一体化悬浮焚烧处理高浓度含盐有机废液锅炉技术

第38卷,总第221期2020年5月,第3期
《节能技术》
ENERGY CONSERVATION TECHNOLOGY
Vol.38,Sum.No.221
May.2020,No.3　
一体化悬浮焚烧处理高浓度含盐有机废液锅炉技术
余传林,王　祺,关小川,赵洪宇
(大连科林能源工程技术开发有限公司,辽宁　大连　116031)
摘　要:为满足环保要求处理高浓度含盐有机废液,采用顶喷雾化废液侧烧辅助燃料的悬浮燃烧技术确保废液中有机物彻底焚毁;采用熔融出盐确保回收的无机盐中TOC含量近零,无机盐可以直接资源化利用;采用膜式壁炉墙内置膜式壁管屏的烟气冷却室以将高温烟气瞬间降至无机盐熔点以下100℃,达到冷却室出口烟气中无机盐完全转化为固态,为后级设备不被无机盐粘接、堵塞以及整个焚烧系统的安全、可靠、连续运行创造必要条件。

本文阐述了高浓度含盐有机废液悬浮焚烧机理及该炉型的优点,为行业内提供参考借鉴。

关键词:锅炉;顶喷雾化废液;悬浮焚烧;高浓度含盐;有机废液;烟气冷却室
中图分类号:TK228 文献标识码:A 文章编号:1002-6339(2020)03-0247-04 Integrated Suspension Incineration Technology for High Concentration
Organic Wastewater Containing Salt
YU Chuan-lin,WANG Qi,GUAN Xiao-chuan,ZHAO Hong-yu (Dalian Kelin Energy Engineering Technology Development Co.,Ltd.,Dalian116031,China)
Abstract:In order to meet the requirements of environmental protection,high concentration salt contai⁃ning organic waste liquid was treated,and the suspended combustion technology of side spray auxiliary fuel of top spray was used to ensure that the organic matter in the waste liquid was thoroughly burned. The molten salt was used to ensure that the content of TOC in the recovered inorganic salt was nearly0, and the inorganic salt could be directly utilized.When the temperature is about300℃below the melting point of inorganic salt,the inorganic salt in the flue gas at the outlet of the cooling chamber can be com⁃pletely converted into solid state,which creates necessary conditions for the safe,reliable and continuous operation of the whole incineration system and the subsequent equipment not being stuck and blocked by inorganic salt.In this paper,the mechanism and advantages of high concentration salty organic waste sus⁃pension incineration are described,which can provide reference for the industry.
Key words:boiler;top atomization waste liquid;suspension incineration;high concentration salt;organ⁃ic waste liquid;flue gas cooling room
收稿日期　2019-05-15 修订稿日期　2019-06-20
作者简介:余传林(1968~),男,本科,高级工程师,研究方向为危险废物的无害化、减量化、资源化、能源化焚烧处理等环保节能成套技术与工程实施。

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0　引言
近年来,随着农药、化工、炼油、造纸、印染等行
业的快速发展,在其生产过程中,经常产生大量的高
浓度含盐有机废液,这些废液中含有大量不能生物
降解的有机物以及高浓度含盐有机废液排放到大自
然中,必然对环境造成污染,破坏生态环境,损害人
体健康,属于危险废弃物,因而找到一种合理、有效
的处理技术,从而减少该废液对环境的污染,促进行
业可持续发展具有重要意义[1]。

目前,对工业废液处理方法主要采用生物降解、向地下深处高压注射
和焚烧的方法。

采用生物降解法无法有效处理高浓
度含盐有机废液,国家环保法严禁向地下深处高压
注射法处理高浓度含盐有机废液。

国内通常采用焚
烧处理的办法,通过焚烧炉焚烧有毒废液,使废液在
燃烧过程中分解成为无毒气体,排入大气。

高浓度
含盐有机废液焚烧锅炉之所以成为环保焚烧的处理
难题,重要原因在于:焚烧产生的高温烟气中含有大
量低熔点的碱金属盐类[2]。

这些物质都对炉衬和换热面产生强烈的腐蚀、侵蚀作用,会造成焚烧炉炉衬被烧坏或受热面结盐堵塞,导致系统不能正常可靠运行[3-5]。

经研究,一般氯化钠盐的熔点801℃,碳酸钠的
熔点857℃,而磷酸钠在900℃即升华为气态,氢氧
化钠的熔点318℃,熔点以上的钠盐具有较强的粘
结性,只有熔点以下100℃的钠盐粘结性才减弱,具
有脆性,可以采用相应的吹灰措施予以清除。

