浅谈石油化工有机废物焚烧炉

[ 时间：2016-05-30 点击：63]

一、石化行业有机废物处理的现状
    目前在国外用焚烧方式处理废物十分普遍，采用的焚烧系统也是多种多样，一般都具有热能回收、烟气处理或者焚烧残渣处理系统。在我国的一些石化企业也逐步增设一些废物焚烧设施，但是由于种种原因，这些设施的运行状况基本都不怎么理想。经分析调查：投资高，运行费用高是制约这些设施正常运行的主要因素，进而也影响了焚烧技术的发展。但是从其高效快捷、适应性广泛以及对环境危害小的特点来看，焚烧技术未来的发展前景是非常乐观的，尤其对石化行业产生较多种类及数量的废物而言，焚烧是一种较为可行的途径。
二、焚烧炉主要系统
    焚烧炉是通过焚烧使废物中的有机成分彻底氧化分解，以达到减少废物体积、最大限度的消除有毒有害物质、回收可利用的能源和保护环境的一种设备。
整套焚烧处理系统大致可以分为助燃系统、焚烧系统、尾气处理系统、电控系统。当然一般焚烧炉成套装置还会配余热回收系统。
1、焚烧炉助燃系统
    助燃系统的主要设备就是燃烧器。其作用是点火开炉和辅助有机废物燃烧(当废物的热值较低时，不能维持自身燃烧，就需要燃烧器辅助燃烧)。一般采用天然气作为燃烧器的主燃料。天然气和空气在燃烧头内混合燃烧。可以通过调节参与燃烧的空气量和燃烧头的位置等来获得最佳的燃烧参数，使有机废物充分燃烧，达到排放标准。
燃烧器具有全自动管理燃烧程序、火焰自动检测、判断、故障提示等功能和火焰强度大，燃烧稳定，安全性能好、功率调整大等特点。
2、焚烧炉焚烧系统
    焚烧炉的焚烧系统主要是由耐火材料、保温材料、绝热材料砌筑在炉排上部的腔体，外部包以钢板防止烟气泄漏、以及保证炉体表面温度小于80^OC。炉膛一般分为一次燃烧室、二次燃烧室。有机物在一次燃烧室充分燃烧，在二次燃烧室里与二次进入的空气混合降温，保证后续余热锅炉的安全运行。
3、焚烧炉尾气处理系统
    焚烧炉焚烧产生的烟气往往含有颗粒粉尘，需要做净化处理。一般采用的是离心式除尘器：旋风分离器。集尘系统一般由集尘圆筒、倒锥和排气风管组成。
集尘系统工作原理：焚烧产生的含有颗粒粉尘的烟气在引风机的吸力作用下到达旋风除尘器。旋风除尘器利用离心降落原理从气流中分离出颗粒粉尘。旋风分离器上半部分为圆锥形，当含尘气体从圆筒上侧的进气管的切线方向进入时，获得旋转逆动。烟气从圆顶排气管排出，粉尘颗粒自圆锥形底落入集尘圆筒中。
4、焚烧炉电控系统
    电控系统主要集中在配电柜。主要包括：全套设备的供电主电源、电台设备的分供电控开关；全套设备和单台设备的启停控制以及保护回路、报警；操作面板等。基本采用集中控制。当然也有些设备为了操作观察的方便设置在现场控制。
电控系统对燃烧室的燃烧温度进行闭环控制，对供氧量进行闭环控制，保证了对不同的物料，在不同的燃烧过程中的优化控制，从而保证了物料的充分燃烧和排出烟气的质量。
三、焚烧炉的设计
     废物焚烧炉设计的基本原则，是使废物在炉膛内按规定的焚烧温度和足够的停留时间，达到完全燃烧。这就要求选择适宜的炉床，合理设计炉膛的形状和尺寸，增加废物与氧气接触的机会，使废物在焚烧过程中，水气易于蒸发、加速燃烧，以及控制空气及燃烧气体的流速及流向，使气体得以均匀混合。现分别从下面几个部分考虑焚烧炉的设计。
1、炉型
    在选择炉型时，首先应看所选择炉型的燃烧型态（控气式或过氧燃烧式）是否适合所处理的所有废物的性质。一般来说，过氧燃烧式焚烧炉较适合焚烧不易燃性废物或燃烧性较稳定的废物，如木屑、垃圾、纸类等；而控气式焚烧炉较适合焚烧易燃性废物，如塑料、橡胶与高分子石化废料等；机械炉排焚烧炉适用于城市垃圾的处理，而旋转窑焚烧炉适宜处理危险废物。此外，还必须考虑燃烧室结构及气流模式、送风方式、搅拌性能好坏、是否会产生短流或底灰易被扰动等因素。焚烧炉中气流的走向取决于焚烧炉的类型和废物的特性。
多膛式焚烧炉的取向与流化床焚烧炉一样，通常是垂直向上燃烧的；
回转窑焚烧炉通常是向斜下方向燃烧；
