廢液焚燒爐的研究進展

陳金思，施銀燕，胡獻國

（1.合肥徽銳工程科技有限公司，合肥 230009；2.合肥工業(yè)大學(xué)機械與汽車工程學(xué)院，合肥 230009）

廢液焚燒爐的研究進展

陳金思1、2，施銀燕2，胡獻國2

（1.合肥徽銳工程科技有限公司，合肥 230009；2.合肥工業(yè)大學(xué)機械與汽車工程學(xué)院，合肥 230009）

焚燒法是目前實現(xiàn)廢液減量化無害化和資源化的有效處理方法，焚燒爐的設(shè)計與選擇對于處理效果有著至關(guān)重要的影響。本文重點介紹了目前國內(nèi)外三種常見的廢液處理焚燒爐的特性及其發(fā)展趨勢，在此基礎(chǔ)上嘗試對目前使用的各種焚燒爐運行中的關(guān)鍵問題進行了探討。

廢液;焚燒爐;研究進展

隨著全球經(jīng)濟的發(fā)展和城市化進程的加快，工業(yè)廢水和生活污水排放量日益增加，污染十分嚴(yán)重。其中BOD＞100mg/L、COD＞2000mg/L的有機廢水通常被稱為高濃度有機廢液[1]。這些廢液通常具有可燃性、腐蝕性、急性毒性、浸出毒性、反應(yīng)性、傳染性、致癌、致畸、致突變等一種或幾種危害特性[2]。

常見的處理有機廢液的方法有溶劑萃取法[3]、膜分離法[4-5]、氧化法[6-8]、吸附法[1]和焚燒法[9]。其中溶劑萃取法、膜分離法、氧化法、吸附法都很難徹底消除有機廢液的危害，且容易造成二次污染。目前國外發(fā)達國家普遍采用焚燒法處理廢液，高濃度有機廢液的焚燒設(shè)備多種多樣，對于不同的工業(yè)廢液，可以采用不同的爐型。本文從廢液的焚燒流程入手，對常用的焚燒爐類型以及運行中的關(guān)鍵問題進行了綜述，并說明了未來的發(fā)展趨勢。

1 廢液焚燒的一般流程

按RCRA及美國國家環(huán)保局的規(guī)定[10]，所有送焚燒廠的廢液都必須經(jīng)過試燒、檢測和登記，對廢液的包裝、運輸、貯存都必須有統(tǒng)一標(biāo)記、標(biāo)簽和登記卡片，要有專用車輛和指定的運輸路線，其管理和焚燒流程見圖1。從圖1中可以看出，廢液的焚燒涉及到諸多環(huán)節(jié)，如果處理不好不但費時費力還達不到預(yù)期效果，因此，廢液焚燒爐的設(shè)計與選擇對于焚燒效果至關(guān)重要。

圖1 廢液管理和焚燒流程

2 幾種典型的廢液焚燒爐

廢液焚燒爐一般由廢液貯存和輸送系統(tǒng)、輔助燃料系統(tǒng)、供風(fēng)系統(tǒng)、廢液燃燒器、燃燒室、能量回收利用、系統(tǒng)煙氣處理系統(tǒng)和監(jiān)測控制系統(tǒng)等部分組成。根據(jù)爐體特征應(yīng)用最廣泛的廢液焚燒爐可分為液體噴射型焚燒爐、流動床和回轉(zhuǎn)窯三類。

