BDO 有機廢液焚燒裝置設計與工業應用

周婷婷

（南京博納能源環保科技有限公司 江蘇南京 210044）

0 引言

1，4-丁二醇（BDO）是1 種十分重要的基礎有機化工原料，應用廣泛［1］。BDO 生產工藝種類較多，但都面臨著生產過程產生的高濃度廢水處理問題。BDO 廢水是pH、COD 波動大，難降解、毒性大的物質，處理難度很高［2］。本文介紹的BDO 有機廢液焚燒裝置用于處理電石制乙炔法生產BDO 的副產物廢液。處理該類廢液在國內市場上有多種方案：對于含熔融鹽的煙氣，有直接通入水中產生鹽溶液；有使用絕熱爐膛，以犧牲耐火磚來實現廢液焚燒分解。這些方案會產生二次污染的鹽溶液，或者是后續的煙氣余熱吸收環節遭到堵塞，運行周期變短［3］。針對以上問題，非絕熱爐膛有一定的優越性：可以加長冷卻爐膛的長度，在煙氣進入對流換熱面之前，將煙氣中的煙冷卻成固態；在爐膛高溫區域，采用特殊結構的澆筑料使煙氣中熔融鹽能附著爐膛壁面形成保護層。

1 工程概況

本項目是某公司新建BDO 項目，采用電石制乙炔法生產BDO 產品，該生產方法產生的副產物為有機混合廢液，物性參數見表1。

表1 廢液物性參數表

為順利投產，項目必須配套環保處理廢液設備，要求提供成套焚燒設備，回收廢液的熱量自產蒸汽并入廠內中壓蒸汽管網，同時避免二次污染，按照《鍋爐大氣污染物排放標準》（GB/T 13271—2001）實行排放，處理裝置排放尾氣氮氧化物≤50 mg/Nm3，煙塵排放濃度＜10 mg/Nm3。

該廢液含鹽量高，1.6 t/h 廢液的焚燒產物中含83.68 kg/h的Na2CO3。該鹽熔點低，約850 ℃，在爐膛中呈液態，進入余熱回收系統降溫后形成積灰極易堵塞設備。在該鹽呈熔融狀態時，會分解產生Na2O，存在大量的游離Na 離子，腐蝕金屬和澆注料［4］。即使選擇高含量Al2O3和低孔隙率的耐火材料，也會在一段時間之后粉化失效。裝置的設計必須考慮安全長效焚燒運行和余熱回收、避免換熱器的堵塞問題、有可靠的排灰裝置以及低氮排放措施等。

2 廢液焚燒裝置系統配置

2.1 裝置結構

廢液焚燒裝置主要包括三大部分：第一部分是廢液燃燒后的煙氣流程系統，主要包含燃燒室、冷卻室、煙氣冷卻換熱段、除塵器、煙囪等；第二部分是余熱回收的汽水流程系統，包含水冷壁、汽包、過熱器、蒸發器、省煤器等［5］；第三部分是排灰系統，包含煙氣流程各段的排灰點配置的各個輸灰機及灰庫等。裝置結構如圖1。

圖1 裝置結構圖

2.2 裝置原理

廢液焚燒裝置系統運行原理為：廢液通過燃燒器進入焚燒爐燃燒，燃燒反應在一段燃燒室完成，煙氣在二段冷卻煙道冷卻。煙氣通過由水冷壁組成的一段燃燒室和二段冷卻煙道，再依次經過過熱器、蒸發器、空氣預熱器、省煤器，在各換熱器內換熱結束后進入除塵器，再經引風機送入煙囪排向大氣。

給水通過給水泵進入除氧器，除氧水經過省煤器后進入汽包，汽包下部的水進入蒸發器和水冷壁蒸發后變成飽和蒸汽進入汽包上部，汽包內的飽和蒸汽進入過熱器變成過熱蒸汽輸送給蒸汽用戶。余熱鍋爐系統將產生2.1 MPaG 的235 ℃的過熱蒸汽，將送入現場中壓蒸汽聯箱，產生的蒸汽可送至界區外供用戶使用。

廢液燃燒產生的部分腐蝕性液態鹽通過爐膛底部的出渣口進入水冷螺旋輸灰機，經過二段冷卻煙道的冷卻，液態鹽被冷卻為固態，部分落入爐膛底部，部分隨煙氣帶入后端受熱面，鹽的固態干灰在后端過熱器、蒸發器、空氣預熱器、省煤器沉積，通過安裝吹灰器定期吹灰，灰落入設備下端收集口進入螺旋輸送機送入灰倉；水冷螺旋輸灰機內的液態鹽被冷卻成固態塊狀，固態塊狀鹽進入破碎機破碎成粉狀后輸送進灰倉；煙氣排入大氣前進入除塵器進行除塵，除塵器脫除的灰通過螺旋輸送機進入灰倉。

采用低氮燃燒技術，如空氣分級、選擇低氮燃燒器等，同時配合選擇性非催化還原（SNCR）脫硝工藝，在一段燃燒室出口及二段冷卻煙道的入口（設計溫度為850 ℃～1050 ℃）處設置SNCR 噴氨點。

3 核心裝置設計及特點

3.1 焚燒爐爐體設計

該裝置選擇了倒“N”型爐膛，該焚燒爐分為三段：第一段為煙氣流程向下的爐膛，燃燒器倒置安裝在頂部，火焰向下噴燒，爐膛的尺寸滿足燃燒強度和燃燒停留時間；第二段為焚燒后煙氣的冷卻室，主要為了將煙氣溫度降低至焚燒產物鈉鹽的熔點之下；第三段為轉向室、過熱器、省煤器，主要用于煙氣的余熱回收。其中爐膛、冷卻室、轉向室為水冷膜式壁結構，燃燒器布置于爐膛頂部。

