采用空气分级燃烧处理硝基化合物生产废水

2019-01-03安兵涛岳仁亮宋晓峰刘海弟陈运法

中国环保产业 2018年12期

安兵涛，岳仁亮，宋晓峰，刘海弟，陈运法

（1.北京航化节能环保技术有限公司，北京 100166；2.中国科学院过程工程研究所，北京 100190；3.中国科学院大学，北京 101408）

引言

硝基化合物是烃分子中氢原子被硝基-NO2取代而生成的化合物，可用作医药、染料、香料、炸药等工业的化工原料及有机合成试剂，是各类武器装备火力系统的重要组成部分，其现有的生产工艺和技术相对成熟，但在其生产制备过程中产生了大量含多种剧毒物质的碱性废水。废水成分复杂，毒性大，若不采取适当措施会对环境造成严重的污染。

目前，硝基废水处理应用最广泛的技术是鼓泡浓缩-焚烧工艺，其工艺流程见图1[1]。废水连同辅助燃料（重油或天然气）进入卧式焚烧炉，利用废水含有的硝基化合物的可燃性，与辅助燃料一起在焚烧炉内进行高温焚烧，达到氧化分解有毒物质的目的，焚烧产生的高温烟气进入鼓泡浓缩器，与废水直接接触进行鼓泡浓缩后经烟囱排放，焚烧产生的炉渣由卧式焚烧炉尾部排出。

鼓泡浓缩-焚烧工艺处理废水工艺简单，从应用情况来看，最突出的问题是高温焚烧下产生大量的氮氧化物，另外在实际应用中还存在颗粒物、硫化物排放严重超标，焚烧炉结渣严重、出渣困难等问题，影响焚烧装置长期稳定运行。

图1 鼓泡浓缩一焚烧法处理废水工艺流程

1 物料分析

碱性废水含有大量水分，其中溶解的有机成分主要是二硝基甲苯磺酸钠及其还原产物、硝基苯类；盐类主要是硝酸钠（2%～3%）、硫酸钠（3%～5%）和二硝基甲苯磺酸钠（4%～6%）等。

碱性废水的含水量高，直接焚烧将会消耗大量辅助燃料，增加运行费用，所以需进行预处理。预处理采用成熟的双效蒸发工艺流程，废水浓缩比为70%～80%，可大大降低废水的含水量。浓缩后的废水成分见表1。

表1 废水成分表

按以上废水数据，该项目待处理物料具有以下特点：

（1）废水中含有大量可燃性硝基化合物，计算废水中元素氮质量分数为2.8%，焚烧将产生大量NOx，焚烧方案需要采用脱硝技术。

（2）废水中含有60%的水分，基本无热值，由于含水量高，着火困难，需要辅助燃料伴烧，并需要良好的燃烧组织。

（3）废水中含有硫的成分，焚烧后的烟气中将含有SOx，焚烧系统设计需要考虑脱酸和防腐蚀。

（4）废水中含有大量碱金属钠，焚烧后将产生低熔点碱金属盐，焚烧系统需要虑排渣和除尘。

此外，北极星研发的RadioGenix®系统已于2018年2月获得美国食品药品监督管理局(FDA)的批准。该系统是一个创新的放射性同位素分离平台，用于钼-99和锝-99m(锝-99m是钼-99的衰变产物)的分离，进而获得医用放射性同位素锝-99m。

项目要求的焚烧排放标准为《危险废物焚烧污染控制标准》（GB18484），排放指标为NOx＜400mg/Nm3。在保证安全、可靠、有效地燃烧和氧化废水中的可燃成分前提下，如何通过燃烧最大限度减小NOx的初始生成，设计合理的焚烧系统流程，保证烟气达标排放是该项目的难点。

2 NOx生成机理

废水中含有大量的可燃性硝基化合物，焚烧过程中将产生大量的NOx。燃料型NOx是由燃料中所含的元素氮在燃烧过程中与氧反应生成。NOx的生成过程十分复杂，一般认为，含氮有机物在燃烧过程中先产生过渡基，或部分与含氮化合物反应形成中间产物，其中以化合物形态存在且最稳定者为NH3与HCN。

HCN和NH3的主要反应途径如图2[2]和图3[3]，根据反应条件不同，HCN或NH3既可能作为NOx的生成源，也可能成为NOx的还原剂，充足的氧环境将促使更多的NOx生成，欠氧条件可以显著减少NOx的生成。针对含硝基化合物废水焚烧，设计空气分级燃烧方案，以降低焚烧过程中氮氧化物的排放。

图2 HCN的主要反应途径

图3 NH3的主要反应途径

3 焚烧系统技术方案

设计焚烧系统的工艺流程时，除了考虑有机物的充分燃烧分解外，还需重点考虑避免生成大量NOx而造成二次污染。根据上述物料分析和焚烧系统要达到的目的，设计的焚烧系统主要包括废水缓存及输送系统、废水分级焚烧系统、焚烧炉夹套冷却系统、除尘系统、脱硝系统（SNCR和SCR）、脱硫系统等。焚烧工艺流程见图4。

根据物料条件及焚烧炉的散热情况进行计算，要实现废水完全稳定燃烧分解，还需补充一定量的辅助燃料进行伴烧，辅助燃料为天然气。

从主生产装置产生的废水进入界区后，进入焚烧单元界区内的储罐中，然后由增压泵增压，通过管道输送并经喷枪雾化进入焚烧炉。

图4 焚烧系统工艺流程图

焚烧炉内烟气温度在650℃以上的部位设置了水冷夹套，使低熔点碱金属盐在耐火材料表面凝固，形成一层固渣层，使得熔融盐不直接接触耐火材料，实现“以渣抗渣”，可显著提高耐火材料的使用寿命，减少停炉检修次数。焚烧炉水冷夹套使用脱盐水，在板式换热器内与循环水进行换热，以减少水冷夹套内结垢。

焚烧炉底部设置排渣口，通过燃烧器布置和衬里的设计，排渣区域为高温区域，可保证熔渣顺利排出，经双轴冷却器冷却输送收集。

焚烧炉后段采用急冷掺风结构将烟气温度降至350℃，降温后的烟气通过电除尘装置去除烟尘，由于项目要求NOx排放限值较严，故需在电除尘后设置SCR。完成脱硝处理的烟气中依然含有一定量的SO2，通过碱洗塔进行脱硫处理达标后经烟囱排放。

4 空气分级燃烧方案

根据该项目的废水含水量高、热值低的特点，分级燃烧方案的主要参数见表2。

表2 分级燃烧方案主要参数

分级燃烧焚烧炉如图5。还原段锥段布置3支废水喷枪，采用压缩空气雾化，雾化后的废水向下喷射，与底部布置3个天然气燃烧器产生的高温烟气强烈混合，天然气燃烧器采用预混式高速射流燃烧器，避免熔渣堵塞燃烧器，3个燃烧器呈切圆布置，提高还原段内湍流程度，保证焚烧炉底部区域高温，使废水中的有机物充分热解氧化，利于熔渣顺利排出。在氧化段入口设置氧化风进口，采用急速切向旋流掺风装置，使烟气与氧化风进行高效混合。