焚燒法處理己內(nèi)酰胺生產(chǎn)廢液技術(shù)經(jīng)濟(jì)探討

張 林 初

(中石化巴陵石油化工有限公司科技發(fā)展部, 湖南 岳陽(yáng) 414014)

己內(nèi)酰胺是一種重要的化工原料，主要用于生產(chǎn)聚酰胺6纖維和聚酰胺6工程塑料。但其生產(chǎn)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量可生化性低，毒性高，成分復(fù)雜、化學(xué)需氧量(COD)值高的典型高濃度難生化處理有機(jī)廢液，如環(huán)已烷液相氧化生產(chǎn)環(huán)已酮的過(guò)程中，為了除去環(huán)已烷氧化液中有機(jī)酸類(lèi)、有機(jī)酸酯類(lèi)衍生物，工業(yè)上通常加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)30%～50%的氫氧化鈉(NaOH)進(jìn)行中和皂化[1]，由此會(huì)產(chǎn)生大量含NaOH、有機(jī)酸鈉鹽的皂化廢堿液，COD值高達(dá)3×105mg/L；粗己內(nèi)酰胺精制過(guò)程中，苯萃取殘液和離子交換廢液經(jīng)濃縮裝置蒸發(fā)濃縮后會(huì)形成有機(jī)物質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)50%～75%的濃縮廢液，COD值一般大于1.3×105mg/L。己內(nèi)酰胺生產(chǎn)廢水處理已成為困擾行業(yè)的突出問(wèn)題。

目前工業(yè)廢水的處理方法主要有生化法、膜處理法、焚燒法等[2-4]。其中，焚燒法通常是通過(guò)蒸發(fā)濃縮提升工業(yè)廢水固含量濃度，然后通入焚燒爐充分燃燒分解成二氧化碳和水等無(wú)害物質(zhì)，具有經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益好的優(yōu)點(diǎn)，目前國(guó)內(nèi)環(huán)己酮皂化廢堿液主要采用該方法進(jìn)行處理。

作者以25 m3/h己內(nèi)酰胺廢液處理系統(tǒng)為例，介紹了以重質(zhì)燃料油或天然氣為燃料，使己內(nèi)酰胺廢液在焚燒爐中充分燃燒，而后凈化達(dá)標(biāo)排放，同時(shí)回收副產(chǎn)蒸汽和碳酸鈉的工藝流程，并分析了其經(jīng)濟(jì)技術(shù)性，以期為皂化廢堿液焚燒爐摻燒己內(nèi)酰胺濃縮廢液提供借鑒。

1 工藝流程

25 m3/h己內(nèi)酰胺廢液焚燒系統(tǒng)包括廢液預(yù)處理、污泥干化、廢液焚燒3 個(gè)工藝單元。

(1) 廢液預(yù)處理

濃縮廢液和皂化廢堿液分別通過(guò)流量控制，按比例同時(shí)進(jìn)入脫氨罐充分混合。濃縮廢液中的硫銨與皂化廢堿液中的NaOH發(fā)生復(fù)分解反應(yīng)，生成硫酸鈉、氨和水。過(guò)飽和的氨從脫氨罐頂部逸出后經(jīng)管道送入吸收塔底部被脫鹽水洗滌吸收，吸收塔底氨水外送供煙氣脫硫裝置使用，為了達(dá)到好的吸收效果，在吸收塔循環(huán)液管道上設(shè)置低溫水冷卻器，使塔頂噴淋的吸收液溫度維持在20 °C左右，吸收塔頂尾氣高空排放。脫氨罐中混合的廢液經(jīng)泵加壓后，送至廢液貯罐，再用泵送廢液鍋爐焚燒處理。

(2) 污泥干化

由廢液焚燒裝置煙道引入的煙氣由干燥風(fēng)機(jī)切向引入旋轉(zhuǎn)噴動(dòng)干燥機(jī)，濕污泥經(jīng)加料機(jī)送進(jìn)干燥室內(nèi)，與切向進(jìn)入的高溫高速旋轉(zhuǎn)干燥介質(zhì)相撞擊，使之微?；⒊始ち业膰妱?dòng)流化狀態(tài)；達(dá)到一定干度的干污泥顆粒被氣流帶出干燥室外，進(jìn)入捕集系統(tǒng)(旋風(fēng)除塵器)而被捕集；捕集后的干污泥統(tǒng)一外運(yùn)填埋[5]。

(3)廢液焚燒

廢液焚燒工藝流程包括燃料系統(tǒng)、煙風(fēng)系統(tǒng)、給水系統(tǒng)、蒸汽系統(tǒng)、包裝系統(tǒng)等。經(jīng)廢液預(yù)處理裝置處理后的濃縮廢液、部分皂化廢液、污泥干化顆粒送入帶有前置絕熱爐的廢液鍋爐中燃燒，采用天然氣為燃料氣，重油為備用燃料，燃燒產(chǎn)生的煙氣脫硝后經(jīng)由電除塵器送至后續(xù)脫硫裝置，再經(jīng)煙囪排放。外來(lái)除氧水經(jīng)廢液鍋爐吸收熱量后汽化，蒸汽由汽包經(jīng)分汽缸送至蒸汽管網(wǎng)。廢液鍋爐底部熔融堿液采取固態(tài)回收，統(tǒng)一包裝后外銷(xiāo)。