2.1 液體噴射型焚燒爐

液體噴射焚燒爐用于處理可以用泵輸送的液體廢棄物，主要分為臥式和立式，圖2為典型的臥式液體噴射焚燒爐，圖3為典型的立式液體噴射焚燒爐。其結(jié)構(gòu)通常為內(nèi)襯耐火材料的圓筒（水平或垂直放置），配有一個或多個燃燒器。廢液通過噴嘴霧化為細(xì)小液滴，在高溫火焰區(qū)域內(nèi)以懸浮態(tài)燃燒?？梢圆捎眯骰蛑绷魅紵鳎员銖U液霧滴與助燃空氣良好混合，延長停留時間，使廢液在高溫區(qū)內(nèi)充分燃燒。廢液霧滴在燃燒室停留時間一般為0.3～2.0s，最高溫度可達1650℃。良好的霧化是達到有害物質(zhì)高破壞（燃燒）率的關(guān)鍵。常用的霧化技術(shù)有低壓空氣、蒸氣和機械霧化。一般高黏度廢液應(yīng)采用蒸氣霧化噴嘴，低黏度廢液可采用機械霧化或空氣霧化噴嘴。目前常用的噴嘴有轉(zhuǎn)杯式機械霧化噴嘴、加壓機械物化片式噴嘴、旋流式廢液噴嘴、碟形旋流式廢液噴嘴、蒸氣霧化噴嘴、空氣霧化噴嘴及組合噴嘴等[11]。

圖2 典型的臥式液體噴射焚燒爐

圖3 典型的立式液體噴射焚燒爐

液體噴射型焚燒爐的特點是技術(shù)成熟，對廢液預(yù)處理要求低，采取措施后，二次公害可有效控制，單位床面積效率不高。目前國外采用較多，國內(nèi)還沒有形成規(guī)?；瘧?yīng)用，這種爐體主要用于焚燒液體。

2.2 流化床焚燒爐

流化床燃燒技術(shù)是20世紀(jì)60年代初得到迅速發(fā)展的一種新型清潔燃燒技術(shù)。其特點是在爐膛下部布置有耐高溫的布風(fēng)板，板上裝有載熱的惰性顆粒，通過床下布風(fēng)，使惰性顆粒成流化態(tài)。由于熱載體可以存儲大量熱量，可以使床層溫度保持均勻，避免了投料時的爐溫劇烈變化和局部過熱現(xiàn)象，床層溫度易控制。燃燒廢液時，廢液經(jīng)過預(yù)處理后投入爐膛。當(dāng)廢液投入到爐內(nèi)時，物料和載熱體處于完全混合狀態(tài)，熱量迅速傳給物料，有利于廢液的迅速燃燒，廢液的燃燒效率高。并可用于燃燒高水分的含鹽有機廢液，燃燒后剩余的不能燃燒部分通過排渣口排出。排渣時隨其一塊出來的床料通過返料器重新回到爐內(nèi)，實現(xiàn)床料的連續(xù)循環(huán)利用。流化床焚燒法具有床料熱容量大、適于低熱值物料燃燒的特點。圖4為典型的鼓泡流化床焚燒爐，圖5為典型的循環(huán)流化床焚燒爐。

圖4 典型的鼓泡流化床焚燒爐

圖5 典型的循環(huán)流化床焚燒爐

目前流化床焚燒爐已經(jīng)廣泛用于廢液的焚燒處理，對它的研究主要集中在提高燃燒效率和尾氣處理上。徐茂蓉[12]等使用流化床焚燒農(nóng)藥廢液，結(jié)果表明，摻雜不同比例煤的農(nóng)藥廢液焚燒效果不同，且氮氧化物與CO存在一定的關(guān)聯(lián)性。別如山[13]等采用流化床燃燒技術(shù)對實驗室有機廢液進行無害化處理，研制成功了小型流化床焚燒爐與尾氣凈化一體化裝置，焚燒溫度可控制在800℃～ 950℃的任一溫度下，采用爐內(nèi)脫氮與尾氣洗滌凈化相結(jié)合，以尿素為脫硝劑，可使得尾氣中有毒有害氣體排放量滿足國家環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)且物料燃燒效率大于99.9%。

其特點是單位床面積燃燒效率高，燃燒熱效率高，二次污染可有效控制，適用于廢液、高水分廢棄物以及污泥，停爐方便。但能源消耗大，前處理費用及處理設(shè)備維修費用高且自動化要求高。目前在部分發(fā)達國家已被采用，正逐漸為環(huán)保要求高的國家所青睞。國內(nèi)有用于焚燒劣質(zhì)煤、咖啡豆殼的成熟技術(shù)，這種爐體主要用于焚燒固態(tài)、液體廢料和污泥。