多燃烧室焚烧炉的燃烧方向一般是水平向的；
液体喷射式焚烧炉、废气焚烧炉及其他圆柱型的焚烧炉可取任意方向，
具体形式取决于待焚烧的废物形态及性质。当燃烧产物中含有盐类时，宜采用垂直向下或下斜向燃烧的设计类型，以便于从系统中清除盐分。
焚烧炉的炉体可为圆柱形、正方形或长方形的容器。旋风式和螺旋燃烧室焚烧炉采用圆柱形的设计方案；液体喷射炉、废气焚烧炉及多燃烧室焚烧炉虽然既可以采用正方形也可以采用长方形的设计，但是圆柱形燃烧室仍是较好的结构形式。将耐火的顶部设计成正方形或长方形往往是非常困难的。大型焚烧炉二次燃烧室多为直立式圆筒或长方体，顶端装有紧急排放烟囱，中、小型焚烧炉二次燃烧室则多为水平圆筒形。
    2、送风方式
     就单燃烧室焚烧炉而言，助燃空气的送风方式可分为炉床上送风和炉床下送风两种，一般加入超量空气100％~300%，即空气比在2.0~4.0之间。
     对于两段式控气焚烧炉，在第一燃烧室内加入70％~80％理论空气量，在第二燃烧室内补足空气量至理论空气量的140％~200％。因第一燃烧室中是缺氧燃烧，故增加空气流量会提高燃烧温度；但第二燃烧室中是超氧燃烧，增加空气流量则会降低燃烧温度。二次空气多由两侧喷入，以加速室内空气混合及湍流度。
     从理论上讲强制通风系统与吸风系统差别很小。吸风系统的优点是可以避免焚烧烟气外漏，但是由于系统中常含有焚烧产生的酸性气体，必须考虑设备的腐蚀间题。
     3、炉膛尺寸的确定
      废物焚烧炉炉膛尺寸主要是由燃烧室允许的容积热强度和废物焚烧时在高温炉膛内所需的停留时间两个因素决定的。通常的做法是按炉膛允许热强度来决定炉膛尺寸，然后按废物焚烧所必须的停留时间加以校核。
      考虑到废物焚烧时既要保证燃烧完全，还要保证废物中有害组分在炉内一定的停留时间，因此在选取容积热强度值时要比一般燃料燃烧室低一些。
      炉排式焚烧炉或炉床式焚烧炉的燃烧室（即炉膛）尺寸，要适应各种炉排及炉床的特殊要求。首先应按照炉排或炉床的面积热负荷（QR）或机械燃烧强度（Qf）来决定燃烧室截面尺寸，然后再按燃烧室容积热负荷（Qv）来决定炉膛高度。燃烧室容积热负荷一般为(40~100)×104kJ/(m3h)，取决于炉型和废物类型，当计算所得容积过小时应适当放大，以便于炉子的砌筑、安装和检修。
关于废物焚烧炉炉膛尺寸的大小，即允许容积热强度值的高低，与被焚烧的废物种类、热值、燃烧装置的型式及炉内燃烧上况等因素有关。如果燃烧装置的燃烧效率较高，炉内燃烧温度较高，则可取较高的允许热强度值；反之则取较低值。以上所提供的数值是对一般情况而言，较合宜的数据将根据不同的物料、炉型等因素参照生产实践而定。
     4、燃烧装里与炉膛结构
      以液体燃料和气体燃料作为辅助燃料时，由于燃烧速度快，通常可将燃料喷嘴与废物设在同一个燃烧室中。但必须注意，对于热值较低的废液喷嘴或废气喷嘴的设置应远离燃料喷嘴，即要避免冷的废物气流（尤其是含有大量水的废液）喷到燃烧点火区，否则将导致点火区温度急剧下降，使燃烧条件变差，从而影响废液、废气的焚烧。因此合理地布置燃料喷嘴的位置及废液（废气）喷嘴的位置是很重要的。即应使废液（废气）喷到燃料完全燃烧后的区域中去；如果一次燃烧不能完全，则应设置二次燃烧喷嘴。对于固体废物的焚烧，则燃料喷嘴通常是对废物进行加热的。
      当焚烧具有相当热值的废液或废气时，只须补充少量的燃料油或煤气。如有可能可以设计成组合式燃烧喷嘴，组合燃烧喷嘴既作燃料喷嘴.又作废液喷嘴或废气喷嘴。这样不仅结构紧凑，而且废液（废气）与高温气流的接触情况也有所改善。
      设计燃烧喷嘴时应注意的要点有：
     （1）第一燃烧室的燃烧喷嘴主要用于启炉点火与维持炉温，第二燃烧室的燃烧喷嘴则为维持足够温度以破坏未燃尽的污染气体；
     （2）燃烧喷嘴的位置及进气的角度必须妥善安排，以达最佳焚烧效率，火焰长度不得超过炉长，避免直接撞击炉壁，造成耐火材料破坏；
     （3）应配备点火安全监测系统，避免燃料外泄及在下次点火时发生爆炸；