燃燒室和冷卻室的一部分覆蓋有耐火澆注料，設計溫度為1 650 ℃。為避免熔融的鈉鹽腐蝕燃燒室的水冷壁，在燃燒室設計了含Al2O3成分達到80%以上的剛玉澆注料。剛玉澆注料作為水冷壁的保護膜，厚度較薄，不做隔熱功能，并且澆注料的銷釘裸露，達到良好的傳熱效果。在燃燒過程中，熔融的鈉鹽在水冷壁相對較低的溫度（設計溫度222 ℃）時會凝結成有一定厚度鈉鹽鹽壁作為水冷壁的保護層，這樣完全避免了熔融鈉鹽對水冷壁金屬及澆注料的腐蝕，延長設備使用壽命和改善運行狀況。

為了在系統進料工況波動時保證熱平衡，天然氣作為系統的輔助燃料。為了降低天然氣消耗量，一次助燃空氣、二次助燃空氣經預熱器預熱，預熱溫度在300 ℃左右送至燃燒器。

3.2 燃燒器設計

燃燒器使用天然氣作為助燃伴燒燃料，在廢液設計流量時，天然氣伴燒量僅30 Nm3/h；在廢液停止供應時，維持鍋爐最低負荷，天然氣的最大消耗量為300 Nm3/h。

為降低氮氧化物的排放量，燃燒系統采用了分級配風，一次助燃空氣從燃燒器進入燃燒室，二次助燃空氣從燃燒室本體進入。

燃燒器采用群管式，降低每個火孔燃燒負荷，細股燃氣射流自吸空氣，加強預混效果，增加溫度分布均勻度，消除局部高溫區域；噴槍設置在火焰中心，高溫低氧氛圍有效地使廢液中的有機成分快速發生分解反應，有效抑制燃料型氮氧化物的生成。

為了達到更細的霧化顆粒，減少廢液顆粒燃燒分解的時間和降低廢液顆粒燃燒的火焰溫度，燃燒設備的設計配置了超聲波的廢液霧化噴槍。燃燒器設備采用雙層配風口，內層采用旋流裝置，外層采用直流配風，廢液噴槍布置在燃燒器中心。燃燒器采用分級配風，火焰區域產生還原性氣氛，抑制氮氧化物生成；燃燒器內層配風采用旋流式，加強燃料與空氣的預混，增加溫度分布均勻度，消除局部高溫區域；旋流配風產生的渦流狀混合氣體在焚燒爐中心部分形成低壓，使部分煙氣被抽回，降低燃燒中心的含氧量，有效抑制氮氧化物的生成。

3.3 除灰系統

一段燃燒室底部設凝渣管束和液態鹽排渣口，從一段燃燒室和二段冷卻煙道排出的液態鹽在水冷式螺旋輸灰機的熱交換器中冷卻成固態，并通過破碎機破碎成粉狀后輸送至灰庫。

為了降低煙氣中殘存的鹽在余熱鍋爐換熱面堆積從而引起的堵塞，第二段冷卻室出口的煙氣設計溫度為500 ℃，低于鈉鹽的融點（約850 ℃），煙氣中的鹽將呈固體析出成飛灰而不會結焦于管束上，并且過熱器采用板式過熱器易清理，可以由鍋爐內的清灰裝置清出系統。在各余熱回收的裝置如過熱器、蒸發器、空氣預熱器排出的固態鹽將在系統的第一螺旋輸灰機匯集。省煤器通過清灰裝置排出的固態鹽將在系統的第二螺旋輸灰機匯集。各螺旋輸灰機在末端設置了固態排渣口輸送至灰庫。

為避免鈉鹽粉塵污染對流受熱面，保證換熱效率，在過熱器區、蒸發器區、省煤器區、空氣預熱器區清灰裝置均設置為蒸汽吹灰器。吹灰蒸汽為鍋爐自用蒸汽，由過熱器出口聯箱接出。

用除塵器截獲煙氣中殘留的飛灰鹽并設置排灰點，最后輸送至灰庫。

4 結論

（1）傳統的廢液焚燒爐膛使用絕熱爐膛，設備結構簡單，操作控制相對簡單。但耐火磚使用壽命短，定期停爐更換，維護費用高，使用周期短［6］。BDO 有機廢液焚燒裝置采用非絕熱爐膛，采用水冷壁加薄層澆注料焚燒爐形式，利用澆注料表面低溫來形成鹽壁保護層，避免了傳統的絕熱爐膛耐火磚腐蝕，但存在需定期停機維護的問題，整套設備使用壽命長，運行穩定。

（2）廢液有機物含量高，火焰中心分解溫度高，采用低氮燃燒技術配合SNCR 技術，達到潔凈排放標準，高于國家規范要求。

（3）相比于市場上傳統的將爐膛中熔融的液態鹽放流入水中溶解成鹽液［2］，該裝置節省了鹽液蒸發濃縮的水處理設備，節省了投資和運營成本。該裝置使用水冷螺旋輸送機和破碎機聯合生產了固態粉末Na2CO3，可作為產品外銷。

（4）該裝置在最大廢液量工況下伴燒30 Nm3/h 天然氣，最高效率地回收余熱，裝置可以產生8 t/h 的中壓過熱蒸汽。

BDO 有機廢液焚燒裝置不僅為企業解決了生產過程中的環保排放問題，還為企業創造了循環經濟效益，有積極的社會效應。