焦化废水特性与利用锅炉无害化处理的工艺研究

范洪武，姚书恒，陈 刚，杜 巍

(1.上海电力股份有限公司罗泾燃机发电厂，上海 200949；2.上海上电电力工程有限公司，上海 202150；3.上海电力闵行燃气发电有限公司，上海 200245)

0 引 言

新疆地区幅员辽阔，煤炭资源储量丰富，以新疆哈密地区为例，全区煤炭预测储量为5 708亿t，占全国预测储量的12.5%，占全疆预测储量的31.7%，在全疆煤炭资源开发中具有居中轻重的地位。哈密地区煤炭资源品种多、易开采，具有“三低一高”的资源赋存条件(低硫、低灰、低瓦斯，高发热量)，适合建设亿吨级煤炭生产和深加工基地。依托有利资源条件，目前哈密地区某煤化工园内产业呈聚集性、规模化，产业链涵盖煤炭开采、焦化、深加工及发电[1]。

产业链的扩展带来了巨大的经济效益，由此也衍生出了一系列的问题，如资源合理利用问题、平衡环保与发展等。煤炭与水资源是支撑煤化工产业发展最重要的两大资源，哈密作为水资源及其匮乏的地区，如何有效节水、废水深度回用、遏制煤化工水污染等将是未来发展中亟待攻克的重要课题。

在煤化工各个产业链内都会产生废水，其中占比最大的便是焦化废水。焦化废水是煤炭在焦化工艺中所产生的的废水统称，焦化废水中不仅含有浓度极高的有机物如酚类、油、氨氮等，也含有大量的吡啶、吲哚、联苯等芳香族物质[2]。其水质波动大、水量多、COD高、生物毒性大，属于典型的高毒性、高浓度、极难降解型工业有机废水。一般而言，大量的废水最终都会汇集到产业链最下游企业。

本文以哈密某煤化工产业园内某电站为例(以下简称某电站)，发电企业作为下游企业，承担着大量的废水处理的压力。为了应对日益提升的环保要求，该电站积极开展焦化废水无害化处理工艺的研究，并总结了大量实践经验，对进一步推动煤化工产业园发展有着极其重要的现实意义。

1 焦化废水的特点及常见处理工艺

1.1 焦化废水的来源

煤化工产业链里，煤经过焦化、煤气化、液化、焦油化工等化学过程，将煤炭转化为气态、液态、固态燃料及其他化工产品。各个工艺中都会消耗大量的水，也由此产生大量焦化废水。焦化废水主要有以下几个来源：(1)煤洗涤阶段。(2)煤干馏时期。(3)兰炭熄焦阶段。(4)荒煤气回收与净化阶段。(5)化学产品回收阶段。

1.2 焦化废水的特点

概括起来，焦化废水具有以下几大特征：(1)污染浓度高。(2)可生化性差，降解难度大。(3)有毒有害物质成分高，生物毒性强。(4)成分复杂，水质波动大。

1.3 焦化废水的常见处理工艺

常见的焦化废水处理主要有生物处理法、物理处理法、化学处理法三种大类。

生物处理法主要是利用微生物的氧化、分解、吸附等作用来处理焦化废水中的一系列有机物与部分无机物。具体的工艺路线有活性淤泥降解法、生物脱氮技术、固化生物处理技术、生物流化床技术等。具有有机物去除彻底、水质改善显著等特点，但工艺复杂、投资成本高。

物理处理法主要是指物理化学法，通过吸附、混凝等物化方式来处理废水中的有机污染物和固态污染物。具体的工艺路线有混凝法、吸附法、烟道气蒸发法、和萃取法。虽然成本低、工艺简单，但水质改善不明显。

