4.3 有机废液焚烧与能源化利用_环境能源工程-QQ阅读男生都市网

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4.3　有机废液焚烧与能源化利用

工业生产中产生的有机废液种类极其繁多，废液的热值取决于其中有机物的含量。在焚烧处理时，根据其热值的高低确定是否需要辅助燃料。

4.3.1　有机废液焚烧的工艺过程

有机废液焚烧的一般工艺过程为：有机废液→预处理→高温焚烧→余热回收→烟气处理→烟气排放。

（1）预处理

由于有机废液的来源及成分不同，通常都要进行预处理使其达到焚烧要求。

①一般的有机废液中都含有固体悬浮颗粒，而有机废液常采用雾化焚烧方式，因此在焚烧前需要过滤，去除有机废液中的悬浮物，防止固体悬浮物堵塞雾化喷嘴，使炉体结垢。

②不同工业废液的酸碱度不同。酸性废液进入焚烧炉会造成炉体腐蚀，而碱性废液更易造成炉膛的结焦结渣。因此有机废液在进入焚烧炉前需进行中和处理。

③低黏度的有机废液有利于泵送和喷嘴雾化，所以可采用加热或稀释的方法降低有机废液的黏度。

④喷液、雾化过程在废液焚烧过程中十分重要。雾化喷嘴的大小、嘴形直接关系到液滴的大小和液滴凝聚，因此需要选好合适的喷嘴和雾化介质。

⑤不适当的混合会严重限制某些能作为燃料的废物的焚烧，合理的混合能促进多组分废液的焚烧。混合组分的反应度和挥发性是提高混合方法效果的重要因素，混合物的黏性也十分重要，因为它影响雾化过程。合理的混合方法可以减少液滴的微爆现象。

（2）高温焚烧

有机废液的焚烧过程大致分为水分的蒸发、有机物的气化或裂解、有机物与空气中的氧发生燃烧反应三个阶段。焚烧温度、停留时间、空气过剩量等焚烧参数是影响有机废液焚烧效果的重要因素，在焚烧过程中要进行合适的调节与控制。

①大多数有机废液的焚烧温度范围为900～1200℃，最佳的焚烧温度与有机物的构成有关。

②停留时间与废液的组成、炉温、雾化效果有关。在雾化效果好、焚烧温度正常的条件下，有机废液的停留时间一般为1～2s。

③空气过剩量的多少大多根据经验选取。空气过剩量大，不仅会增加燃料消耗，有时还会造成副反应。一般空气过剩量选取范围为20%～30%。

④对于工业废液中出现的挥发性有机化合物，可采用催化焚烧的方式，即对焚烧的废液进行催化氧化后再焚烧，此举可以降低运行温度，减少能量消耗。对于抗生物降解的有机废液，可以采用微波辐射下的电化学焚烧，它不会产生二次污染，容易实现自动化。

（3）余热回收

余热回收是将高浓度有机废液焚烧产生的热量加以回收利用，既节能又环保。常用的余热利用设备主要包括余热锅炉、空气换热器等。余热锅炉多用在废液热值高且处理量大的废液焚烧系统中。在处理规模较小的废液焚烧处理系统中多利用空气换热器，将空气预热后输送至焚烧炉中，达到余热利用的目的。余热利用需要尽量避免二英类物质合成的适宜温度区间（300～500℃）。

余热回收装置并不是废液焚烧炉的必要组件，其是否安装取决于焚烧炉的产热量，产热量低的焚烧炉安装余热回收装置是不经济的。余热回收设计还需考虑废液焚烧产生的HCl、SO_x等物质的露点腐蚀问题，要控制腐蚀条件，选用耐腐蚀材料，保证其不进入露点区域。

