低熱值廢水熱力氧化處理的工程實(shí)踐應(yīng)用

曹楓，孟建強(qiáng)，龍?zhí)?，付銀成

（中國船舶重工集團(tuán)公司第七一一研究所，上海201108）

近年來，伴隨著經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展，環(huán)境問題日益突出，國家環(huán)保政策進(jìn)一步嚴(yán)格。過去處理低濃度廢水的方法均不再適應(yīng)現(xiàn)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(shí)現(xiàn)較徹底的廢物無害化處理，在行業(yè)內(nèi)得到廣泛應(yīng)用。

按照廢物中有機(jī)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(jī)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(fèi)；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(dá)到氧化溫度，節(jié)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(fù)荷影響較小，不需要補(bǔ)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(fèi)，可以采用熱力焚燒方式進(jìn)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(fā)時吸收汽化潛熱，導(dǎo)致噴水后爐膛降溫明顯，需要補(bǔ)充燃料氣，以維持爐內(nèi)穩(wěn)定均勻的溫度場，保證廢水中的有毒有害物質(zhì)在高溫環(huán)境中完全分解燃燒，最終達(dá)標(biāo)排放，低熱值廢水通常利用壓縮空氣霧化進(jìn)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(yīng)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(shè)計(jì)與實(shí)際運(yùn)行結(jié)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(fù)荷不會造成太大影響。爐膛操作溫度1 100℃，微負(fù)壓運(yùn)行，焚燒爐采用平衡通風(fēng)方式供風(fēng)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(fù)荷的變化波動，如果直接送入焚燒爐內(nèi)會導(dǎo)致運(yùn)行不穩(wěn)定。因此，焚燒界區(qū)內(nèi)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(jù)廢水的儲量調(diào)節(jié)焚燒量。廢水通過壓縮空氣霧化成粒徑約100 μm的液滴進(jìn)入爐膛，廢水粘度小，霧化噴頭采用內(nèi)混式結(jié)構(gòu)，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(jīng)過蒸發(fā)、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?zé)煔?，?jīng)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(yù)熱器，以減少焚燒需要的空氣入爐后的降溫作用，達(dá)到節(jié)約燃料的目的，焚燒爐運(yùn)行過程中補(bǔ)燃的燃料可利用廠內(nèi)低品位馳放氣。該廢水有機(jī)物中含氮，焚燒后會形成燃料型氮氧化物，通過設(shè)計(jì)合理的燃燒器與焚燒爐結(jié)構(gòu)等低NO燃燒技術(shù)，在焚燒爐爐膛尾部設(shè)置SNCR脫硝區(qū)間，在余熱鍋爐中間煙道設(shè)置SCR脫硝區(qū)間，三種方法保證氮氧化物達(dá)標(biāo)排放。為了保證SCR脫硝溫度，余熱鍋爐設(shè)計(jì)煙氣內(nèi)旁通結(jié)構(gòu)用于調(diào)節(jié)SCR反應(yīng)器前煙氣溫度。

焚燒爐結(jié)構(gòu)見圖1，焚燒爐采用立式頂燒結(jié)構(gòu)，可以保證霧化的廢水進(jìn)入爐膛后與上游高溫?zé)煔獬浞只旌希凶銐虻耐Ａ魰r間，并且不會出現(xiàn)水平爐膛側(cè)燒結(jié)構(gòu)中的因?yàn)橹亓Τ两刀纬梢旱钨N壁的現(xiàn)象，以及立式底燒結(jié)構(gòu)中的干燥和氧化沒有明顯分界而導(dǎo)致焚燒不完全的現(xiàn)象。爐膛同一層周向布置8 支廢水噴槍，每支廢水噴槍運(yùn)行流量625 kg/h，設(shè)計(jì)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(jù)燃燒器的燒嘴結(jié)構(gòu)該距離會略有差異，需要保證廢水進(jìn)入爐膛后不影響主火焰的穩(wěn)定性，并且使得噴入位置在高溫?zé)煔鈪^(qū)域內(nèi)，入爐后可以及時蒸發(fā)、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(jié)構(gòu)配風(fēng)冷卻，防止噴槍在高溫環(huán)境中燒壞。在焚燒爐轉(zhuǎn)彎后的水平段設(shè)置氨水噴槍用于脫硝，氨水利用壓縮空氣霧化，氨水噴槍結(jié)構(gòu)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(jiān)控SNCR脫硝段爐膛溫度。

