有机氯化物焚烧技术的研究和设计

2018-04-24谢濠江孙永贵

中国氯碱 2018年3期

谢濠江，颜华，孙永贵

（宜宾天原集团股份有限公司，四川宜宾 644004）

根据《国家危险废物名录》（2016版）的定义，具有腐蚀性、毒性、易燃性、反应性或者感染性等一种或者几种危险特性的固体或液体废物被列为危险废物，作为氯碱行业生产过程中产生的有机氯化物属于危险废物的范畴。目前危险废物主要的处理方法有中和法、焚烧法、固化法和安全填埋法等，用焚烧法处理危险废物具有无害化程度高，减量效果好、资源化率较高、占地少等优点。鉴于此，国内危险废物处理主要采用焚烧法，并以回转窑焚烧炉为核心设备，但此技术目前还存在炉内容易结焦和废物燃烧不尽等问题。针对目前焚烧技术的不足，行业中主要通过末端治理的方法来实现达标排放，末端治理主要防止颗粒物、二恶英、氮氧化物等主要污染物的含量超标。这种末端治理的方式虽然可以满足环保要求，但是存在投资大，运行费用高以及运行不稳定等问题，不符合企业可持续发展的要求。

宜宾天原集团公司在生产过程中的主要有机氯化物有氯乙烯、二氯乙烯、二氯乙烷、三氯乙烯、三氯乙烷、四氯乙烯、四氯乙烷、五氯乙烷、六氯乙烷等，为了实现有机氯化物环保化处理，避免产生二次污染，决定采用焚烧技术进行处理。

1 国内外焚烧炉技术的分析及选择

近年来在危险废物处理方面，科研单位和企业将主要精力放在焚烧技术的优化上，其相应的研究成果都体现在目前使用的主要焚烧炉中，下面依次对焚烧行业中近年来各种焚烧炉技术进行简单分析。

1.1 回转窑焚烧炉

回转窑焚烧炉炉体为采用耐火砖或水冷壁炉墙的圆柱形滚筒。它是通过炉体整体转动，使物料均匀混合并沿倾角度向倾斜端翻腾状态移动。为达到物料完全焚烧，一般设有两个燃烧室。其独特的结构使物料在一燃室中完成干燥、挥发组分析出、着火直至燃尽等过程，并在二燃室内实现完全焚烧，进一步减少有毒有害气体的排放。回转窑焚烧主要有3种焚烧方法，即灰渣式焚烧、熔渣式焚烧和热解式焚烧。

回转窑焚烧炉的主要特点：投资较大，一般用于小规模特种物料的处理，如医疗垃圾、危险废物等，主要适用于固体焚烧（或固液混合焚烧）。回转窑焚烧炉设备利用率高，灰渣中含碳量低，过剩空气量低，有害气体排放量低，但燃烧不易控制，物料热值低时燃烧困难。

1.2 流化床焚烧炉

流化床焚烧炉炉体是由多孔分布板组成，在炉膛内加入大量的石英砂，将石英砂加热到600℃以上，并在炉底鼓入200℃以上的热风，使热砂沸腾起来形成流化床段。物料投入流化床后，由于颗粒与气体之间传热和传质速率很高，物料在床层内几乎呈完全混合状态，投向床层的物料能迅速分散均匀，并同热石英砂一起沸腾，很快在流化床燃尽段完成干燥、着火、燃烧等过程。未燃尽的物料比重较轻，继续沸腾燃烧，燃尽的物料比重较大，落到炉底，经过水冷后，用分选设备将粗渣、细渣送到厂外，少量的中等炉渣和石英砂通过提升设备送回到炉中继续使用。主要的流化床焚烧工艺形式有鼓泡流化床、转动流化床和循环流化床等几种，其中国内较多采用循环流化床形式。

流化床焚烧炉的主要特点：投资少，处理规模较小，一般用于中小型、质量较不稳定的物料处理，主要适用于固体焚烧。流化床焚烧炉燃烧充分，炉内燃烧控制较好，但烟气中粉尘量大，操作复杂，运行费用较高，对物料粒度均匀性要求较高，需大功率的破碎装置，且石英砂对设备磨损严重，设备维护量大。

1.3 机械炉排焚烧炉

物料通过进料斗进入倾斜向下的炉排，由于炉排之间的交错运动，将物料向下方推动，使物料依次通过炉排上的干燥区、燃烧区、燃尽区，直至燃尽排出炉膛。燃烧空气从炉排下部进入并与物料混合。高温烟气通过锅炉的受热面产生热蒸汽，同时烟气也得到冷却，最后烟气经烟气处理装置处理后排出。机械炉排焚烧炉根据炉排型式主要分为顺推或逆推式往复炉排炉及滚动炉排炉两大类。

机械炉排焚烧炉的主要特点：投资较大，一般情况下可用于各种规模的物料处理，尤其是大中型的垃圾焚烧厂，主要适用于固体焚烧。机械炉排焚烧炉机械结构复杂，损坏率高，维护量大。同时炉排的材质要求和加工精度要求高，要求炉排与炉排之间的接触面相当光滑、排与排之间的间隙相当小。