脫硝：為去除鍋爐煙氣中NOx，采用選擇性非催化還原技術(shù)(SNCR)，在爐膛溫度850～1 100 °C時(shí)，將質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%氨水與除鹽水在計(jì)量模塊內(nèi)由靜態(tài)混合器充分混合后經(jīng)噴槍霧化后直接噴入爐膛，使NOx被還原。

電除塵：煙氣進(jìn)入靜電除塵器時(shí)，煙氣中的堿塵帶上電荷，當(dāng)通過(guò)電場(chǎng)時(shí)，堿塵被吸附在陽(yáng)極板上，通過(guò)振打裝置，使堿塵掉落在電除塵器的底部，借助輸送裝置收集。

脫硫：煙氣進(jìn)入脫硫塔后，在脫硫塔吸收段與含氨循環(huán)吸收液逆流接觸，脫去煙氣中的二氧化硫；再在氨回收段通過(guò)水噴淋清洗，回收煙氣中少量夾帶的氣態(tài)氨；最后，煙氣經(jīng)設(shè)置于塔頂?shù)膬蓪映F器除去大部分液滴，變?yōu)楦蓛魺煔?，由脫硫塔頂部排入煙道再?jīng)煙囪排放。

焚燒法處理己內(nèi)酰胺生產(chǎn)廢液的工藝流程見(jiàn)圖1，其主要工藝指標(biāo)見(jiàn)表1。

圖1 焚燒法處理己內(nèi)酰胺廢液工藝流程Fig.1 Incineration treatment process of caprolactam waste liquid

表1 焚燒系統(tǒng)主要工藝指標(biāo)Tab.1 Main process indexes of incineration system

2 影響焚燒系統(tǒng)效果的因素

2.1 鍋爐類(lèi)型

目前，國(guó)內(nèi)己內(nèi)酰胺廢液鍋爐主要有2種，一種為焚燒爐，另一種為絕熱爐。兩種廢液鍋爐適用不同的處理介質(zhì)，各有優(yōu)缺點(diǎn)。焚燒爐對(duì)不同廢液有很好的適應(yīng)性和可操作性，能適用并解決廢液固含量的變化、灰渣掛堿等影響鍋爐安全運(yùn)行的隱患，缺點(diǎn)是燃料消耗高。絕熱爐優(yōu)點(diǎn)：(1)燃燒穩(wěn)定，高含水率低熱值廢液可以穩(wěn)定燃燒；(2)便于脫硝，能滿(mǎn)足SNCR爐內(nèi)脫硝要求。缺點(diǎn)是絕熱爐絕熱層易破損，以及水平煙道易泄漏等。

本系統(tǒng)鍋爐為一種單汽包自然循環(huán)半露天∩型膜式壁結(jié)構(gòu)的新型鍋爐，集焚燒爐與絕熱爐之所長(zhǎng)，增加了燃燒的穩(wěn)定性，又可滿(mǎn)足SNCR爐內(nèi)噴氨脫硝的要求。鍋爐為單鍋筒, 整體呈∩型

布置，爐膛四周由膜式水冷壁組成，主要受熱面布置有水冷屏、包墻管束、空氣預(yù)熱器、尾部蛇形管、省煤器等。鍋爐構(gòu)架采用全型鋼焊接結(jié)構(gòu)，鍋爐荷載通過(guò)吊桿懸掛在構(gòu)架頂板上。鍋爐布置采用露天帶爐頂雨棚的布置方式。新型焚燒爐性能參數(shù)見(jiàn)表2。從表2可以看出，與通用焚燒爐相比，新型焚燒爐燃料消耗更低，產(chǎn)生的煙氣量更少。

表2 25 m3/h新型焚燒爐性能參數(shù)Tab.2 Performance parameters of novel 25 m3/h incinerator

2.2 省煤器積灰

省煤器是安裝于焚燒爐尾部煙道下部用于回收余熱的一種裝置，它通過(guò)吸收低溫?zé)煔獾臒崃?，降低煙氣的排煙溫度，從而提高焚燒爐效率，節(jié)省燃料消耗[6]。但排煙煙氣在未經(jīng)除塵器前，煙氣中含有大量的灰塵，極易導(dǎo)致省煤器表面積灰嚴(yán)重，降低傳熱管的換熱效率，影響整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的安全性?，F(xiàn)有技術(shù)的解決方式大都為定期清灰，但短期內(nèi)又會(huì)再次積灰堵塞，需要重復(fù)清灰。本系統(tǒng)省煤器受熱面管束采用錯(cuò)列布置，并設(shè)置了振打和吹灰裝置，運(yùn)行期間定期吹灰，取得了較好的清灰效果。