为此,
要尽量将进入锅炉对流管束的烟气温度降到熔点温
度以下100℃才有利于锅炉的安全可靠运行[5-8]。

1　一体化悬浮焚烧高盐高浓度有机废液锅炉的结构
针对高浓度含盐有机废液的特点,特别是针对高浓度含盐有机废液所含碱金属钠盐熔点低、对耐火材料腐蚀性强、粘接性较强、余热回收困难等特性,结合环保要求,研究开发提供了一种耐钠盐腐蚀、液态排渣顺利、余热回收效率高、合理有效消除或避免熔盐对炉体的侵蚀与腐蚀、避免熔盐对锅炉受热面的粘接性、确保锅炉高效传热换热的一体化悬浮焚烧锅炉。

如图1,一体化悬浮焚烧高浓度含盐有机废液
锅炉采用倒“U”型膜式壁锅炉结构,一侧为膜式壁
敷设卫燃带的绝热燃烧室,另一侧为膜式壁炉墙围
成的急冷室,且在急冷室内布置多组膜式壁管屏,绝
热燃烧室与急冷室为膜式壁敷设卫燃带的烟气转向
室,绝热燃烧室与烟气转向室构成焚烧炉膛,烟气转向室设置一个较大的熔盐槽,熔盐槽的侧墙装设再加热燃烧器,对沉积熔盐槽的熔盐再加热,使其充分达到液态,便于熔盐流淌顺利而实施液态排盐的目的。

熔盐槽底部中心部位,设置一特殊熔盐溢流装置,熔盐溢流装置凸出部分的中心部位根据熔盐流量设置一个熔盐溢流孔,该熔盐溢流孔远小于溢流防护筒体的内径,熔盐溢流过程不会粘附到溢流防护筒体的内壁面上,确保液态熔盐排放顺畅。

在倒“U”型膜式壁锅炉结构的膜式壁敷设卫燃带的绝热燃烧室一侧,炉顶装设雾化喷枪,顶喷高浓度含盐有机废液,即在焚烧锅炉炉膛顶部布置高浓度含盐有机废液雾化喷枪雾化喷入焚烧锅炉的炉膛内进行悬浮焚烧。

主燃燃烧器以四角切圆的形式布置在炉膛的上部侧面,四角切圆的方式布置燃烧器可相应的增加烟气的停留时间。

助燃燃料轻柴油或天然气通过燃烧器进入焚烧锅炉的炉膛内焚烧,并保持焚烧锅炉炉膛出口的烟气温度≥1100℃,保证有机物彻底焚毁。

合理的设置焚烧锅炉炉膛的尺寸,炉膛内有合理的烟气流速(≤4.0m/s)、足够的烟气停留时间(≥2s)、较高的燃烧温度(≥1100℃)和稳定的烟气动力场。

图1　一体化悬浮焚烧处理高浓度含盐有机废液锅炉1-熔盐池;2-补燃燃烧器;3-绝热燃烧室;4-辅助燃料
燃烧器;5-雾化喷枪;6-第二冷却室;7-第三冷却室;8-
第四冷却室;9-低温受热面;10-烟气出口;11-双轴冷却
器;12-熔盐溢流装置;13-遮烟墙;14-膜式壁管屏
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在由膜式壁敷设卫燃带组成的绝热燃烧室的炉顶向燃烧室内布置废液雾化喷枪,可保证废液均匀雾化后喷洒在绝热燃烧室内呈悬浮状态,为废液在炉内蒸发、干燥、有机物燃烧与燃烬、无机盐固态相变为液态等过程创造条件。