2.3 回轉(zhuǎn)窯焚燒爐

圖6是典型的回轉(zhuǎn)窯焚燒爐示意圖，回轉(zhuǎn)窯屬于中小規(guī)模的焚燒爐，主要用于工業(yè)廢液的焚燒。回轉(zhuǎn)窯分為順流式和逆流式兩類，其燃燒形態(tài)和對象大不相同。順流式適合于塑料等高發(fā)熱性物質(zhì)的氣化焚燒。逆流式回轉(zhuǎn)窯主要用于污泥等含水量較高的廢棄物的焚燒及一些特殊用途的燃燒。在運行時，廢液和排氣、助燃?xì)怏w互相對流，提高了干燥效率?；剞D(zhuǎn)窯爐傾斜程度通常為1/300～1/100，爐內(nèi)焚燒物在移動、攪拌的過程中，完成升溫、熱分解和氣化過程，并且在二燃室中通過二次風(fēng)進行燃燒。未燃分多的時候，可采用專門的爐排來燃盡?；剞D(zhuǎn)窯煙溫較高，當(dāng)配置二次旋風(fēng)燃燒時，有足夠的煙氣滯留時間，從而可以保證完全破壞煙氣中的有害物質(zhì)。

圖6 典型的回轉(zhuǎn)窯焚燒爐

徐兆康等[14]闡述了回轉(zhuǎn)窯焚燒爐焚燒醫(yī)療廢液的優(yōu)越性，介紹了其工藝特點、主要設(shè)備等，指出其具有較好的密封性和適應(yīng)性，可以保證環(huán)境的安全衛(wèi)生，是醫(yī)療廢液無害化、減量化處理最直接有效的方法，同時能利用焚燒產(chǎn)生的余熱達到資源綜合利用。朱桂珍[15]分析研究了油漆渣、丙烯酸樹脂渣和有機廢液摻入水泥生料中一起焚燒處置的可行性，為工業(yè)固體物和廢液聯(lián)合處置提供了一種新途徑。

回轉(zhuǎn)窯焚燒爐的特點是廢液被攪動的幅度大，廢液熱值適應(yīng)范圍廣，機械傳動簡單，若要效果好，廢液預(yù)處理或適當(dāng)搭配不可缺少。目前國外采用回轉(zhuǎn)窯焚燒爐較多，國內(nèi)在廢液焚燒上還沒有規(guī)模化的應(yīng)用實例，但國內(nèi)在危險廢物焚燒上應(yīng)用較多，這種爐體主要用于焚燒固態(tài)、液體和污泥等廢物。

3 廢液焚燒爐運行中的關(guān)鍵問題

國內(nèi)外學(xué)者開展了許多關(guān)于廢液預(yù)處理、廢液焚燒爐的熱力學(xué)計算方法、煙氣中NOx與HCl等污染物的排放與控制、含鹽廢液焚燒過程中結(jié)渣問題的控制方法等相關(guān)的工作，結(jié)果表明，廢液焚燒爐在運行中仍然存在以下幾個關(guān)鍵問題亟待解決。

3.1 廢液的預(yù)處理

有機廢液由于其來源不同，成分也有很大差異，有機廢液在進入焚燒爐前，通常要進行一定的預(yù)處理，以達到適合焚燒的要求。這些預(yù)處理主要包括：去除廢液中的懸浮物、中和廢液、蒸發(fā)濃縮低濃度廢液。這主要是由于廢液通常采用霧化焚燒，當(dāng)廢液中含有懸浮物時，會造成噴嘴的堵塞，降低噴嘴的霧化效果，影響焚燒爐的正常運行，故廢液焚燒前，應(yīng)過濾去除廢液中的懸浮物；工業(yè)廢液的酸堿性常常不一樣，酸性有機廢液噴入爐內(nèi)，會對爐體造成腐蝕，而堿性有機廢液噴入爐后，會造成爐膛的結(jié)焦結(jié)渣。因此入爐前，有機廢液要進行中和處理；對于水分含量高的有機廢液，直接送入爐膛焚燒會降低廢液的焚燒效率、增加輔助燃料的供給量、提高焚燒爐的運行成本，焚燒前應(yīng)蒸發(fā)濃縮低濃度有機廢液。因此，廢液預(yù)處理是影響焚燒爐壽命及運行成本的關(guān)鍵因素。