化学处理法主要有臭氧法、Fenton试剂法、光催化氧化法、湿式催化氧化法、超临界水氧化法、等离子体处理技术、电化学氧化技术及焚烧法等。种类繁多，路线比较不统一。

2 锅炉焚烧法工艺研究

2.1 焚烧法原理及特点

众多的焦化废水工艺中，焚烧法是一种最为古老的方法。主要工艺方式为，将废水雾化后，进入气化炉或锅炉中进行焚烧，使酚类有机物在800 ℃以上的高温下， 发生氧化反应，最终生成CO2、H2O和无机废渣排放。此法工艺简单，操作方便，但能耗较大，每焚烧1吨焦化废水其成本约在1 200～1 500元左右(按标煤燃料成本换算)。利用焚烧法处理焦化废水效率高，二次污染少。但对用以焚烧的锅炉要求较高，因一旦操作不慎，炉温下降，往往会造成燃烧不完全，反而更易形成NOX等二次污染。

2.2 锅炉焚烧法的经济性

锅炉焚烧法作为一种成熟的焦化废水处理技术，由于燃料成本的限制，因此未大规模的推广。煤化工产业中会产生大量的荒煤气，荒煤气具有热值适中、燃烧稳定等特点。作为工艺废气，如不处理回收，只能在放散塔燃烧放散。在经济性上，以荒煤气为原料的燃气炉燃料成本低廉，可大规模应用焚烧法来处理焦化废水。

3 锅炉焚烧法的工程实践

3.1 锅炉焚烧法的具体实施方案

某电站以厂内启动锅炉为基础，通过小型改造和系列试验，验证利用锅炉焚烧法处理焦化废水的可行性。该启动炉为江苏太湖锅炉股份有限公司生产的SZS35-1.35/300-Q型锅炉，额定出力35 t/h、锅炉蒸汽额定出口温度300 ℃、额定过热蒸汽压力1.35 MPa、额定给水温度20 ℃、锅炉排污率3%、锅炉效率91%、锅炉排烟温度151.5 ℃、锅炉炉膛总容积178.16 m3，锅炉计算燃料消耗量16 262.6 Nm3/h。该锅炉配备有两个旋流式燃烧器，分为上、下两层布置，每个燃烧器中心配备有一根点火油枪，点火油枪采用空气雾化。

为了能进行掺烧试验，技术人员决定，将上层燃烧器的点火油枪改造成焦化废水喷射枪，并采用空气雾化的方式对掺入炉膛的废水进行雾化，在管路设置10 m3再循环水箱、再循环阀、流量2 m3扬程160 m的输送泵、流量计及压力表。改造后系统管路如图1所示。

图1 启动锅炉掺烧焦化废水管路图

3.2 锅炉焚烧法对锅炉效率的影响

改造完成后，为了验证焦化废水在喷嘴中的最佳雾化效果，技术人员执行了焦化废水喷射的冷态试验，用于模拟在热态工况下的试验参数。经试验后发现，在雾化空气压力稳定在0.6 MPa、通过调节废水再循环，焦化废水喷射压力在大于0.4 MPa的工况下，雾化效果较好。同时随着废水喷射压力的不断增大(最大值为1.2 MPa)，雾化效果将得到进一步的改善。

由锅炉最大燃料消耗量Bmax=16 262 Nm3/h、燃料热值Qpp=7 033 kJ/Nm3、炉膛容积Vm=61.3 m3、容积热负荷Qv=494 187 W/m3计算可得最大燃烧热量∑Qmax和最大理论热量∑Qm：

∑Qmax=Bmax×Qpp÷3600

(1)

∑Qmax=31,620,555 W

∑Qm=Vm×Qv

(2)

∑Qm=30,293,663 W

焦化废水输送泵最大输送流量Qw=1.5 T/h、炉膛内出口温度为1 120 ℃、废水初温为20 ℃、出口烟温151.5 ℃、废水比热容C=4.2*103J/kg·℃计算可得焦化废水吸热量∑Qw：

∑QW=QW×130×C

(1)

∑QW=227,500 W

(2)

经计算，∑Qw/∑Qmax≈0.007 2，焚烧后折算锅炉效率为90.4%，可知使用锅炉焚烧法处理焦化废水，会使锅炉效率小幅下降，随着锅炉容积热负荷的上升，效率下降越少。