废气燃烧器和助燃燃烧器分别根据各自的燃烧特性通过切圆燃烧方式在绝热燃烧室侧壁分上、中、下三层或根据废液特点进行多层布置,实现均匀燃烧以减少NO x生成量和加强烟气扰动增加烟气在炉内的停留时间。

采用在烟气转向室之后设置一个膜式壁炉墙围成的急冷室,急冷室内装设有大量膜式壁管屏,将气态或液态熔盐急冷到对后级其他部件无粘接危害的固态。

且在烟气转向室和急冷室之间设置向内部倾斜一定角度的遮烟墙,该遮烟墙既起到减小急冷室对焚烧炉膛的辐射吸热造成降低炉膛温度作用,有利于维持焚烧炉膛的高温,有利于烟气中的含盐熔融物质分离出来依靠重力流入熔盐槽中,同时烟气经遮烟墙导致在焚烧炉膛内停留时间增加,可以确保有机物彻底燃烬。

高浓度含盐有机废液在炉膛内高温焚烧后,其中的碱金属钠盐类变为熔融态,落入位于焚烧锅炉底部的熔盐池中。

熔盐池布置有一支补燃燃烧器,保证熔盐池内的熔盐不凝渣,并且使熔盐具有良好的流动性。

熔盐通过熔盐池流口流出落到布置一体化悬浮焚烧高浓度含盐有机废液锅炉下部的双轴冷却器中进行冷却,冷却后的固态盐落入水冷式刮板除渣机中,输送至打包车间进行打包。

焚烧锅炉炉膛出口1100℃的高温烟气进入到布置在焚烧锅炉后部的冷却室。

由于高浓度含盐有机废液中高含钠盐,钠盐的熔点较低,粘接性较强。

为此在冷却室中布置纵向冲刷的膜式壁屏式受热面,以确保在冷却室内烟气由1100℃快速降低至
550℃,使熔融态的熔盐急剧冷却到固态的脆性盐。

冷却室中部分熔盐粘接在膜式壁屏式受热面上,首先膜式壁管屏内汽水混合物温度较低,可以将熔盐急剧冷却到固态,其次由于膜式壁屏式受热面之间间距较大,熔盐无法搭桥,不会堵塞烟气流道,第三,熔盐粘接至膜式壁屏式受热面形成一层膜,达到一定厚度时在其自身的重力作用以及蒸汽吹灰器的作用下从膜式壁屏式受热面上脱落并落回熔盐池中。

为满足高浓度含盐有机废液焚烧的要求,设计冷却室出口烟气温度为550℃,如果高浓度含盐有机废液含氯时,冷却室出口接遏制二恶英生成的喷水降温装置,如果高浓度含盐有机废液不含氯时,冷却室出口可进一步增加锅炉对流受热面,尽可能利用烟气余热增加热能回收。

2　一体化悬浮焚烧高盐高浓度有机废液锅炉的主要技术创新措施
参考文献[5]提出了一种处理高浓度含盐有机废液的焚烧工艺及焚烧锅炉,存在以下缺点:(1)下行绝热炉膛容积过大,为保证充分燃烧,辅助燃料消耗量过大,造成废液处理成本增大;(2)下行绝热炉膛与第一辐射冷却室之间设置由若干片数的竖直与倾斜导流板,易造成导流板被熔盐堵塞,导致设备无法正常运行。

(3)下行绝热炉膛与第一辐射冷却室之间无遮烟墙,为维持环保标准要求的炉膛出口烟气温度≥1100℃,必须消耗大量辅助燃料;(4)多级辐射冷却室内未布置锅炉受热面,仅靠炉墙回收余热,余热回收效率低,为满足余热回收要求,多级辐射冷却室体积庞大,增加建设投资;(5)在烟气低温区仅布置纵向冲刷的对流管屏,纵向冲刷的对流管屏其传热效果差,造成排烟温度高,锅炉整体热效率低。