圖1 焚燒爐結(jié)構(gòu)圖

在爐膛結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行熱平衡計(jì)算時，通過分析廢水中有害物質(zhì)組分，控制焚燒廢水后的煙氣溫度為1 100℃，即可達(dá)到99.99%以上的處理效率，同時應(yīng)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(dāng)焚燒廢水量較大，僅設(shè)置一級廢水噴槍時，為了保證焚燒廢水后煙氣溫度達(dá)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(jìn)行補(bǔ)燃。一級廢水噴入后，爐膛溫度降溫至900℃左右，補(bǔ)燃后的爐膛溫度控制在1 250℃～1 300℃，在控制成本的同時可實(shí)現(xiàn)較好的焚燒效果。對于廢水量較大的情況，可以增加預(yù)處理措施，如汽提、冷卻結(jié)晶等，以提高廢水有機(jī)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(jì)算，該焚燒爐焚燒的廢水量不需要分級焚燒，只設(shè)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(jīng)過一定時間才能混合焚燒完全，因此爐膛測溫點(diǎn)不宜太靠近廢水噴槍，因?yàn)樘鼤?dǎo)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(diǎn)也不能距離廢水噴槍太遠(yuǎn)，太遠(yuǎn)會導(dǎo)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(diǎn)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(shù)值模擬分析

設(shè)計(jì)過程中，結(jié)合數(shù)值模擬分析焚燒爐結(jié)構(gòu)的合理性，進(jìn)一步確保設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的實(shí)用性。焚燒爐豎直截面溫度場見圖2，結(jié)果顯示，噴入廢水的位置在高溫火焰區(qū)域尾部，廢水噴入高溫環(huán)境中可以很快地蒸發(fā)汽化，經(jīng)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，可以滿足為焚燒爐提供穩(wěn)定均勻溫度場的需要，并且在燃燒器出口沒有出現(xiàn)大面積連續(xù)高溫區(qū)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(fēng)箱配風(fēng)口側(cè)的溫度相較其他幾個噴槍偏低，整體相對均勻。

3 運(yùn)行數(shù)據(jù)分析

廢水中水含量超過95%，運(yùn)行過程中廢水組分變化不大，并且焚燒量相對穩(wěn)定，焚燒爐實(shí)際運(yùn)行時不需要太多人為干預(yù)，穩(wěn)定性較好，各項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)與設(shè)計(jì)時的理論計(jì)算結(jié)果以及數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果偏差不大。煙氣經(jīng)脫硝后，按照GB 31571-2015《石油化學(xué)工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》折算出的NO含量≤20 mg/Nm，滿足環(huán)保要求，達(dá)到超低排放。廢水中不含顆粒物，不含鹽分，焚燒后不會產(chǎn)生煙塵，因此在余熱鍋爐受熱面中未出現(xiàn)嚴(yán)重的積灰現(xiàn)象，煙塵排放滿足環(huán)保要求。存在的問題是，爐膛截面積偏小，局部爐膛容積熱負(fù)荷較高，布置一層噴槍在理論計(jì)算時可以滿足需求，但是實(shí)際運(yùn)行時略顯負(fù)荷不足，需要8 根噴槍全部投用才能達(dá)到設(shè)計(jì)量，沒有留有運(yùn)行裕量，如果其中某一支廢水噴槍出現(xiàn)故障，會影響到焚燒爐的最大處理能力。因此，在焚燒爐設(shè)計(jì)時，設(shè)計(jì)工況中需考慮適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)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(jié)論

（1）大風(fēng)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(fēng)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(jīng)濟(jì)性，并且可以通過汽提、冷卻結(jié)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(yù)熱器，以盡可能地節(jié)約燃料消耗。

（3）實(shí)際工程實(shí)施時，要在理論計(jì)算的基礎(chǔ)上留有足夠的余量，避免出現(xiàn)因一些未考慮的因素導(dǎo)致負(fù)荷達(dá)不到要求。