（4）烟气处理

由于有机废液成分复杂，多含有氮、磷、氯、硫等元素，焚烧处理后会产生SO₂、NO_x、HCl等酸性气体，不但污染大气，而且降低了烟气的露点，造成炉膛腐蚀和积灰，影响锅炉的正常运行。因此，焚烧装置必须考虑二次污染问题，产生的烟气必须经过脱酸处理后才能排放到大气中。美国EPA要求所有焚烧炉必须达到以下三条标准：a．主要危险物P、O、H、C的分解率、去除率≥99.9999%；b．颗粒物排放浓度34～57mg/m³（干，标）；c．烟气中HCl/Cl₂值为（21～600）×10^-6，干基，以HCl计。我国出台的《危险废物焚烧污染控制标准》（GB 18484—2014），对高浓度有机废液等危险废物焚烧处理的烟气排放进行了严格的规定。

烟气脱酸的方式主要有三种：湿法脱酸、干法脱酸和半干法脱酸。高浓度有机废液焚烧系统中采用何种方式脱酸与废液的成分有关。当废液中N、S、Cl等成分的含量少时，可采用干法脱酸；当废液中含有大量N、S、Cl等成分时，可采用湿法脱酸；一般情况下，国内废液焚烧系统多采用半干法脱酸。半干法脱酸是干法脱酸和湿法脱酸相结合的一种烟气脱酸方法，结合了干法和湿法的优点，构造简单，投资少，能源消耗少。

高浓度有机废液在焚烧过程中会产生飞灰等颗粒物，因此在烟气排放前还须对其进行除尘处理，降低烟尘排放。烟气除尘多采用除尘器进行去除，常用除尘器主要有旋风除尘器、袋式除尘器、静电除尘器等。在上述除尘器中，袋式除尘器主要是通过精细的布袋将烟气进行过滤，从而去除烟气中的飞灰，除尘效率能够达到99%以上，因此在高浓度有机废液焚烧系统中的应用率较高。袋式除尘器必须采取保温措施，并应设置除尘器旁路。为防止结露和粉尘板结，袋式除尘器宜设置热风循环系统或其他加热方式，维持除尘器内温度高于烟气露点温度20～30℃。袋式除尘器应考虑滤袋材质的使用温度、阻燃性等性能特点，袋笼材质应考虑使用温度、防酸碱腐蚀等性能特点。

4.3.2　有机废液焚烧设备

有机废液焚烧设备多种多样，对于不同的有机废液，可以采用不同的炉型。常用的有机废液焚烧设备有液体喷射焚烧炉、回转窑焚烧炉、流化床焚烧炉等。

4.3.2.1　液体喷射焚烧炉

高浓度难降解有机废液的焚烧常选用液体喷射焚烧系统。液体喷射焚烧系统由以下几部分组成：a．废液预处理系统；b．废液雾化系统；c．助燃及燃烧系统（焚烧炉）；d．尾气处理系统；e．电气控制系统。其工艺流程如图4-41所示。

图4-41　废液焚烧处理工艺流程

各系统的功能分别为：

①废液预处理系统。为防止废液雾化器的堵塞，需要对废液进行预处理，通过螺杆泵将废液加压通过过滤器以去除废液中较大的固体颗粒物，之后进入储液罐。废液在储液罐内存放一定的时间，使废液中密度较大的颗粒物、重组分能够沉淀到储罐底部，同时也可达到使废液水质均匀混合的目的。储罐底部装有排污阀，以便定期清除罐内沉淀物。经过滤后的废液用加压泵送入雾化器。

②废液雾化系统。对于废液焚烧炉来说，废液的雾化效果直接影响着废液的燃烧速率和燃尽效果，废液雾化系统主要包括雾化泵和废液喷枪。加压泵一般选用螺杆泵，具有耐腐蚀、运行稳定的特点，系统内设有计量装置，用来计量废液的处理量。