(6)下行绝热炉膛底部侧面设置敞口的液态排渣装置,不仅造成炉膛漏风,而且熔盐通过溜盐槽排出过程因降温而使熔盐粘附在溜盐槽上,逐渐造成溜盐槽堵塞无法正常工作。

一体化悬浮焚烧高盐高浓度有机废液锅炉的主要技术创新措施:
(1)采用膜式水冷壁敷设卫燃带的绝热燃烧室。

一方面对膜式水冷壁敷设的卫燃带有冷却保护作用,可以有效防止无机盐对卫燃带耐火材料的侵蚀,增加炉墙的使用寿命;另一方面可以减小辅助燃料的消耗量,卫燃带的敷设可以使炉膛辐射传热面积减小到炉膛包覆面积的0.2~0.25倍,在炉膛温度一定的情况下可以大大减小炉膛吸热量,从而减少辅助燃料的消耗量。

(2)采用顶喷废液雾化进入炉膛,可以实现悬浮焚烧,充分的悬浮焚烧可以确保废液中有机物彻底焚毁与燃烬。

通过雾化喷枪将高浓度含盐有机废液雾化成细小颗粒,从炉膛顶部喷入炉膛进行燃烧,实现蒸发、干燥、无机盐的崩裂与晶格间有机物的析出、有机物燃烧与燃烬、无机盐固态相变为液态等过程,配之以四角切圆的辅助燃料燃烧方式,可以增减烟气扰动和烟气在炉膛内停留时间,为采用高温焚烧方式环保处理创造了充分和必要条件。

(3)在绝热燃烧室之后设置由膜式壁炉墙围成的第一冷却室,第一冷却室内置膜式壁管屏的挂屏受热面。

从炉膛进入急冷室的高温烟气携带有熔融状态的无机盐细小颗粒,一方面粘附到膜式壁上形成一层膜,由于膜式壁的冷却作用,这层盐膜与膜式
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壁发生分离,在重力作用下会脱落,另一方面第一冷却室膜式壁炉墙及内置膜式壁管屏的挂屏受热面辐射吸热强度很大,瞬间将高温烟气急冷降温,烟气中熔融状态的无机盐又相变到固态盐。

膜式壁剥落及烟气温度急冷形成的无机盐依靠重力又回到绝热燃烧室底部的熔盐池中熔融溢流出炉外。

通过第一冷却室的急冷作用将气态或液态熔盐急冷到对后级其他部件无粘接性危害或者危害大大减小到可以采取吹灰措施消除的固态盐,为系统安全可靠无堵塞运行创造条件。

(4)在绝热燃烧室和第一冷却室之间设置遮烟墙,一方面减小了第一冷却室对绝热燃烧室的辐射吸热,稳定了绝热燃烧室温度,另一方面有利于绝热燃烧室高温烟气的扰动,增加烟气在绝热燃烧室中的高温停留时间,同时,由于遮烟墙的烟气导向作用和类似于一个大的文丘里的缩放作用,使得部分熔盐分离落入熔盐槽中熔融溢流出炉外。

(5)在绝热燃烧室底部和绝热燃烧转向室底部设置一个较大的熔盐槽,熔盐槽的侧墙装设熔盐再加热燃烧器,对第一冷却室沉积到熔盐槽的固盐再加热,使其充分达到液态,便于流淌而实施液态排盐的目的。

(6)整个熔盐槽底部倾斜集中到底部中心部位,在该中心部位专门设置一特殊结构的熔盐溢流装置,液态盐液在熔盐槽中流向熔盐溢流装置凸出部分,熔盐溢流装置凸出部分的中心部位根据熔盐流量设置一个熔盐溢流孔,熔盐通过该熔盐溢流孔流出炉外,呈一条红色液流流向双轴冷却器的熔盐入口,过程不与任何管道接触,避免了熔盐粘接管道内壁面,确保液态熔盐排放顺畅。

(7)对于高浓度含盐非含氯有机废液的焚烧,可在第一冷却室之后设置多级冷却室以及在冷却室中布置对流蒸发管屏,一方面进一步对第一冷却室出来的550℃左右烟气进行热能回收与烟气深层降温,另一方面烟气经过多级冷却室进行了多次180°转弯,依靠惯性重力作用将烟气中固态盐粒分离出来。

