中需要吸收大量的熱量，在尾部受熱面中布置空氣預熱器，以減少焚燒需要的空氣入爐后的降溫作用，達到節約燃料的目的，焚燒爐運行過程中補燃的燃料可利用廠內低品位馳放氣。該廢水有機物中含氮，焚燒后會形成燃料型氮氧化物，通過設計合理的燃燒器與焚燒爐結構等低NO燃燒技術，在焚燒爐爐膛尾部設置SNCR脫硝區間，在余熱鍋爐中間煙道設置SCR脫硝區間，三種方法保證氮氧化物達標排放。為了保證SCR脫硝溫度，余熱鍋爐設計煙氣內旁通結構用于調節SCR反應器前煙氣溫度。

焚燒爐結構見圖1，焚燒爐采用立式頂燒結構，可以保證霧化的廢水進入爐膛后與上游高溫煙氣充分混合，有足夠的停留時間，并且不會出現水平爐膛側燒結構中的因為重力沉降而形成液滴貼壁的現象，以及立式底燒結構中的干燥和氧化沒有明顯分界而導致焚燒不完全的現象。爐膛同一層周向布置8 支廢水噴槍，每支廢水噴槍運行流量625 kg/h，設計流量700 kg/h，廢水噴槍向下傾斜一定角度，避免由于爐膛直徑小于霧化距離而將廢水噴到對面的爐壁，影響襯里使用壽命。廢水霧化噴入位置與燒嘴出口距離L約為3 000～3 500 mm，根據燃燒器的燒嘴結構該距離會略有差異，需要保證廢水進入爐膛后不影響主火焰的穩定性，并且使得噴入位置在高溫煙氣區域內，入爐后可以及時蒸發、汽化、焚燒。廢氣熱值較低，并且氣量較少，與廢水噴槍布置在同一高度，入爐后不會影響廢水焚燒的溫度場與動力場，所有廢氣、廢水噴槍均使用套管結構配風冷卻，防止噴槍在高溫環境中燒壞。在焚燒爐轉彎后的水平段設置氨水噴槍用于脫硝，氨水利用壓縮空氣霧化，氨水噴槍結構與廢水噴槍類似，氨水噴槍插入爐膛的位置要與后端余熱鍋爐保持足夠的距離，一方面保證SNCR脫硝停留時間，另一方面防止未完全汽化的氨水液滴腐蝕鍋爐受熱面。在水平爐膛上靠近氨水噴槍的上游布置一支熱電偶用于監控SNCR脫硝段爐膛溫度。

圖1 焚燒爐結構圖

在爐膛結構設計進行熱平衡計算時，通過分析廢水中有害物質組分，控制焚燒廢水后的煙氣溫度為1 100℃，即可達到99.99%以上的處理效率，同時應保證噴入廢水前的爐膛溫度不能太高，以免襯里選型困難。當焚燒廢水量較大，僅設置一級廢水噴槍時，為了保證焚燒廢水后煙氣溫度達到1 100℃，會造成噴入廢水前的爐膛溫度太高，因此需要考慮廢水分級噴入，在兩級廢水中間進行補燃。一級廢水噴入后，爐膛溫度降溫至900℃左右，補燃后的爐膛溫度控制在1 250℃～1 300℃，在控制成本的同時可實現較好的焚燒效果。對于廢水量較大的情況，可以增加預處理措施，如汽提、冷卻結晶等，以提高廢水有機物濃度，提高廢水的熱值，減小爐膛尺寸，降低能耗。通過熱力計算，該焚燒爐焚燒的廢水量不需要分級焚燒，只設置一層噴槍時，廢水噴入前的爐膛溫度不會超過1 300℃，不會影響襯里選型。廢水噴入后需要經過一定時間才能混合焚燒完全，因此爐膛測溫點不宜太靠近廢水噴槍，因為太近會導致測溫假高，后段爐膛溫度偏低，不能完全焚燒；由于焚燒爐外壁的散熱，測溫點也不能距離廢水噴槍太遠，太遠會導致測溫假低，前段爐膛溫度偏高，增大能耗。通常參與控制的測溫點布置在距離最后一級廢水噴槍后煙氣停留時間為0.75～1 s的位置。

2 數值模擬分析

設計過程中，結合數值模擬分析焚燒爐結構的合理性，進一步確保設計結構的實用性。焚燒爐豎直截面溫度場見圖2，結果顯示，噴入廢水的位置在高溫火焰區域尾部，廢水噴入高溫環境中可以很快地蒸發汽化，經過一定的停留時間后溫度場很快趨于均勻，平均焚燒溫度1 000℃。焚燒爐燃燒器下0.4 m 處截面溫度場見圖3，溫度場分布均勻，表明燃燒器結構設計合理，可以滿足為焚燒爐提供穩定均勻溫度場的需要，并且在燃燒器出口沒有出現大面積連續高溫區域，可以有效降低熱力型氮氧化物的生成。廢水噴槍處截面溫度場見圖4，噴入廢水處溫度較低，爐膛中心溫度較高，風箱配風口側的溫度相較其他幾個噴槍偏低，整體相對均勻。

3 運行數據分析

廢水中水含量超過95%，運行過程中廢水組分變化不大，并且焚燒量相對穩定，焚燒爐實際運行時不需要太多人為干預，穩定性較好，各項運行參數與設計時的理論計算結果以及數值模擬計算結果偏差不大。煙氣經脫硝后，按照GB 31571-2015《石油化學工業污染物排放標準》折算出的NO含量≤20 mg/Nm，滿足環保要求，達到超低排放。廢水中不含顆粒物，不含鹽分，焚燒后不會產生煙塵，因此在余熱鍋爐受熱面中未出現嚴重的積灰現象，煙塵排放滿足環保要求。存在的問題是，爐膛截面積偏小，局部爐膛容積熱負荷較高，布置一層噴槍在理論計算時可以滿足需求，但是實際運行時略顯負荷不足，需要8 根噴槍全部投用才能達到設計量，沒有留有運行裕量，如果其中某一支廢水噴槍出現故障，會影響到焚燒爐的最大處理能力。因此，在焚燒爐設計時，設計工況中需考慮適當的設計余量。

圖2 焚燒爐豎直截面溫度場

圖3 燃燒器下0.4米處截面溫度場

圖4 廢水噴槍處截面溫度場

4 結論

（1）大風量低熱值廢氣適用于蓄熱式熱力焚燒或者催化氧化焚燒處理，小風量低熱值廢氣在不影響焚燒爐溫度場的前提下可以通入既有的熱力焚燒爐中處理。

（2）低熱值廢水適用于熱力焚燒爐處理，廢水量較大時需要考慮分級布置廢水噴槍，提高焚燒爐初期投資的經濟性，并且可以通過汽提、冷卻結晶等手段提高廢水的濃度。焚燒廢水時需要考慮在尾部受熱面布置空氣預熱器，以盡可能地節約燃料消耗。

（3）實際工程實施時，要在理論計算的基礎上留有足夠的余量，避免出現因一些未考慮的因素導致負荷達不到要求。