     （4）废物不得堵塞燃烧喷嘴火焰喷出口，造成火焰回火或熄灭。
     5、炉衬结构和材料
      炉衬材料要根据炉膛温度的高低选用能承受焚烧温度的耐火材料及隔热材料，并应考虑被焚烧废物及焚烧产物对炉衬的腐蚀性。焚烧碱性废水时，燃烧产物中的碱性熔融物对普通粘土耐火砖的腐蚀性很强，因此要选用氧化铝含量较高的高铝耐火材料，或选用抗碱性腐蚀更好的铬镁质、镁质及铝镁质耐火材料。为了抵抗盐碱等介质的渗透和浸蚀，并提高材质的抗渣性，一般应选用气孔率较小的材质。
      选用焚烧炉炉衬材料时，应注意炉内不同部位的温度和腐蚀情况，根据不同部位工作条件采用不同等级的材质。如燃烧室最高温度为1400-1600℃，可选用含Al2O3=90%的刚玉砖；炉膛上部工作温度为900-1000℃，锥部设有废液喷嘴，可选用含Al2O3>75%的高铝砖；炉膛中部温度为900℃，但熔融的盐碱沿炉衬下流，炉衬腐蚀较重，可选用一等高铝砖；炉膛下部工作条件基本和炉膛中部相同，当燃烧产物中有大量熔融盐碱时，因熔融物料在斜坡上聚集，停留时间长.易渗入耐火材料中，如有Na2CO3时腐蚀严重，因此工作条件比炉膛中部恶劣，应选用孔隙率较低的致密性材料，如选用电熔耐火材料制品等。要求衬里不腐蚀、不损坏是不可能的。通常在有Na2SO3、NaOH腐蚀时，采用较好的材质，使用寿命也只有2-3年。对腐蚀性更强的Na2CO3，则使用寿命仅一年左右。
      焚烧炉炉衬结构设计除材料的选用上要考虑承受高温、抵抗腐蚀之外，还要考虑炉衬支托架、锚固件及钢壳钢板材料的耐热性和耐腐蚀性，以及合理的炉衬厚度等问题。应采用整体性、严密性好的耐火材料作炉衬，如采用耐热混凝土、耐火塑料等，以减少砖缝的窜气。另外炉墙厚度不能过大，炉壁温度应较高，以免酸性气体被冷凝下来腐蚀炉壁。然而炉壁温度也不应设计得过高，过高的温度会引起壳板变形，影响环境。
      6、废气停留时问与炉温
      废气停留时间与炉温应根据废物特性而定。处理危险废物或稳定性较高的含有机性氯化物的一般废物时，废气停留时问需延长，炉温应提高；若为易燃性或城市垃圾，则停留时间与炉温在设计方面可酌量降低。
      不过一般而言.若要使CO达到充分破坏的理论值，停留时间应在0.5s以上，炉温在700℃以上，但任何一座焚烧炉不可能充分扰动扩散，或多或少皆有短流现象，而且未燃的碳颗粒部分仍会反应成CO，故在操作时，炉温应维持1000℃，面停留时间以1s以上为宜。若炉温升高，停留时间可以降低；相对地，炉温降低时，停留时间需要加长。 应该指出，确定废气停留时间及炉温时，最重要的是应该参照有关法规的规定而定。
      7、进料与排灰系统
      焚烧炉进料系统应尽可能保持气密性，焚烧系统大多采用负压操作。若进料系统采用开放式投料或密闭式进料中气密性不佳，冷空气渗入炉内会导致炉温下降，破坏燃烧过程的稳定性，使烟气中CO与粒状物浓度急剧上升。
      排灰系统应设有灰渣室，采用自动排灰设备。否则容易造成燃烧过程中累积炉灰随气流的扰动而上扬，增加烟气中粒状物浓度。
8、金属材料腐蚀
      焚烧烟气中的硫氧化物（SOx）及氯化氢〔HCl）等有害气体均对金属材料有腐蚀性，但在不同的废气温度环境中腐蚀程度不同。图2给出了金属的腐蚀速率与金属表面温度的关系：废气温度在320℃以上时，氯化铁及碱式硫酸铁形成（320-480℃）及分解(480-800℃），称为高温腐蚀区；废气温度在硫酸露点温度（约为150℃）以下时，为电化学腐蚀，称为低温腐蚀区，其中废气温度在100℃以下发生的腐蚀，则称为湿蚀区。高温腐蚀是高温酸性气体（包括SO2、SO3、H2S、HCl等）长时间与金属材料接触所致；低温腐蚀是酸性气体在露点以下时，与烟气中的水分凝缩成浓度较高的硫酸、亚硫酸、盐酸等浓滴，与金属材料接触所造成的腐蚀。

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