废液焚烧炉设计方案-20121030.doc

西 安 航 天 动 力 研 究 所
XI’AN AEROSPACE PROPULSION INSTITUTE

废液焚烧装置设计方案报告

西安航天动力研究所

2012年10月30日

目 录

1 前言 3
2 技术要求 3
3 主要设计思路 5
4 热力计算 6
5 需水量计算 7
6 废液烧嘴及燃烧炉系统设计 7
6.1 烧嘴总体结构 7
6.2 助燃烧嘴设计 9
6.3 焚烧炉设计 10
6.4 系统设计 14

1 前言
本报告根据广安诚信化工有限责任公司废液焚烧炉工程项目技术要求，对废液焚烧系统燃烧器、焚烧炉、废液喷嘴及炉内冷却水喷淋降温系统进行了设计计算，并提出了系统设计思路。在本报告所提设计思路满足甲方要求以后，再进行比较详细的方案设计。
2 技术要求
2.1 焚烧装置处理量
废液处理：5t/h，废水喷量：20-30 t/h。废液成分如下表所示：
废液成份分析结果
编 号
比例
备 注
羟基乙腈
8．30%

甘氨腈
0．93%
包括胺基化合物，以甘氨腈计
亚氨基二乙腈
8．29%
最低5%
氮川三乙腈
3．04%

有机腈合计
20．56%

游离CN
0．076%
以氰氢酸计
以上化合物氮合计
10．64%

密度g/cm3
1．1563
目前母液在1.21-1.24之间　
CODGr
2360.93mg/L

粘度mpa.s
10±1

PH
4.79
按PH=3.5±1考虑
总氮
13.85%

水分
53.30%

灰分
0.43%

其它有机物
12%

注：废液的平均热值：10467～12501kJ/kg，仅参考。
2.2 助燃燃料气
天然气净化后产生的解吸气作为焚烧炉的辅助燃料，压力8000～15000pa，其燃料成份(V%)如下：
He+O2=0.011%
N2=0.247%
CO2=0.862%
C1=71.865%
C2=17.501%
C3=5.673
iC4=1.142%
nC4=1.168%
iC5=0.462%
nC5=0.257%
C6+=0.812%
低位发热量 ：参考值40657kJ/Nm3
3．设计要求
3.1废液焚烧处理的主要标准依据：
3.1.1国家环保局GB18484－2001《危险废物焚烧污染控制标准》200201-01实施。
3.1.2国家环保局、国家质量监督检验检疫总局GB18597-2001《危险废物贮存污染控制标准》2002-07-01实施。
3.1.3国家环保局GB16297-1996《大气污染物综合排放标准》1997-01-01实施。
3.1.4危险废物集中焚烧处置工程建设技术规范。
3.2废液预处理系统：
3.2.1预处理装置（含储液槽、过虑器等）的处理能力8t/h。
3.3 废液焚烧系统：
3.3.1废液燃烧器选用空气或蒸汽雾化形式，悬浮燃烧。
3.3.2防止废液输送阻塞管道及阀门，管路设置吹扫装置。
3.3.3废液管路选用耐腐的阀门及管道。
3.3.4废液和天然气燃烧器应有可靠的质量、优良的性能、完善的自控系统，燃烧器与焚烧炉炉膛相匹配。
3.3.5燃烧器设有安全保护装置，燃烧器点火启动不正常时，安全保护装置自动切断燃料供应。
3.3.6燃烧器设有火焰报警装置和温控自动调节装置，保证系统安全运行。
3.3.7焚烧炉温度1100～1300℃。
3.3.8烟气停留时间≥2S。
3.3.9焚烧效率≥99.9%。
3.3.10焚烧去除率≥99.99%。
3.3.11焚烧残渣的热灼减率＜5%。
3.3.12焚烧炉排烟温度300℃。
3.4燃烧室的性能要求：
3.4.1结构形式：为露天布置，炉顶设顶盖。
3.4.2焚烧炉为负压运行，其值为50～200Pa。
3.4.3燃烧室承压能力按±4kPa。
3.4.4应设置运行、维护和检修用平台扶梯。
3.4.5燃烧室炉膛采高铝砖耐火材料，耐高温，耐磨损，耐腐蚀。
3.4.6燃烧室的炉墙、烟道、测点、人孔等处应有良好的密封性，防止泄漏。
3.4.7应满足的大修周期为六年，小修周期为三年。
3 主要设计思路
废液回收装置燃烧器与普通酸性气体燃烧器最大的区别是有大量的液态物质需要进入炉膛，废液在高温下产生热分解，此反应为吸热反应，因此需要烧嘴燃烧燃料和空气提供大量热量，同时保证炉温控制在后续工艺需要的合适水平。废液雾化后在焚烧炉内完全分解，酸性气体在炉内完全反应，炉内温度控制在1100°C左右，燃烧过程需要富氧。首先进行热力学参数计算，在保证满足要求的前提下进行了结构设计。根据上述要求喷嘴及焚烧炉的总体设计思路如下：
（1）废液喷嘴使用空气辅助雾化喷嘴，提高雾化质量和均匀度；
（2）燃料气和助燃空气选用旋流喷嘴，形成较大燃气回流区，提高火焰稳定性，增强炉膛内部的湍流度；
（3）废液喷嘴设置在炉膛前端火焰外焰位置，通过炉膛周向均匀喷入炉内，烧嘴的燃气回流区与废液喷雾场相互作用，促进掺混加快废液的蒸发和分解速度；
（4）烧嘴的内喷嘴设置缩进长度，烧嘴出口利用耐火材料形成扩口，提高燃烧效率和火焰稳定性。
（5）废水喷淋降温系统设置在保证废液充分分解的后端分层喷入，为保证废水的充分蒸发，采用空气辅助雾化喷嘴。
4 热力计算
根据废液处理5t/h的要求，对所需的空气量及燃料气量进行了计算，并对整个过程的热力学参数进行了计算。
炉温按1100℃设计，考虑到气体燃烧效率高，而废液中有机物的燃烧效率较低，综合考虑燃烧效率取0.95，热力计算温度取为1440K。废液焚烧的热力计算结果如下：
P, BAR 1.0000
T, K 1425.07
M, (1/n) 26.905
Cp, KJ/(KG)(K) 1.4663
GAMMAs 12674
SON VEL,M/SEC 747.1

