循环流化床锅炉焚烧化工含盐废液可行性分析
陈惠超 赵长遂 陈晓平 段伦博 吴新
(洁净煤发电与燃烧技术教育部重点实验室，江苏 南京 ,210096)
摘要:通过对一台20t/h燃煤循环流化床锅炉焚烧处理化工废液（红水）进行热力计算，分析燃煤循环流化床锅炉中喷入化工废液红水后燃烧可能存在的问题，重点考察对燃烧稳定性、锅炉参数的变化等的影响，分析燃煤循环流化床锅炉焚烧处理化工废液红水的可行性。计算结果表明：燃煤循环流化床焚烧处理红水（红水含水率85.6％，红水喷入量不超过30％时），可以稳定燃烧，对锅炉参数不会产生明显不良影响；随着红水喷入量的增加，炉内温度水平和锅炉热效率有所下降；红水在20t/h燃煤循环流化床中焚烧是可行的，喷入适量红水不会对锅炉运行参数产生大的影响。
关键词:化工废液、循环流化床、焚烧、可行性
中图分类号: TK223 文献标识码：A
引言
化工工业是世界公认的高污染行业之一，废液是其生产过程中所排放的主要污染物。这些有毒有害废液排放的逐年增加，致使半数以上的江、河、湖泊被严重污染，严重影响人民的身体健康和国民经济的可持续发展。在各种处理化工有机废液的方法中，焚烧法不仅能将有毒有害物质经高温氧化分解为无害物质，同时还可回收废液所含的热量,可取得良好的社会效益和经济效益[1～3]。
基于循环流化床焚烧炉燃烧稳定，炉内温度场均匀；床层中大量的高温惰性床料热容量大，能为高水分、低热值或无热值的废液蒸发、热解和燃烧提供所需的大量热量，适合各种水分含量和热值的废液的焚烧；能实现低温燃烧和分级燃烧等特点，作者曾在一座1MW热态循环流化床燃烧试验装置上对化工含盐废液红水进行焚烧试验，研究了红水喷入量等对温度场的影响规律[4]，对焚烧气态污染物排放特性作了相应的研究[5] ，对床层结焦和尾部析盐 情况也作了测试分析。试验结果表明，试验中废液雾化好、安装位置合适，喷出的雾化细滴进入高温床料后瞬间蒸发、迅速分解，在床内停留时间短，不至于因大量无机盐在床内聚积、长时间停留与床料反应形成低熔点共熔体。向床内添加适量的石灰石添加剂，也可以抑制碱金属降低灰熔点 [6]，床层炉内流化正常、燃烧稳定、排渣顺畅，没有出现结焦和其它对焚烧不利的情况。NOx排放浓度在各试验工况下均满足国家排放标准，由于红水中不含硫分，焚烧过程产生的SO2全部来自于辅助燃料煤，试验采用的徐州烟煤含硫量只有0.57％，添加石灰石后SO2排放浓度远低于国家排放标准规定的限值，因此循环流化床焚烧处理红水是完全可行的。
目前国内已有部分企业采用循环流化床处理这类废液，但往往是通过改造现有炉型进行焚烧，效果不甚理想。本文针对一台蒸发量为20t/h的循环流化床锅炉，通过对含盐化工有毒废液红水喷入炉内焚烧进行热力计算，对焚烧的可行性进行分析，并研究红水焚烧量、红水含水率、锅炉蒸发量等因素对炉内温度场分布、燃烧效率和锅炉热效率的影响规律，为废液焚烧循环流化床的设计和含盐有机废液焚烧处理提供理论基础。
1 锅炉系统及有关技术参数
1.1循环流化床锅炉系统
某厂一台20t/h循环流化床锅炉采用中压参数（5.3MPa，450℃）设计，内径为2.2m的高温旋风分离器布置在炉膛和尾部烟道的中间。炉膛采用膜式水冷壁全悬吊结构，高、低温过热器，省煤器和空气预热器等受热面全布置在尾部竖井烟道内，过热器采用管吊管结构。设计一、二次风比例为60%：40%，一、二次风共用一台风机 。锅炉采用皮带给煤机给煤方式，点火方式为床下机械雾化油枪热烟气点火方式。
锅炉的烟气流程为：炉膛→旋风分离器→吊挂管→高温过热器→低温过热器→省煤器→空气预热器→电除尘器。
工质流程为：给水→省煤器→锅筒→下降管→水冷壁→汽水连接管→锅筒→饱和蒸汽连接管→吊挂管入口集箱→吊挂管→低温过热器入口集箱→低温过热器管束→面式减温器→高温过热器管束→高温过热器出口集箱→汽轮机。
1.2锅炉主要技术参数
20t/h循环流化床锅炉的基本参数示于表1。
表1 20t/h循环流化床锅炉的基本参数
Tab.1 Specifications of 20t/h CFB
额定蒸发量 20t/h
过热蒸汽压力（表压） 5.3MPa
过热蒸汽温度 450℃
给水温度 104℃
排污率 2%
1.3煤质特性与红水特性
本计算选用徐州烟煤为锅炉燃料，其特性见表2。表3所示是沧州某化工厂的有机有毒废液红水的组成及特性。由表3可见，废液红水中水分含量高达85.6％，可燃成分主要为少量二硝基甲苯，热值较低。
表2 锅炉煤质分析
Tab.2 Characteristic analysis of coal
项目 符号 单位 数值
元素分析（收到基）
碳 Car % 58.55
氢 Har % 3.71
氧 Oar % 8.87
氮 Nar % 1.06
硫 Sar % 0.57
灰分 Aar % 22.35
全水 Mar % 4.89
挥发分 Var % 27.21
低位发热量 Qar，net MJ/kg 23.08
灰熔融性
变形温度 DT ℃ 1500
软化温度 ST ℃ 1500
半球温度 HT ℃ 1500
流动温度 FT ℃ 1500
2结果与分析
2.1尾部析盐分析
