含多种元素的废气/废液焚烧系统关键部件设计

邢 科 时明伟 罗秀朋

（北京航化节能环保技术有限公司）

工业生产尤其是化工生产过程中，会排放出种类多样且组分复杂的工业废物，焚烧法可使废物中的有害有毒物质在焚烧炉内经高温燃烧热解后变成无害烟气，是一种有效的处理方法［1］。笔者以北京航化节能环保技术有限公司为国内某化工企业所建的焚烧系统为背景，着重对其中关键部件的设计依据和设计方案做一介绍。

1 焚烧系统工艺简介

本焚烧系统处理6股废气和6股废液，主要为草铵膦系统和马拉硫磷装置产生的废气/废液，以及氟化残液和DMF回收残液。6股废气分别是：9C废气（氯化氢12.8%、甲烷13.3%、乙烷2.6%、丙烷6.8%、二氯甲烷1.1%、三氯化磷62.3%、四氯化碳1.1%）；混合废气（氮气96.1%、五氧化二磷3.9%）；氟草烟废气/高盖废气/低压氮封气/高压氮封气（氮气99.9%、有机物0.1%，4种废气的有机物成分各有不同）。6股废液分别是：26废液（正磷酸85.6%、正丁醇0.9%、甲基亚磷酸单丁13.5%）；32L废液（叔丁醇35.4%、正丁醇6.8%、甲基亚磷酸单丁酯6.6%、二聚丙烯醛41.3%、二氧化碳9.9%）；氟草烟废液（氟草烟37.2%、二甲基亚砜7.9%、二甲基甲酰胺9.1%、水分6.7%、吡啶7.5%、乙腈8.2%、氯化钾/氟化钾0.7%、甲醇16.2%、甲基苯乙烯6.5%）；马拉硫磷废水（磷酸63.9%、二乙酯8.5%、硫化物10.7%、水分16.9%）；9B废液（三氯化磷38.9%、表面活性剂14.8%、磷酸14.8%、其他31.5%）；苯唑草酮废液（甲醇31.5%、亚硝酸钠10.5%、氢氧化钠39.5%、乙醇钠9.6%、其他8.9%）。综上分析可知，废气和废液组分中的主要元素为C、H、O、S、P、Cl和F。

废气经废气缓冲罐气液分离后，由废气引射器送至焚烧炉进行处理；废液经缓冲罐由泵增压后进入焚烧炉进行处理。废气和废液在焚烧炉中进行高温氧化分解燃烧，生成N2、CO2、H2O、SO2、HCl、P2O5、HF、部分过剩O2及少量的KCl等小分子物质；从焚烧炉出来的高温烟气垂直向下进入急冷器，烟气迅速降温后进入急冷罐。烟气中所携带的微量固体颗粒大部分沉积在急冷罐中；急冷后的烟气进入水洗塔洗掉烟气中的酸性气体，再经碱洗塔由碱性洗涤液对烟气进行洗涤，通过酸碱中和反应把烟气中的HCl、HF和游离的氯气中和掉，并进入SCR脱硝装置进行脱硝和吸附，随后通过烟囱排空。

2 焚烧系统关键部件的设计

焚烧炉是整个焚烧系统中的核心设备，其主要作用是将废气和废液中的可燃组分进行无害化高温分解。焚烧炉的设计应综合考虑物料焚烧温度、高温烟气停留时间、炉膛容积热负荷、炉内流场及温度场、炉衬设计以及烟气露点腐蚀等因素。

2.1 焚烧炉炉体

焚烧炉（图1）采用立式安装形式。为保证焚烧完全和充分燃烧，高热值或重组分多的氟草烟废液、32L废液、马拉硫磷废水和9C废气从燃烧器接口通入，其他低热值的废液和废气从炉体上部接口通入。助燃风分为一、二次风，在燃烧器和炉体上部分别设置相应接口。

图1 焚烧炉设计简图

焚烧炉炉体主要结构参数如下：

炉体高度 10 430 mm

炉体外径 2 828 mm

炉体内径 2 344 mm

炉壳厚度 14 mm

炉衬厚度 228 mm

顶部燃烧器接口公称直径 DN1 400 mm

底部烟气出口公称直径 DN1 400 mm

焚烧温度应比有机废气和废液中有害组分的燃烧温度或分解温度高出50～100℃为宜［2］。据此，焚烧炉操作温度设定为1 200℃，在该温度下可将本系统内多种有机废物焚烧完全，保证排烟指标达到国家环保要求。经热力计算，虽然部分废液热值较高，所提供热负荷仍不能满足焚烧温度要求，需要天然气进行伴烧，伴烧天然气流量为114 Nm3/h。

焚烧炉的炉膛尺寸主要由高温烟气在炉膛内的停留时间和燃烧时的容积热负荷［3］两个因素决定。为保证化学反应充分，结合笔者多年在焚烧方面的工程经验，高温烟气的停留时间取2.5 s，焚烧炉有效容积确定为36 m3，对应炉膛容积热负荷为125 kW/m3，就可保证废气/废液焚烧完全。