MOLE FRACTIONS

*Ar 0.00655
*CO2 0.05412
H2O 0.25667
*NO 0.00043
*N2 0.60269
*OH 0.00006
*O2 0.07339
SO2 0.00600
SO3 0.00009
由计算结果可以看出，由于废液可燃分很多，热值比较高，因此仅采用废液焚烧也可以满足系统处理要求。考虑到废液成分的变化，设置燃料气伴烧装置，在焚烧温度不达标的情况下进行伴烧。
由于废液热值及成分并不能完全明确，经估算所需空气约15500kg/h。考虑到需天然气伴烧，总空气量按20000kg/h设计。
5 需水量计算
根据排烟温度300℃的要求，根据能量平衡原理，对需水量进行了计算。需水量计算可以采用下式进行：

式中、、分别为焚烧后气体的流量、比热及温度。
-水的流量；
/-液态水/水蒸汽比热；
-水的蒸发潜热。
将已知参数带入上式，得到需水量约10吨/h。
6 废液烧嘴及燃烧炉系统设计
根据上述计算结果，对燃烧器、燃烧炉及整改系统进行了设计。由于废液本身参与燃烧，因此在进行设计时，要充分考虑废液本身与空气的充分掺混。并且由于废液成分可能的不稳定，在不满足焚烧温度的情况下需通入燃料气进行助燃。因此在烧嘴设计时，不仅要保证火焰的刚性和充分掺混，还要保证烧嘴在较大工况变化条件下的稳定燃烧。
6.1 烧嘴总体结构
燃烧器中心布置废液喷嘴，在扩口内布置长明灯，长明灯使用电点火器点燃。废液喷嘴外部设置助燃用燃料气进口，在需要伴烧时通入燃料气进行伴烧。头部布置三台紫外线火焰检测器，进行远程检测。预燃室身部布置看火孔，用来观察火焰的燃烧情况。燃烧器和烧嘴结构如下图所示。

图1 燃烧器及内部流线示意图

根据废液物性参数可知，其粘度比水要高，因此为了得到较好的雾化质量，需要选择合适的雾化方式。由于废液中含有微量的固体杂质，使用压力雾化很难达到较小的液滴直径要求，此外压力雾化喷嘴容易堵塞。因此选用空气辅助雾化喷嘴，利用高速空气流与液体相撞，最终破碎为细小的雾滴。空气雾化喷嘴克服了压力雾化喷嘴在低压高粘流体雾化中的缺点，非常适合应用于工业炉等燃烧装置中。
喷嘴方案采用内混式空气雾化喷嘴，废液从中间一环孔喷入混合室，与从侧面对应小孔中喷入的空气发生撞击混合，进行一次雾化。混合室内部压力建立后，气液混合物从端头的环形喷孔喷出，进行二次雾化。为了得到较小而且均匀的雾化液滴直径分布，需要合理调节气孔直径、液孔直径、气液动量比、混合室长度等参数。考虑到废液可以直接参与燃烧反应，而且会放出大量热量，为了保证废液喷雾后的火焰形状和混合效果，需要控制喷雾角度和射流速度，与烧嘴取得较好的匹配性。

图2 喷嘴结构示意图

图3 喷嘴结构三维造型图
6.2 助燃烧嘴设计
根据使用条件，助燃烧嘴主要为废液分解提供热源，使废液能够均匀加热分解，同时助燃烧嘴在废液喷雾的作用下火焰稳定，变化工况时不会出现熄火或不稳定燃烧现象。
为了满足上述要求，烧嘴选用同轴旋流结构，燃料和空气分两路单独供应，形成旋流扩散火焰，本烧嘴结构特点如下
l 高性能。在设计合理的情况下，效率高达96%～99%；
l 工况调节能力强。最大调节能力可高达10:1，而仍保持较高的燃烧效率；
l 结构简单、可靠性高、成本低。
l 航天特殊材料和燃烧技术保证烧嘴不烧蚀；
l 强旋流流体输送方式保证高效混合；
l 火焰稳定，火焰刚性好，燃烧温度均匀；
l 独特的燃烧器控制系统，保证在点火、开工、停工时燃烧装置的安全运行。

