废液焚烧炉的研究进展

陈金思，施银燕，胡献国

（1.合肥徽锐工程科技有限公司，合肥 230009；2.合肥工业大学机械与汽车工程学院，合肥 230009）

废液焚烧炉的研究进展

陈金思1、2，施银燕2，胡献国2

（1.合肥徽锐工程科技有限公司，合肥 230009；2.合肥工业大学机械与汽车工程学院，合肥 230009）

焚烧法是目前实现废液减量化无害化和资源化的有效处理方法，焚烧炉的设计与选择对于处理效果有着至关重要的影响。本文重点介绍了目前国内外三种常见的废液处理焚烧炉的特性及其发展趋势，在此基础上尝试对目前使用的各种焚烧炉运行中的关键问题进行了探讨。

废液;焚烧炉;研究进展

随着全球经济的发展和城市化进程的加快，工业废水和生活污水排放量日益增加，污染十分严重。其中BOD＞100mg/L、COD＞2000mg/L的有机废水通常被称为高浓度有机废液[1]。这些废液通常具有可燃性、腐蚀性、急性毒性、浸出毒性、反应性、传染性、致癌、致畸、致突变等一种或几种危害特性[2]。

常见的处理有机废液的方法有溶剂萃取法[3]、膜分离法[4-5]、氧化法[6-8]、吸附法[1]和焚烧法[9]。其中溶剂萃取法、膜分离法、氧化法、吸附法都很难彻底消除有机废液的危害，且容易造成二次污染。目前国外发达国家普遍采用焚烧法处理废液，高浓度有机废液的焚烧设备多种多样，对于不同的工业废液，可以采用不同的炉型。本文从废液的焚烧流程入手，对常用的焚烧炉类型以及运行中的关键问题进行了综述，并说明了未来的发展趋势。

1 废液焚烧的一般流程

按RCRA及美国国家环保局的规定[10]，所有送焚烧厂的废液都必须经过试烧、检测和登记，对废液的包装、运输、贮存都必须有统一标记、标签和登记卡片，要有专用车辆和指定的运输路线，其管理和焚烧流程见图1。从图1中可以看出，废液的焚烧涉及到诸多环节，如果处理不好不但费时费力还达不到预期效果，因此，废液焚烧炉的设计与选择对于焚烧效果至关重要。

图1 废液管理和焚烧流程

2 几种典型的废液焚烧炉

废液焚烧炉一般由废液贮存和输送系统、辅助燃料系统、供风系统、废液燃烧器、燃烧室、能量回收利用、系统烟气处理系统和监测控制系统等部分组成。根据炉体特征应用最广泛的废液焚烧炉可分为液体喷射型焚烧炉、流动床和回转窑三类。

2.1 液体喷射型焚烧炉

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，图2为典型的卧式液体喷射焚烧炉，图3为典型的立式液体喷射焚烧炉。其结构通常为内衬耐火材料的圆筒（水平或垂直放置），配有一个或多个燃烧器。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良好混合，延长停留时间，使废液在高温区内充分燃烧。废液雾滴在燃烧室停留时间一般为0.3～2.0s，最高温度可达1650℃。良好的雾化是达到有害物质高破坏（燃烧）率的关键。常用的雾化技术有低压空气、蒸气和机械雾化。一般高黏度废液应采用蒸气雾化喷嘴，低黏度废液可采用机械雾化或空气雾化喷嘴。目前常用的喷嘴有转杯式机械雾化喷嘴、加压机械物化片式喷嘴、旋流式废液喷嘴、碟形旋流式废液喷嘴、蒸气雾化喷嘴、空气雾化喷嘴及组合喷嘴等[11]。

图2 典型的卧式液体喷射焚烧炉

图3 典型的立式液体喷射焚烧炉

液体喷射型焚烧炉的特点是技术成熟，对废液预处理要求低，采取措施后，二次公害可有效控制，单位床面积效率不高。目前国外采用较多，国内还没有形成规模化应用，这种炉体主要用于焚烧液体。