文献[5]介绍的焚烧试验中，尾部飞灰中检测出大量的二氧化硅，少量的碳酸盐及微量的有机物，原因是红水中含有7％左右的钠盐，其中大部分钠盐在焚烧过程中比较稳定，在炉膛高温条件下发生气化，与烟气一起流向下游，当经过温度较低的受热面时重新析出，可能会沉积在尾部受热面上，长期以往将影响锅炉的正常运行。因此，设计焚烧含盐有机废液的循环流化床锅炉时，应对处于易造成盐分析出温度区的受热面结构给予足够的重视。经验表明，传统的对流式管束结构易引起受热面积盐，而采用辐射式结构的受热面、避免烟气直接冲刷受热面将可有助于解决此问题。同时采取有效的吹灰措施，有望妥善解决此问题。
表 3 红水的组成及特性
Tab.3 Characteristics and components of red waste liquid
化学组成 分子式 含量 焚烧特性
二硝基甲苯 C6H3CH3(NO2)2 5.4% 易爆性、产生NOx
酚钠类 C6H4NO2ONa等 2% 释出NOx
无机盐 Na2SO4、NaNO3、Na2CO3 7% 易形成低熔点的共晶体、产生NOx、CO2
水 H2O 85.6% 蒸发为水蒸汽，可能分解产生H、OH
2.2红水水分的影响
按锅炉额定蒸发量20t/h，选取废液红水水分分别为85.6％、75％、60％和45％，红水喷入量（即喷入的红水量占锅炉燃料煤耗量的百分数）分别为20％、30％、40％，考察炉膛温度、锅炉热效率及排烟热损失等的变化。计算结果见图1～3。由图可见，红水水分不利于循环流化床锅炉的燃烧，随着红水含水率的增加，炉内温度下降，排烟损失增加，锅炉热效率下降。
红水含水率高，有机可燃物含量较少，在炉内焚烧时首先经历水分蒸发过程，水分的蒸发吸收了大量的热量，使得炉内温度下降。同时红水中的水分最终以气态形式排放到大气中，从炉膛带走了大量的热量，增加了排烟热损失，使炉内温度呈整体下降的趋势。
在红水喷入量为20％时，红水的水分变化对炉膛温度、排烟热损失及锅炉热效率的影响并不明显。原因是此时煤/红水比大，炉膛温度水平普遍较高，炉膛热稳定性好，红水水分的增加，导致炉内水分的实际增加量并不大，炉膛温度略有下降，但仍能为红水的蒸发、热解和燃烧提供所需的大量热量，使红水焚烧充分；红水水分的增加，烟气量有所增加，排烟热损失也略有增加，锅炉热效率稍有下降。而红水喷入量为30％、40％时，无论是炉膛温度、排烟热损失还是锅炉热效率的下降都相对明显，其中红水喷入量为40％时随红水含水率的增加，各参数下降最快。
图 1 红水水分对炉膛温度的影响 图2 红水水分对排烟热损失的影响
Fig. 1 Effect of moisture content in waste liquid Fig. 2 Effect of moisture content in waste liquid
on temperature distribution in CFB on heat loss of CFB
图3 红水水分对锅炉效率的影响
Fig. 3 Effect of moisture content in waste liquid on efficiency of CFB
2.3红水喷入量的影响
图4示出了4种红水含水率条件下红水喷入量对炉膛温度的影响。由图可知，随着红水喷入量的增加，密相区温度和稀相区温度都呈下降趋势。这是由于随着红水喷入量的增加，由红水带入炉内的水分增多，喷入密相区的水蒸发吸收了大量的热量，导致了密相区温度下降。同时红水中的水分最终以气态形式排放到大气中，从炉膛带走了大量的热量，使炉内的温度整体下降。当红水喷入量控制在30％以内焚烧各种含水率的废液时，密相区和稀相区温度均可分别维持在880℃和810℃以上，可保证红水的正常焚烧。当红水喷入比增加到40％时，炉内温度显著下降，密相区和稀相区温度偏低，处于775～810℃之间，已不能保证红水的正常焚烧。
由图5可知，焚烧不同含水率的废液时锅炉排烟损失随着红水喷入量的增加而增大，这主要是因为随着红水喷入量的增加，因水分汽化产生的烟气量相应增加，使得经过各受热面的烟气流速加快，排烟温度升高，从而加大了排烟热损失。
图6为红水喷入量对锅炉热效率的影响。如图所示，随着红水喷入量的增加，锅炉热效率降低，这是固体不完全燃烧损失和排烟热损失的增加所致。
工程实践中，可以通过选择合适的红水焚烧量，既要在一定辅助燃料下焚烧尽可能多的红水，又要保证焚烧正常进行，炉内温度不至于过低而导致废液中有机物分解不充分。从焚烧温度角度考虑，在红水喷入量为20％～30％之间，炉膛温度相对均匀且处于较好的焚烧温度，排烟热损失不大，锅炉热效率较高，焚烧效果较好。
图 4 红水喷入量对炉膛温度的影响
Fig. 4 Effect of flow rate of waste liquid on temperature in CFB
图 5 红水喷入量对排烟热损失的影响 图 6 红水喷入量对锅炉热效率的影响
Fig. 5 Effect of flow rate of waste liquid on Fig. 6 Effect of flow rate of waste liquid on
flue gas heat loss of CFB CFB efficiency
2.4锅炉蒸发量的影响
图 7 锅炉蒸发量对炉膛温度的影响 图 8 锅炉蒸发量对锅炉热效率的影响