③助燃系统。当废液中水分较多且热值较低时，废液不能维持自身的燃烧，需采用辅助燃料助燃。助燃系统的主要设备有油箱、油泵、燃烧器。油料由油泵加压送入燃烧器，经喷雾雾化后喷入炉膛燃烧，同时炉膛内鼓入一次风，保证废液与油料燃烧所需的空气量。空气量不能过大，过大会带走炉内的热量，使燃烧不能正常进行；空气量也不能过小，太小会使燃烧不完全。一般空气量取理论需求量的1.2～2.0倍即可。

④焚烧炉炉体。焚烧炉炉体是整个焚烧系统的核心部分，液体喷射焚烧炉用于处理可以用泵输送的液体废弃物，其简易结构如图4-42所示。通常为内衬耐火材料的圆筒（水平或垂直放置），配有一级或二级燃烧器2、6。废液通过喷嘴雾化为细小液滴，在高温火焰区域内以悬浮态燃烧。可以采用旋流或直流燃烧器，以便废液雾滴与助燃空气充分混合，增加停留时间，使废液在高温区内充分燃烧。废液雾滴在燃烧室内的停留时间一般为0.3～2.0s，焚烧炉炉温一般为1200℃，最高温度可达1650℃。良好的雾化是达到有害物质高分解率的关键，常用的雾化技术有低压空气雾化、蒸汽雾化和机械雾化。一般高黏度废液应采用蒸汽雾化，低黏度废液可采用机械雾化或空气雾化。为了防止焚烧爆炸性液体时产生爆炸现象，在炉膛顶部设置有卸爆阀5。同时为了清除炉内的残渣，设有排渣炉门7。

图4-42　焚烧炉简易结构示意图

1—废液雾化器；2—一级燃烧器；3—炉膛；4—炉壁；5—卸爆阀；6—二级燃烧器；7—排渣炉门

⑤尾气处理系统。尾气处理系统主要包括吸收塔、除雾器、尾气引风机、碱液池、碱液泵等。焚烧炉排出的烟气首先经过热交换器将烟气中的热能回收利用，同时也降低了烟气的温度，降温后的烟气进入吸收塔，用碱液洗涤除去烟气中的酸性组分及残余的细粉尘。经过净化处理后的烟气流进除雾器。除雾器内装有填料，含水汽的烟气流经除雾器时，与塔内填料不断撞击，使烟气中的小液滴吸附在填料表面，随着烟气的流动，液滴不断扩大形成水流，最后从除雾器底部排出。除雾器的烟气由引风机通过烟囱排放，最终达到《危险废物焚烧污染控制标准》（GB 18484—2014）。

液体喷射焚烧炉用于处理可以用泵输送的液体废弃物，主要分为卧式和立式两种。

（1）卧式液体喷射焚烧炉

图4-43所示为典型的卧式液体喷射焚烧炉炉膛。辅助燃料和雾化用蒸汽或空气由燃烧器进入炉膛，火焰温度为1430～1650℃，废液经蒸汽雾化后与空气由喷嘴喷入火焰区燃烧。在燃烧室内的停留时间为0.3～2.0s，焚烧炉出口温度为815～1200℃，燃烧室出口空气过剩系数为1.2～2.5，排出的烟气进入急冷室或余热锅炉回收热量。卧式液体喷射焚烧炉一般用于处理含灰量很少的有机废液。

图4-43　典型的卧式液体喷射焚烧炉炉膛

1—炉膛；2—耐火衬里；3—炉膛横截面

（2）立式液体喷射焚烧炉

典型的立式液体喷射焚烧炉如图4-44所示，适用于焚烧含较多无机盐和低熔点灰分的有机废液。其炉体由碳钢外壳与耐火砖、保温砖砌成，有的炉子还有一层外夹套以预热空气。炉子顶部有重油喷嘴，重油与雾化用蒸汽在喷嘴内预混合后喷出。燃烧用的空气先经炉壁夹层预热后，在喷嘴附近通过涡流器进入炉内，炉内火焰较短，燃烧室的热强度很高，废液喷嘴在炉子的上部，废液用中压蒸汽雾化，喷入炉内。对于大多数的有机废液，其最佳燃烧温度为870～980℃。有机物在很短的时间内燃烧分解。在焚烧过程中，某些盐、碱的高温熔融物与水接触会发生爆炸。为了防止爆炸的发生，采用了喷水冷却的措施。在焚烧炉炉底设有冷却罐，由冷却罐出来的烟气经文丘里洗涤器洗涤后排入大气。