2.2 流化床焚烧炉

流化床燃烧技术是20世纪60年代初得到迅速发展的一种新型清洁燃烧技术。其特点是在炉膛下部布置有耐高温的布风板，板上装有载热的惰性颗粒，通过床下布风，使惰性颗粒成流化态。由于热载体可以存储大量热量，可以使床层温度保持均匀，避免了投料时的炉温剧烈变化和局部过热现象，床层温度易控制。燃烧废液时，废液经过预处理后投入炉膛。当废液投入到炉内时，物料和载热体处于完全混合状态，热量迅速传给物料，有利于废液的迅速燃烧，废液的燃烧效率高。并可用于燃烧高水分的含盐有机废液，燃烧后剩余的不能燃烧部分通过排渣口排出。排渣时随其一块出来的床料通过返料器重新回到炉内，实现床料的连续循环利用。流化床焚烧法具有床料热容量大、适于低热值物料燃烧的特点。图4为典型的鼓泡流化床焚烧炉，图5为典型的循环流化床焚烧炉。

图4 典型的鼓泡流化床焚烧炉

图5 典型的循环流化床焚烧炉

目前流化床焚烧炉已经广泛用于废液的焚烧处理，对它的研究主要集中在提高燃烧效率和尾气处理上。徐茂蓉[12]等使用流化床焚烧农药废液，结果表明，掺杂不同比例煤的农药废液焚烧效果不同，且氮氧化物与CO存在一定的关联性。别如山[13]等采用流化床燃烧技术对实验室有机废液进行无害化处理，研制成功了小型流化床焚烧炉与尾气净化一体化装置，焚烧温度可控制在800℃～ 950℃的任一温度下，采用炉内脱氮与尾气洗涤净化相结合，以尿素为脱硝剂，可使得尾气中有毒有害气体排放量满足国家环保标准且物料燃烧效率大于99.9%。

其特点是单位床面积燃烧效率高，燃烧热效率高，二次污染可有效控制，适用于废液、高水分废弃物以及污泥，停炉方便。但能源消耗大，前处理费用及处理设备维修费用高且自动化要求高。目前在部分发达国家已被采用，正逐渐为环保要求高的国家所青睐。国内有用于焚烧劣质煤、咖啡豆壳的成熟技术，这种炉体主要用于焚烧固态、液体废料和污泥。

2.3 回转窑焚烧炉

图6是典型的回转窑焚烧炉示意图，回转窑属于中小规模的焚烧炉，主要用于工业废液的焚烧。回转窑分为顺流式和逆流式两类，其燃烧形态和对象大不相同。顺流式适合于塑料等高发热性物质的气化焚烧。逆流式回转窑主要用于污泥等含水量较高的废弃物的焚烧及一些特殊用途的燃烧。在运行时，废液和排气、助燃气体互相对流，提高了干燥效率。回转窑炉倾斜程度通常为1/300～1/100，炉内焚烧物在移动、搅拌的过程中，完成升温、热分解和气化过程，并且在二燃室中通过二次风进行燃烧。未燃分多的时候，可采用专门的炉排来燃尽。回转窑烟温较高，当配置二次旋风燃烧时，有足够的烟气滞留时间，从而可以保证完全破坏烟气中的有害物质。

图6 典型的回转窑焚烧炉

徐兆康等[14]阐述了回转窑焚烧炉焚烧医疗废液的优越性，介绍了其工艺特点、主要设备等，指出其具有较好的密封性和适应性，可以保证环境的安全卫生，是医疗废液无害化、减量化处理最直接有效的方法，同时能利用焚烧产生的余热达到资源综合利用。朱桂珍[15]分析研究了油漆渣、丙烯酸树脂渣和有机废液掺入水泥生料中一起焚烧处置的可行性，为工业固体物和废液联合处置提供了一种新途径。

回转窑焚烧炉的特点是废液被搅动的幅度大，废液热值适应范围广，机械传动简单，若要效果好，废液预处理或适当搭配不可缺少。目前国外采用回转窑焚烧炉较多，国内在废液焚烧上还没有规模化的应用实例，但国内在危险废物焚烧上应用较多，这种炉体主要用于焚烧固态、液体和污泥等废物。

3 废液焚烧炉运行中的关键问题

国内外学者开展了许多关于废液预处理、废液焚烧炉的热力学计算方法、烟气中NOx与HCl等污染物的排放与控制、含盐废液焚烧过程中结渣问题的控制方法等相关的工作，结果表明，废液焚烧炉在运行中仍然存在以下几个关键问题亟待解决。