1.4 蓄热式焚烧炉

蓄热式焚烧炉主体结构为设置有蜂窝陶瓷蓄热体的蓄热室和燃烧室，为满足蓄热要求，设置有两个或多个蓄热室，每个蓄热室经历“蓄热-放热-清扫”程序。有机废气氧化产生的高温气体流经低温蓄热体时，使蓄热体升温，并把后续进入的有机废气加热到接近热氧化温度。升温后的有机废气进入燃烧室（800℃左右）进行热氧化，使有机物转化成二氧化碳和水。净化后的高温气体与低温蓄热体进行热交换后使其温度下降，并通过排气筒达标排放。控制系统按一定规则控制各蓄热体单元切换阀的开闭，实现蓄热体“吸热-放热”的循环切换。

蓄热式焚烧炉的主要特点：主要适用于气体焚烧。蓄热体在长时间运行后经常会破损碎裂，抗热震稳定性能较差是最大的问题所在。

1.5 液体喷射式焚烧炉

液体喷射式焚烧是指将液体细化为细颗粒，从而进行快速汽化燃烧。对于液体危险废物焚烧后的烟气，一般需要进行二次焚烧，即通过采用外加辅助材料，在设定的温度和气氛条件下，进行强制性焚烧，目的是确保彻底焚毁残余的污染物。

液体喷射式焚烧炉的主要特点：主要适用于液体焚烧，可焚烧各种不同成分的液体危险废物，操作弹性大，温度调节速率快，炉内中空，无移动的机械组件，维护费用和投资费用低。

该公司有机氯化物主要为液体，选择液体喷射式焚烧炉来处理比其他炉型更适合。

2 有机氯化物焚烧技术的关键点研究

为了寻求有机氯化物焚烧技术的解决方案，从原理上对有机氯化物焚烧技术进行了研究分析。由于有机氯化物主要含有碳、氢、氯等元素，焚烧后的主要产物有一氧化碳、二氧化碳、二恶英、氮氧化物、氯化氢等。根据《危险废物焚烧控制标准GB18484-2001》的强制要求，必须满足焚烧炉的燃烧效率大于等于99.9%，目前行业中投用的各种焚烧炉基本都能满足要求，因此，焚烧过程产生的一氧化碳可以实现达标排放，在此不作具体分析。为了给有机氯化物焚烧技术的工艺设计提供依据，重点研究二恶英和氮氧化物的产生原理及控制措施。

2.1 二恶英的产生机理及控制

2.1.1 二恶英的产生机理

二恶英的产生机理比较复杂，目前被公认的产生机理主要分为两大类，即高温气相反应和低温异向催化反应。高温气相反应的机理：氯源、二恶英前驱物和反应催化剂（Cu、Fe）存在的前提下，当炉内温度低于850℃且停留时间小于2 s时，部分有机物会和分子氯或氯游离基反应生成二恶英。低温异向催化反应的机理：芳香族化合物（氯苯、氯酚或多氯联苯等）、脂肪类有机物（烯烃、炔烃等）、未燃尽碳、过渡金属（Cu、Fe）存在的前提下，当炉内温度在250～650℃时，通过分子重组催化反应生成二恶英。

2.1.2 二恶英的控制措施

为了从有机氯化物焚烧源头上避免产生二恶英，减少后续尾气净化的投资及复杂性，从公认的两种机理进行分析，液体喷射式焚烧炉的基础设计条件要满足以下内容：基于高温气相反应的机理，设计时焚烧炉炉内温度要高于850℃且炉内物料在焚烧段的停留时间大于2 s。基于低温异向催化反应的机理，设计时焚烧炉应采用天然气、氢气等不产生飞灰的清洁能源，避免飞灰带入过渡金属催化剂。同时严格控制焚烧炉急冷段的停留时间，即要求将急冷段烟气由650℃迅速降温到250℃的停留时间控制在1 s以内。

2.2 氮氧化物的产生机理及控制

2.2.1 氮氧化物的产生机理

物料在焚烧炉燃烧过程中，生成氮氧化物有三个途径：热力型氮氧化物、快速型氮氧化物和燃料型氮氧化物。其中热力型氮氧化物是空气中氮气和氧气在高温下生成。在燃烧温度低于1 350℃时，几乎没有热力型氮氧化物产生，当燃烧温度超过1 350℃时，氮氧化物开始大量产生；快速型氮氧化物是在碳氢类原子团较多，且氧气浓度相对较低时产生；燃料型氮氧化物是物料中的含氮化合物在燃烧过程中通过热解和氧化产生，生成机理非常复杂。

2.2.2 氮氧化物的控制措施

基于氮氧化物的产生机理，认为液体喷射式焚烧炉的基础设计条件要满足以下内容：有机氯化物中基本不含有氮元素，因此在燃烧过程中主要产生热力型氮氧化物和快速型氮氧化物。基于热力型氮氧化物，设计时焚烧炉炉内温度要低于1 350℃。基于快速型氮氧化物，设计时空气的过量系数要重点考虑，确保物料均匀分散后实现富氧燃烧。