图4-44　典型的立式液体喷射焚烧炉

1—废液喷嘴部分空气进口；2—废液喷嘴进口；3—燃烧空气入口；4—视镜；5—燃料喷嘴；6—点火口；7—测温口；8—上部法兰；9—耐火衬里；10—炉体外筒；11—人孔；12—取样口；13—冷却水进口；14—废气出口；15—连接管；16—锥形帽；17—带孔挡板；18—排液器；19—冷却罐；20—防爆孔；21—支座

有机废液喷射焚烧炉的优点是：a．可处理的废液种类多，处理量大，适用范围广；b．炉体结构简单，无运动部件，运行维护简单；c．设备造价相对较低。其缺点是无法处理黏度非常高而无法雾化的高浓度有机废液。

4.3.2.2　回转窑焚烧炉

回转窑焚烧炉是采用回转窑作为燃烧室的回转运行的焚烧炉，用于处理固态、液态和气态可燃性废物，对组分复杂的废物，如沥青渣、有机蒸馏釜残渣、焦油渣、废溶剂、废橡胶、卤代芳烃、高聚物，特别是含PCB（印制电路板）的废物等都很适用。美国大多数危险废物处置厂采用这种炉型。该炉型的优点是可处理废物的范围广，可以同时处理固体、液体和气体废物，操作稳定、焚烧安全，但管理复杂，维修费用高，一般耐火衬里每两年更换一次。

典型的回转窑焚烧炉系统如图4-45所示。废液和辅助燃料由前段进入，在焚烧过程中，圆筒形炉膛旋转，使废液和废物不停翻转，充分燃烧。该炉膛外层为金属圆筒，内层一般为耐火材料衬里。回转窑焚烧炉通常稍微倾斜放置，并配以后置燃烧器。一般炉膛的长径比为2～10，转速为1～5r/min，安装倾角为1°～3°，操作温度上限为1650℃。回转窑的转动将废物与燃气混合，经过预燃和挥发将废液转化为气态和残态，转化后气体通过后置燃烧器的高温度（1100～1370℃）进行完全燃烧。气体在后置燃烧器中的平均停留时间为1.0～3.0s，空气过剩系数为1.2～2.0。

图4-45　典型的回转窑焚烧炉系统

回转窑焚烧炉的平均热容约为63×10⁶kJ/h。炉中焚烧温度（650～1260℃）的高低取决于两方面：一方面取决于废液的性质，对于含卤代有机物的废液，焚烧温度应在850℃以上，对于含氰化物的废液，焚烧温度应高于900℃；另一方面取决于采用哪种除渣方式（湿式还是干式）。

回转窑焚烧炉内的焚烧温度由辅助燃料燃烧器控制。因回转窑炉膛内不能有效去除焚烧产生的有害气体，如二英、呋喃和PCB等，为了保证烟气中有害物质的完全燃烧，通常设有燃尽室，当烟气在燃尽室内的停留时间大于2s、温度高于1100℃时，上述物质均能很好地消除。燃尽室出来的烟气通过余热锅炉回收热量，用以产生蒸汽或发电。

4.3.2.3　流化床焚烧炉

流化床焚烧炉内衬耐火材料，下面由布风板构成燃烧室。燃烧室分为两个区域，即上部的稀相区（悬浮段）和下部的密相区。

流化床焚烧炉的工作原理是：流化床密相区床层中有大量的惰性床料（如煤灰或砂子等），其热容很大，能够满足有机废液的蒸发、热解、燃烧所需大量热量的要求。由布风装置送到密相区的空气使床层处于良好的流化状态，床层内传热工况十分优越，床内温度均匀，稳定维持在800～900℃，有利于有机物的分解和燃尽。焚烧后产生的烟气夹带着少量固体颗粒及未燃尽的有机物进入流化床稀相区，由二次风送入的高速空气流在炉膛中心形成一旋转切圆，使扰动强烈，混合充分，未燃尽成分在此可继续进行燃烧。