由于高温烟气中含有二氧化硫和氯化氢，需考虑烟气露点腐蚀问题。烟气计算露点腐蚀温度为190℃，考虑到散热损失和炉壳材料强度，炉壳外壁设计温度为220℃。为避免外界环境因素对炉壳壁温的影响，设计全封闭防雨罩将炉壳完全包覆，在炉壳温度过高时，可通过调节防雨罩上设置的风门开度对炉壳进行降温操作。

焚烧炉衬里的设计需根据炉膛的温度高低选用能够承受焚烧温度的耐火材料和隔热材料，同时应注意有机废气/废液和焚烧后的烟气对耐火材料的腐蚀问题［4］。炉膛内温度较高，而且烟气中含有HF、SO2、HCl及P2O5等腐蚀性介质，应特别注意的是HF易与SiO2反应生成SiF4，因此衬里应选低硅的耐材。本焚烧炉衬里结构采用两层设计，包含耐火层和保温层：耐火层选用低硅98刚玉砖，其Al2O3含量不低于98%、SiO2含量小于0.2%；保温层选用轻质高铝砖LG-0.8，其Al2O3含量不低于48%。

2.2 燃烧器

燃烧器（图2）是为焚烧炉提供热源的燃烧设备，热负荷为3.4 MW，燃料主要为高热值废气、废液和伴烧天然气。废液均采用压缩空气进行雾化，将废液雾化成雾状微小颗粒后喷入炉内。废液喷枪型式为内混式，雾化后的废液颗粒索太尔平均直径小于100μm。流量较小的废液喷枪和废气喷枪布置在调风器与燃烧器喉口的间隙处；热值高且流量较大的废液喷枪与伴烧天然气采用套管式组合结构，其中心喷枪布置于燃烧器的中间位置。另外，在中心喷枪外圈设置调风器，形成有利的空气动力场，强化燃料与助燃空气的混合。

图2 燃烧器结构示意图

燃烧器的主要结构参数如下：

燃烧器壳体高度 1 005 mm

燃烧器外径 1 420 mm

喉口直径 350 mm

平流调风器叶轮直径 230 mm

伴烧天然气接口公称直径 DN80 mm

一次助燃风接口公称直径 DN500 mm

燃烧器采用平流式调风器，其工作原理是利用直流空气流在调风器喉口形成的高速紊流，空气与燃料进行强烈的质量和动量交换，最终实现空气和燃料的充分混合［5］。平流式调风器的特点是通过调风器的一次风为旋转风，能加强根部送风，形成回流区有利于稳定燃烧；二次风为高速直流风，增加火焰沿程的紊流脉动，加强燃烧。同时，二次风能对废液粗液滴的二次雾化有帮助。另外，调风器还需选取合适的旋流强度［6］。若旋流强度过大，则调风器阻力较大，既会影响一次风量，也会对回流区的形状和位置产生影响。基于以上因素，本项目平流调风器旋流强度的设计值为2.1。

燃烧器是焚烧系统的核心设备，对于整个焚烧系统的安全稳定运行起着至关重要的作用。燃烧器设置一套点火枪和两台火焰检测器：点火枪燃料采用天然气，点火枪点燃主火焰后即可熄灭；火焰检测器采用“2选1”的方式进行检测以保证整个系统的火焰燃烧稳定。

2.3 低热值废气/废液喷口

为不影响燃烧器主火焰燃烧，低热值的26废液、9B废液、苯唑草酮废液、混合废气、低压氮封气和高压氮封气从炉体上锥段处（设置喷枪）通入，氟草烟废气和高盖废气从上锥段下部的筒体处（设置喷枪）通入。而喷枪需与炉体中心线保持合理夹角，以避免废液喷到炉墙壁面上对衬里造成腐蚀。

考虑到上游主装置和输送设备的故障、检修等因素，废气/废液就会间断供入，而喷枪位于炉内高温段，尤其是喷头处于高温热辐射环境，为延长喷枪的使用寿命，喷枪套管处需设置冷却风接口。另外，废液喷枪套管处也宜设置球阀，当喷枪损坏或堵塞时，便于在焚烧炉运行状态下在线切换备用喷枪。

3 工业应用效果

焚烧系统正式投入运行近一年来状况良好，各项指标均已满足设定值，尤其排放烟气的监测数据（表1）达到GB 18484—2014《危险废物焚烧污染控制标准》（征求意见稿）排放要求。

表1 排放烟气的监测数据 mg/Nm3

4 结束语

废气/废液焚烧系统处理物料复杂，针对物料特性采取合理的分区域布置，能够适应多种工况的运行。焚烧系统投产后运行安全稳定且可靠高效，焚烧去除率高达99.99%，烟气排放指标满足GB 18484—2014《危险废物焚烧污染控制标准》（征求意见稿）要求，可为相关领域的废气处理和废液处理提供参考和借鉴。