经热态试验后发现，当焦化废水掺烧量达到一定比例后，会使炉膛温度降低，火焰强度明显减弱。但随着锅炉的负荷进一步提升，废水掺烧对锅炉的影响进一步减弱。其主要表现为炉膛温度、火焰强度区域稳定。在锅炉50%负荷时，掺烧焦化废水使炉膛温度下降大约50 ℃，而当锅炉升到61%、75%负荷时，炉膛温度分别下降约20、14 ℃。

3.3 锅炉焚烧法对排烟的影响

实际实验中，在相同锅炉负荷下，掺烧焦化废水后，锅炉排烟温度明显升高。而随着掺烧废水量的增加，烟气量增加、排烟温度也进一步升高。

在省煤器后烟道疏水处收集了烟气冷凝液，分析了pH、电导率、氯离子、 浊度和CODcr。烟气冷凝液存在铁锈(铁锈应来源于烟道内)，颜色偏黄色，气味上无焦化废水的强烈刺激性气味，与焦化废水原液形成鲜明对比，这说明经过高温焚烧酚类有机物有明细的分解。另外，从水质分析结果来看，掺烧焦化废水对烟气冷凝液pH、电导率、氯离子、浊度这些指标的影响不明显，对CODcr有一定的影响。数据详见表1。

表1 烟气冷凝液分析记录

排放环保指标方面，烟气中NOX值受燃料中氨氮的变化影响较大，另外SO2有些数值明显偏小主要由于实际烟气含湿量较高，对检测结果影响较大。CO主要受配风的影响较大，启动锅炉配风调节手段灵活。数据详见表2。

表2 烟气排放检测记录

4 锅炉焚烧法的综合评价

(1)结合冷态试验的情况及热态试验的数据，为保证雾化效果，废水枪喷射压力最好大于0.6 MPa。对应喷射压力0.6～1.0 MPa，入炉废水量大约为0.82～1.32 t/h。对应启动锅炉蒸发量为18～26 t/h。从模化放大的比例来看，265 t/h的燃气锅炉掺烧10 t/h废水是有可能的。另外，从热态试验的情况来看，掺烧一定量废水，锅炉负荷较高，锅炉运行受到的影响越小。

(2)焦化废水焚烧效果的主要影响因素是：焚烧温度、以及在高温区的停留时间。启动锅炉由于炉膛温度相对还不够高，另外炉膛也较小，不一定能完全燃烧分解酚类物质，但是从启动锅炉省煤器烟道收集的冷凝液气味上无焦化废水的强烈刺激性气味，说明焦化废水通过炉膛焚烧后有明显的分解。另外，从实验室分析结果来看，掺烧焦化废水对烟气冷凝液pH、电导率、氯离子、浊度这些指标的影响不明显，对CODcr影响较为明显。

(3)根据烟气排放检测结果，NOX变化趋势受炉膛温度影响。当喷水焚烧后炉温降低，NOX浓度有降低趋势，即存在正相关性，当然也受到燃料中氨氮(即燃料氮)的影响。烟气 SO2数据与锅炉燃烧无相关性，主要受燃料硫份的影响，通过物料平衡可以进行测算。另外焦化废水残留灰分测试(在815 ℃经过1小时高温焚烧)结果为0.022%，表明焚烧后残留灰分不足于影响烟气粉尘排放。

5 结束语

焦化废水由于有组分复杂、毒性大等特点，在选用传统的处理工艺时不仅面临治理不彻底、二次污染大等问题，且成本投入较高。因此需要我们根据煤化工产业链的特性，充分利用产业链优势，选择因地制宜的方法。某电站作为哈密某化工园下游企业，以煤化工荒煤气作为原料，用于燃气锅炉燃烧发电。电站锅炉具有热容量大、燃烧温度高、效率高等特点。技术参数上能满足焦化废水焚烧热解的所有条件。同时电站锅炉均配套设置了尾部烟气净化装置，能有效脱去烟气中NOX、SOX等，可有效避免焦化废水在焚烧中产生的二次污染。某电站以锅炉无害化焚烧的方式来处理焦化废水，无论是在先期的技术论证、还是后期的工程实践中均取得了良好的效果。综上所述，以锅炉焚烧法处理焦化废水不仅具有技术优势、效率优势，也具有成本优势及工艺推广价值。