与常规焚烧炉相比，流化床焚烧炉具有以下优点：

①焚烧效率高。流化床焚烧炉由于燃烧稳定，炉内温度场均匀，加之采用二次风增加炉内的扰动，炉内的气体与液体混合强烈，废液的蒸发和燃烧在瞬间就可以完成。未完全燃烧的可燃成分在悬浮段内继续燃烧，使得燃烧非常充分。

②对各类废液的适应性强。由于流化床层中有大量的高温惰性床料，床层的热容大，能提供低热值高水分废液蒸发、热解和燃烧所需的大量热量，所以流化床焚烧炉适合焚烧各种水分含量和热值的废液。

③环保性能好。流化床焚烧炉采用低温燃烧和分级燃烧，所以焚烧过程中NO_x的生成量很小，同时在床料中加入合适的添加剂可以消除和降低有害焚烧产物的排放，如在床料中加入石灰石可中和焚烧过程中产生的SO_x、HCl，使之达到环保要求。

④重金属排放量低。重金属属于有毒物质，升高焚烧温度将导致烟气中粉尘的重金属含量大大增加，这是因为重金属挥发后转移到粒径小于10m的颗粒上，某些焚烧实例表明：铅、镉在粉尘中的含量随焚烧温度呈指数增加。由于流化床焚烧炉的焚烧温度低于常规焚烧炉，因此重金属的排放量较少。

⑤结构紧凑，占地面积小。由于流化床焚烧炉的燃烧强度高，单位面积的废弃物处理能力大，炉内传热强烈，还可实现余热回收装置与焚烧炉一体化，所以整个系统结构紧凑，占地面积小。

⑥事故率低，维修工作量小。由于流化床焚烧炉没有易损的活动零件，所以可减少事故率和维修工作量，进而提高焚烧装置运行的可靠性。

然而，在采用流化床焚烧炉处理含盐有机废液时也存在一定的问题。当焚烧含有碱金属盐或碱土金属盐的废液时，在床层内容易形成低熔点的共晶体（熔点在635～815℃之间），如果熔化盐在床内积累，则会导致结焦、结渣，甚至流化失败。如果这些熔融盐被烟气带出，就会黏附在炉壁上固化成细颗粒，不容易用洗涤法去除。解决这个问题的办法是：向床内添加合适的添加剂，它们能够将碱金属盐类包裹起来，形成像耐火材料一样的熔点在1065～1290℃之间的高熔点物质，从而解决了低熔点盐类的结垢问题。添加剂不仅能控制碱金属盐类的结焦问题，而且还能有效控制废液中含磷物质的灰熔点。但对于具体情况，需进行深入研究。

流化床焚烧炉运行的最高温度通常取决于：a．废液组分的熔点；b．共晶体的熔化温度；c．加添加剂后的灰熔点。流化床废液焚烧炉的运行温度通常为760～900℃。

流化床焚烧炉有两种操作方式，即鼓泡流化床焚烧炉和循环流化床焚烧炉，取决于空气在床内空截面的速度。随着空气速度的提高，床层开始流化，并具有流体特性。进一步提高空气速度，床层膨胀，过剩的空气以气泡的形式通过床层，这种气泡将床料彻底混合，迅速建立烟气和颗粒的热平衡。以这种方式运行的焚烧炉称为鼓泡流化床焚烧炉，如图4-46所示。鼓泡流化床内空截面烟气速度一般为1.0～3.0m/s。