Fig. 7 Effect of boiler load on temperature in CFB Fig. 8 Effect of boiler load on CFB efficiency
按废液红水水分为85.6％、红水喷入量为20％，锅炉蒸发量分别取15、17、20、23吨/时，考察锅炉各部分的参数、锅炉热效率等的变化。
图7示出了不同锅炉蒸发量时炉膛温度的变化趋势。由图可知，随着锅炉蒸发量的增加，炉膛密相区和稀相区温度均呈上升趋势。其中稀相区温度的增长趋势较密相区更为明显。虽然随着锅炉蒸发量的增加，辅助燃料量和红水焚烧量都相应增加，但锅炉总输入热量增加，导致炉膛整体温度上升。
图8 示出了锅炉蒸发量变化时热效率的变化趋势。由图可知，随着锅炉蒸发量的增加，锅炉热效率呈先上升后下降的趋势。在锅炉蒸发量为17t/h左右时锅炉热效率最高，此时对应着锅炉的经济负荷。
由图7～8可得出：在锅炉负荷为17t/h时，锅炉热效率较高，密相区和稀相区温度处于820～950℃之间，床层不易结焦，石灰石处于较佳的脱硫效果。实际工程中锅炉负荷处于17～20t/h之间，喷入适量的红水，不会影响锅炉的运行。
3结论
（1）在燃煤循环流化床焚烧处理化工废液红水过程中通过选择合适的风量配比控制较好的流化速度，同时添加适量的石灰石可以抑制床层结焦。合理布置尾部受热面并采用吹灰措施可以避免无机盐沉积，保证锅炉安全、经济运行。
（2）随着红水喷入量的增加，循环流化床炉内温度水平和锅炉热效率有所下降，当喷入量不超过30％时（红水含水率85.6％），可以稳定燃烧，对锅炉参数不会产生明显不良影响。
（3）化工废液红水在20t/h燃煤循环流化床中焚烧是可行的，喷入适量废液红水不会对锅炉运行参数产生大的影响，同时也达到了消除污染保护环境的目的，具有良好的发展前景。
参考文献：
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Analysis on the Feasibility of Incineration of Chemical Waste
Liquid with Sodium Salts in CFB
Chen Hui-chao Zhao Chang-sui Chen Xiao-ping Duan Lun-bo Wu Xin
(Key Laboratory of Clean Coal Power Generation and Combustion Technology of Ministry of Education, Southeast University, Nanjing 210096, China)
Abstract:
A thermodynamic computation of the toxic chemical waste liquid with sodium salts was conducted in a circulated fluidized bed（CFB） incinerator. The possible problems derived from incineration of toxic chemical waste liquid in CFB were analyzed, the effects of several parameters, in terms of the stability of incineration, parameters of the CFB was examined and the feasibility of incineration of toxic chemical waste liquid in CFB was analyzed .Results show that the temperature in both the dense bed and the dilute bed, and the boiler efficiency decreases as the flow rate of the waste liquid increases. It is safe to incinerate the waste liquid in CFB if the flow rate of the waste liquid with the water content of 85.6% sprayed into the bed is less than 30% of the coal feed rate. Incineration of the toxic chemical waste liquid in CFB is feasible and it will not have essential effect on the parameters of the CFB if suitable flow rate of waste liquid incineration in CFB.
Key words: chemical waste liquid，circulated fluidized bed（CFB )，incineration，feasibility