但对于高浓度含盐含氯有机废液的焚烧,第一冷却室出来的550℃左右烟气直接进入采用喷水降温方法的急冷塔中,直接喷水降温,以遏制二噁英类物质的形成。

(8)在多级冷却室后部(烟气温度≤250℃的位置)烟道中设置省煤器、空预器等烟气横向冲刷对流受热面,一方面烟气横向冲刷对流受热面,最大限度的使烟气与对流受热面碰撞,实现固态盐粒因对流受热面的进一步冷却和碰撞失去动力而分离出来,另一方面烟气在此过程中温度较低,烟气中固态无机盐颗粒粘附作用较弱,可以通过吹灰进行清除,但烟气横向冲刷比纵向冲刷的传热系数要大好几倍,可以更有效节省受热面材料来实现进一步降低烟气温度和提高锅炉热效率。

(9)高浓度含盐有机废液燃烧产生的烟气具有较强的腐蚀特性,在锅炉给水进入低温省煤器之前将给水先导入给水预热器,通过锅炉产生的饱和或者过热蒸汽对给水进行加热,对给水加热到的温度超过烟气酸露点温度以上,之后才导入低温省煤器,确保低温省煤器的可靠运行。

3　结论
一体化悬浮焚烧处理高浓度含盐有机废液锅炉突破了传统的废液焚烧和热能回收型式,使高浓度含盐有机废液焚烧机理明确、原理清晰,与同类产品相比,锅炉整体结构型式新颖、更简单、完善、合理。

(1)充分研究了高浓度含盐有机废液焚烧机理,创新了锅炉结构形式,采用倒“U”型膜式壁锅炉结构,解决了高浓度含盐有机废液焚烧难题;(2)创新了顶喷废液侧烧辅助燃料的悬浮室燃燃烧技术,以适应高浓度含盐有机废液焚烧以完全达到有机成分彻底焚毁的环保效果;(3)创新了膜式壁炉墙及挂屏式受热面、遮烟墙等锅炉结构技术,以适应高含盐高温烟气以及高含尘高温烟气的热能回收且长期可靠运行的要求;(4)创新了液态排盐技术,可以确保回收的无机盐中TOC(固形碳)含量近0,保证回收高浓度含盐有机废液焚烧后的无机盐可以直接循环利用,以实现废物资源化目的。

该锅炉不仅更好满足国家对高浓度含盐有机废液的环保处理标准要求,还具有适应高含盐高温烟气的热能可靠回收以及回收高纯度无机盐的结构特点,不仅实现了环保、节能,还实现了废物资源化,从高浓度含盐有机废液中提取了高纯度无机盐,供生产循环利用,实现绿色环保经济发展理念。

从已投入使用的多套该型一体化悬浮焚烧处理高浓度含盐有机废液锅炉运行情况看,该锅炉具有制造工艺简单、维修维护方便,能长期、可靠、连续、安全、稳定的环保运行,应用效果好,值得推广应用。

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(下转第255页)
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发现,索特平均直径的变化趋势与贯穿距离的变化趋势相反。

随着压力的增加,索特平均直径减小速率逐渐趋于平稳。

因此推测,再进一步增加入口压力对索特平均直径影响较小,但对贯穿距离影响较大。

4　结论
针对乏燃料后处理流化床中的利用空气辅助雾化喷嘴进行硝酸铀酰料液雾化的过程,利用欧拉-拉格朗日模拟方法对其雾化特性进行了数值模拟研究,不同气体入口压力条件下的雾化特性,获得了如下结论:
(1)针对喷嘴内气体的单相可压缩流动过程,气体的压力、速度和温度只在喷嘴出口附近压力发生显著变化,并且随着入口气体压力的增大,出口速度逐渐增大,出口压力逐渐减小,出口温度逐渐降低。

(2)针对喷嘴外的雾化特性模拟,获得了雾滴的索特平均直径,轴向速度和径向速度分布,在入口气体压力为0.4MPa时,雾滴粒径主要分布在0~ 20μm范围内,喷射贯穿距离约为0.267m。

随着气体入口压力从0.2MPa到0.5MPa逐渐增大,其索特平均直径逐渐减小,贯穿距离逐渐增大,雾化效果更好。

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