图4 烧嘴结构示意图
6.3 焚烧炉设计
炉膛结构设计主要是根据燃气及尿素热解后形成的烟气量、流速和反应时间来确定其直径和高度。
尾气通道直径主要根据喷水冷却后的烟气量和流速来确定，计算结果得到的燃烧炉外形尺寸图如下所示。

图5 废液燃烧炉外形图
在炉膛上部距离烧嘴出口约3-5米的位置开始均匀布置废液喷嘴，先对燃气进行降温，控制进入尾气通道的燃气温度，在尾气通道布置流量较小的喷嘴来满足尾气300℃的要求。喷嘴的布局图如下图所示。

图6 喷嘴布局示意图（具体布置在设计阶段提供）
6.3.1 附件布置
在预燃室外安装了三个火检接口和一个视镜借口，以便于在实际运行时对炉膛中的火焰情况进行实时检测。在炉膛中部及尾气通道中分别设置视镜接口。
由于废液焚烧对温度比较敏感，分别在焚烧炉的上部、中部、下部设置热电偶，了解不同位置温度的变化情况，便于主动调节。
6.3.2 耐火材料设计
耐火材料的设计是保证焚烧炉可靠工作的关键，因此使用的耐火材料必须具备下列特性：
1、所选用的耐火材料必须具备优异的耐高温，耐冲刷，耐腐蚀性能；（即选用材料必须具备较高的耐火度、较高的强度，必须提高材料的荷重软化点、以及耐腐蚀性能）。
2、必须提高材料的热震稳定性，以适应装置长期运行中启停炉频繁的工况条件，有效地防止温度的冷热急变在材料内部产生热应力而导致衬里开裂或剥落等情况。
3、必须具备良好的整体稳定性，并具备较好的抗蠕变性，确保装置在高温状态下长期稳定而可靠地运行。
4、必须提高耐火材料的制作结构的稳定性；为了使装置能更好地长期稳定可靠运行，减少在冷热急变的情况下砖缝众多，收缩引起的坍塌；各类砖型全部采用大砖公母榫槽拼装结构；砌筑时砖缝全部控制在1mm以内；每块大砖必须有1000T的液压震动压机压制，再经过1650℃的高温烧结。
综合本燃烧炉运行的工况及对耐火材料的技术要求，考虑对各部位工作温度及壳外壁温度要求等因素。对各部位采用耐火材料的方案如下：
1、本装置衬里采用三层结构，耐磨耐火耐腐层、隔热耐火保温层和耐酸涂料。耐磨耐火耐腐层衬里必须具备第一款中对衬里的各项要求，隔热耐火保温层也必须具备良好的隔热耐火保温作用，耐酸涂料是防止酸性气体对设备的腐蚀。
2、本设计按燃烧正常工作温度为1200℃，最高使用温度为1550℃，壳体外壁设计温度为170℃左右设计。
3、本炉体耐火材料整体结构部分采用：耐火砖全部采用榫槽拼装结构砌筑，隔热层浇注料采用振捣和捣打施工。
a: 锚固钉采用Ω型或者V型、材质为Cr25Ni20，间距为200×200mm顶部均布。
b：筒体防腐采用耐酸涂料整体涂刷2mm。
c: 工作层采用刚玉砖，施工厚度为114mm。
D：隔热耐火保温层采用莫来石保温浇注料，施工厚度为114mm。
e：膨胀缝采用含锆高铝陶瓷纤维毡。
f：砖缝采用铬刚玉耐火胶泥粘结
刚玉砖设计形状如下图所示，主要耐火材料技术指标见下表。

图7 刚玉砖结构图
表1 耐火材料主要性能
项 目
铬刚玉砖
莫来石保温浇注料
耐酸涂料
体积密度g/cm3
≤3.4
≤1.3
2.0
最高使用温度℃
1600
1200

耐火度℃
≥1780
≥1300
耐酸度 ≥96
耐压强度 MPa
≥90
≥12
110℃粘结合抗拉强度2MP
化学成份%
AL2O3
≥85

SiO2 ≥90%
CrO3
≥3

最高使用温度 ≥400℃

导热系数W/m.k
350℃≤2.5
350℃≤0.4

图8 耐火材料结构示意图
6.4 系统设计
根据系统的配置要求，在完成关键设备废液烧嘴、燃烧炉及废液、废水喷嘴的设计后，根据系统需求，对整个系统进行了设计。系统设计图如下图所示。整个系统完成废液、废水、焚烧空气、助燃燃料气等的供应和系统清洗和除尘功能。系统自带完整的PLC控制系统，来完成对各路流量参数的调节和温度的监控及安全联锁等功能。
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图9 废液焚烧系统简图
6.5 烟囱直径要求
满足本系统的烟囱流速按大于炉膛出口进行设计，在系统流阻满足条件的情况下还可以进一步减小尺寸。
经计算，满足本装置排放所需烟囱直径为1.5米。