2.3 廢液物性

廢液濃度對(duì)焚燒爐燃燒效果影響較大。廢液量一定時(shí)，廢液中水含量越高，作為燃料的有機(jī)物相應(yīng)越少，則發(fā)熱量減少，需要伴燒的輔助燃料增多，回收資源減少。所以廢液處理過(guò)程中要密切注意焚燒爐溫度的變化，當(dāng)溫度顯著降低時(shí)，及時(shí)調(diào)整廢液濃度與廢液的噴入量[7]。本系統(tǒng)廢液含水量對(duì)焚燒爐燃燒性能的影響見(jiàn)表3。

表3 廢液含水量對(duì)焚燒爐燃燒性能的影響Tab.3 Influence of water content of waste liquid on combustion performance of incinerator

從表3可以看出，廢液含水量越大，消耗的燃料越多，焚燒爐燃燒區(qū)溫度越低?？紤]到燃料消耗，以及SNCR爐內(nèi)脫硝的要求，本系統(tǒng)廢液含質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制在55%左右。

2.4 焚燒熔融物回收工藝

目前，己內(nèi)酰胺廢液焚燒熔融物(主要為碳酸鈉)回收工藝主要有濕法回收和干法回收2種工藝[8]。濕法回收工藝的缺點(diǎn)是飽和碳酸鈉水溶液易腐蝕地面，影響地下水的pH值；而干法回收工藝避免了濕法回收工藝的缺點(diǎn)，且碳酸鈉的回收率較濕法回收工藝的高，但設(shè)備運(yùn)行周期短，僅60～90 d。本系統(tǒng)采用雙軸冷卻器式干法回收工藝，熔融物從關(guān)鍵設(shè)備雙軸冷卻機(jī)設(shè)在頂蓋上的加料口進(jìn)入冷卻機(jī)內(nèi)，在轉(zhuǎn)動(dòng)的冷卻輸送軸的推動(dòng)下不斷翻滾前進(jìn)，物料在前進(jìn)過(guò)程中熱量被冷卻主軸及葉片冷卻，熱量由循環(huán)水帶走，冷卻至80 °C以下。該工藝占地面積小、設(shè)備運(yùn)行周期長(zhǎng)、能耗低。

3 處理效果

3.1 環(huán)保效果

從表4可看出，COD為2.5×105mg/L的高濃度己內(nèi)酰胺廢液經(jīng)焚燒爐焚燒處理，產(chǎn)生的二氧化硫(SO2)濃度為49 mg/Nm3，粉塵濃度為35 mg/Nm3，NOx濃度為300 mg/Nm3，達(dá)到GB 18484—2001《危險(xiǎn)廢物焚燒污染控制標(biāo)準(zhǔn)》排放要求。

表4 焚燒處理后大氣污染物排放指標(biāo)Tab.4 Emission index of air pollutants after incineration

3.2 經(jīng)濟(jì)效益

25 m3/h己內(nèi)酰胺廢液處理系統(tǒng)主要工藝技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)見(jiàn)表5。若不計(jì)設(shè)備折舊、生產(chǎn)人員工資、干化污泥節(jié)約填埋費(fèi)，按廢液處理量17 m3/h，年操作時(shí)間7 200 h，電價(jià)0.67元/kWh，新鮮水2.29元/t，循環(huán)水0.165元/t，冷凍水0.638元/t，除氧水、脫鹽水 2.25元/t，天然氣2.5元/Nm3，儀表風(fēng)、壓縮空氣0.132元/Nm3，重質(zhì)燃料油2550元/t，蒸汽154.02元/t，碳酸鈉266.84元/t計(jì)算，年焚燒系統(tǒng)燃料及公用工程消耗成本為5 051.02萬(wàn)元，副產(chǎn)品回收效益為6 030.14萬(wàn)元，處理1 t廢液(密度按1 167 kg/m3計(jì))可產(chǎn)生效益約69元。

表5 焚燒系統(tǒng)主要工藝技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)Tab.5 Main technical and economic indexes of incineration system

4 結(jié)論

a. 采用新型單汽包自然循環(huán)半露天∩型膜式壁結(jié)構(gòu)焚燒爐，既可增加燃燒的穩(wěn)定性，又可滿(mǎn)足爐內(nèi)噴氨脫硝的要求；焚燒爐省煤器受熱面管束采用錯(cuò)列布置，并配備振打和吹灰裝置，可取得較好的清灰效果；廢液含水質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制在55%左右，可確保焚燒爐有較好的燃燒效率；焚燒熔融物采用雙軸冷卻器式干法回收工藝，環(huán)境污染小、能耗低、設(shè)備運(yùn)行周期長(zhǎng)。

b. COD為2.5×105mg/L的高濃度己內(nèi)酰胺廢液經(jīng)焚燒爐焚燒處理，產(chǎn)生的SO2濃度為49 mg/Nm3，粉塵濃度為35 mg/Nm3，NOx濃度為300 mg/Nm3，達(dá)到GB 18484—2001《危險(xiǎn)廢物焚燒污染控制標(biāo)準(zhǔn)》排放要求。

c. 處理1 t廢液，回收副產(chǎn)蒸汽和碳酸鈉可產(chǎn)生效益約69元。