3.1 废液的预处理

有机废液由于其来源不同，成分也有很大差异，有机废液在进入焚烧炉前，通常要进行一定的预处理，以达到适合焚烧的要求。这些预处理主要包括：去除废液中的悬浮物、中和废液、蒸发浓缩低浓度废液。这主要是由于废液通常采用雾化焚烧，当废液中含有悬浮物时，会造成喷嘴的堵塞，降低喷嘴的雾化效果，影响焚烧炉的正常运行，故废液焚烧前，应过滤去除废液中的悬浮物；工业废液的酸碱性常常不一样，酸性有机废液喷入炉内，会对炉体造成腐蚀，而碱性有机废液喷入炉后，会造成炉膛的结焦结渣。因此入炉前，有机废液要进行中和处理；对于水分含量高的有机废液，直接送入炉膛焚烧会降低废液的焚烧效率、增加辅助燃料的供给量、提高焚烧炉的运行成本，焚烧前应蒸发浓缩低浓度有机废液。因此，废液预处理是影响焚烧炉寿命及运行成本的关键因素。

3.2 焚烧温度的选择

温度是废液焚烧最重要的参数之一。在最佳的焚烧温度下，废液焚烧比较完全，焚烧炉运行比较稳定，二次污染物的排放能够满足国家排放标准。总的来说，焚烧温度选择的标准为：1）在该温度下，焚烧对于有害物质的去除程度最高。从理论上说，焚烧温度越高，对于有害物质的去除越彻底。但并不是温度越高越好，提高焚烧温度将导致烟气粉尘中的重金属含量大大增加。研究表明，采用流化床焚烧炉处理高浓度有机废液时，控制焚烧温度在800℃～900℃时较理想，该温度下废液的破坏率达99.9%以上且热力型氮生成量少。2）在该焚烧温度下，焚烧产生的二次污染物，如NOx、SO2、HCl以及二英排放量应越小越好。对于酸性氧化物，如SOx、NOx以及二英，焚烧温度越高越好；对于HCl，焚烧温度越低越好。考虑到添加石灰石能够比较容易地除去HCl，而其它有害物特别是二英难以处理，因此要保证二英需控制焚烧温度在800℃左右。

可见，选择800℃～900℃的焚烧温度比较合理。

3.3 二次污染物的排放

有害物质的排放是检验废液焚烧特性的另一重要指标。为了尽量减少燃烧生成的污染物，焚烧炉的空气过量系数一般都取的相对较大，但空气过量系数过大时，焚烧过程中会形成比较多的热力氮，使焚烧炉排放的NOx比其他锅炉要高很多。因此，在废液焚烧过程中应控制好空气过量系数。

3.4 结焦

焚烧炉的结焦结渣是普遍存在的现象。在炉膛火焰中心处，其温度较高，燃料中的灰分大多呈熔化状态，而炉管壁附近的烟温则较低，若烟气中的灰粒在接触壁面时呈熔化状态或粘性状态，则会粘附在炉管壁上形成结焦结渣。在高的床温下，富集在床层区域的盐类在床层会形成大量的焦块，导致床层的流化失败，燃烧品质下降，也会严重影响余热的回收。导致结焦的主要因素有：1）废液中可能含有较多的低熔点无机盐，这些无机盐在焚烧过程中形成共晶[16-17]；2）床层形成的团状物质，在焚烧过程中，由于供氧不充分，可能处于还原或半还原气氛中，使得无机物灰渣的熔点降低，从而在底部灰层中形成结焦结渣[18]。目前抑制结焦结渣的方法主要是使用添加剂，如石灰石、高岭土和Fe2O3粉末等[18]，通过添加剂与低熔点盐形成高熔点物质来降低结焦结渣；还可通过蒸发结晶预处理，降低废液中的无机盐含量，从而减少结焦结渣。

4 结语

废液焚烧处理作为实现废液减量化无害化和资源化处理的有效方法已经受到越来越多的关注。常见的三种典型焚烧炉各有优缺点，焚烧系统设计应综合考虑废液特点、投资力度和环保政策等多种因素并进行技术经济分析，以便科学选择和确定焚烧炉类型，在焚烧炉运行过程中需要注意预处理效率、温度控制、二次污染物控制和结焦控制等问题，同时应注意提高余热利用率。

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