图4-46　鼓泡流化床焚烧炉

1—预热燃烧器；2—布风装置
工艺条件：焚烧温度760～1100℃；平均停留
时间1.0～5.0s；过剩空气100%～150%

当空气速度更高时，颗粒被烟气带走，在旋风筒内分离后，回送至炉内进一步燃烧，实现物料的循环。以这种方式运行的焚烧炉称为循环流化床焚烧炉，如图4-47所示。循环流化床焚烧炉内的空截面烟气速度一般为5.0～6.0m/s。

图4-47　循环流化床焚烧炉系统

1—进风口；2—旋风分离器；3—余热利用锅炉；
4—布袋除尘器；5—引风机；6—烟囱；
7—排渣输送系统；8—燃烧室

循环流化床焚烧炉可燃烧固体、气体、液体和污泥，可采用向炉内添加石灰石的方法来控制SO_x、HCl、HF等酸性气体的排放，而不需要昂贵的湿式洗涤器，HCl的去除率可达99%以上，主要有害有机化合物的破坏率可达99.99%以上。在循环流化床焚烧炉内，废物处于高气速、湍流状态下焚烧，其湍流程度比常规焚烧炉高，因而废物不需雾化就可燃烧彻底。同时，由于焚烧产生的酸性气体被去除，因而避免了尾部受热面遭受酸性气体的腐蚀。

循环流化床焚烧炉排放烟气中NO_x的含量较低，其体积分数通常小于100×10^-6。这是由于循环流化床焚烧炉可实现低温、分级燃烧，从而降低了NO_x的排放。

循环流化床焚烧炉运行时，废液、固体废物与石灰石可同时进入燃烧室，空截面烟气速度为5～6m/s，焚烧温度为790～870℃，最高可达1100℃，气体停留时间不低于2s，灰渣经水间接冷却后从床底部引出，尾气经废热锅炉冷却后，进入布袋除尘器，经引风机排出。

表4-2为几种常规焚烧炉与流化床焚烧炉的比较结果。可以看出，流化床焚烧炉（包括鼓泡流化床焚烧炉和循环流化床焚烧炉）在处理废液方面具有明显的优越性。正是由于流化床焚烧炉的上述优点，在工业发达国家，它已被广泛用于处理各种废弃物。

表4-2　几种常规焚烧炉与流化床焚烧炉的比较结果

注：CFB表示循环流化床焚烧炉；￥表示循环流化床焚烧炉的费用（作为比较基准），￥￥表示循环流化床焚烧炉费用的两倍。

4.3.3　有机废液焚烧存在的问题

采用焚烧法处理高浓度有机废液具有占地面积小、焚烧处理彻底、可回收热量等特点，具有广阔的应用前景，但必须同时解决以下几个不可避免的问题：

（1）焚烧过程中有害物质的排放

有机废液中含有聚氯乙烯、氯苯酚、氯苯、多氯联苯（PCB）等类似结构的物质，在焚烧过程中会反应生成二英。二英的排放不易控制是高浓度有机废液焚烧处理工艺应用的一个难点，主要原因是二英的形成机理至今仍未研究透彻。一般抑制二英的生成可采取以下方法：a．提高焚烧温度，一般应≥800℃，并保证烟气的停留时间，保证有机废液在焚烧炉内充分燃烧。在焚烧炉中，利用3T+1E（指温度、时间、扰动和过剩空气系数）综合控制的原则，确保有机废液中的有害成分充分分解。b．加入辅助燃料煤，利用煤中的硫抑制二英的生成。c．尽可能充分燃烧以减少烟气中的碳含量。d．使冷却烟道尾部的烟气温度迅速下降，尽量缩短其在500～300℃温度段的停留时间，避免二英在此温度段的再合成。e．高效的烟气除尘设施。由于烟气的飞灰中可能吸附有二英，必须加以去除。目前一般是采用袋式除尘器进行除尘，收集的飞灰经进一步固化后，安全填埋。f．利用活性炭部分吸附尾气中的二英。