3.2 焚燒溫度的選擇

溫度是廢液焚燒最重要的參數(shù)之一。在最佳的焚燒溫度下，廢液焚燒比較完全，焚燒爐運行比較穩(wěn)定，二次污染物的排放能夠滿足國家排放標(biāo)準(zhǔn)?？偟膩碚f，焚燒溫度選擇的標(biāo)準(zhǔn)為：1）在該溫度下，焚燒對于有害物質(zhì)的去除程度最高。從理論上說，焚燒溫度越高，對于有害物質(zhì)的去除越徹底。但并不是溫度越高越好，提高焚燒溫度將導(dǎo)致煙氣粉塵中的重金屬含量大大增加。研究表明，采用流化床焚燒爐處理高濃度有機廢液時，控制焚燒溫度在800℃～900℃時較理想，該溫度下廢液的破壞率達99.9%以上且熱力型氮生成量少。2）在該焚燒溫度下，焚燒產(chǎn)生的二次污染物，如NOx、SO2、HCl以及二英排放量應(yīng)越小越好。對于酸性氧化物，如SOx、NOx以及二英，焚燒溫度越高越好；對于HCl，焚燒溫度越低越好。考慮到添加石灰石能夠比較容易地除去HCl，而其它有害物特別是二英難以處理，因此要保證二英需控制焚燒溫度在800℃左右。

可見，選擇800℃～900℃的焚燒溫度比較合理。

3.3 二次污染物的排放

有害物質(zhì)的排放是檢驗廢液焚燒特性的另一重要指標(biāo)。為了盡量減少燃燒生成的污染物，焚燒爐的空氣過量系數(shù)一般都取的相對較大，但空氣過量系數(shù)過大時，焚燒過程中會形成比較多的熱力氮，使焚燒爐排放的NOx比其他鍋爐要高很多。因此，在廢液焚燒過程中應(yīng)控制好空氣過量系數(shù)。

3.4 結(jié)焦

焚燒爐的結(jié)焦結(jié)渣是普遍存在的現(xiàn)象。在爐膛火焰中心處，其溫度較高，燃料中的灰分大多呈熔化狀態(tài)，而爐管壁附近的煙溫則較低，若煙氣中的灰粒在接觸壁面時呈熔化狀態(tài)或粘性狀態(tài)，則會粘附在爐管壁上形成結(jié)焦結(jié)渣。在高的床溫下，富集在床層區(qū)域的鹽類在床層會形成大量的焦塊，導(dǎo)致床層的流化失敗，燃燒品質(zhì)下降，也會嚴(yán)重影響余熱的回收。導(dǎo)致結(jié)焦的主要因素有：1）廢液中可能含有較多的低熔點無機鹽，這些無機鹽在焚燒過程中形成共晶[16-17]；2）床層形成的團狀物質(zhì)，在焚燒過程中，由于供氧不充分，可能處于還原或半還原氣氛中，使得無機物灰渣的熔點降低，從而在底部灰層中形成結(jié)焦結(jié)渣[18]。目前抑制結(jié)焦結(jié)渣的方法主要是使用添加劑，如石灰石、高嶺土和Fe2O3粉末等[18]，通過添加劑與低熔點鹽形成高熔點物質(zhì)來降低結(jié)焦結(jié)渣；還可通過蒸發(fā)結(jié)晶預(yù)處理，降低廢液中的無機鹽含量，從而減少結(jié)焦結(jié)渣。

4 結(jié)語

廢液焚燒處理作為實現(xiàn)廢液減量化無害化和資源化處理的有效方法已經(jīng)受到越來越多的關(guān)注。常見的三種典型焚燒爐各有優(yōu)缺點，焚燒系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)綜合考慮廢液特點、投資力度和環(huán)保政策等多種因素并進行技術(shù)經(jīng)濟分析，以便科學(xué)選擇和確定焚燒爐類型，在焚燒爐運行過程中需要注意預(yù)處理效率、溫度控制、二次污染物控制和結(jié)焦控制等問題，同時應(yīng)注意提高余熱利用率。

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