利用開工燒嘴處理高難度有機廢水的研究

李吉輝

(明泉集團股份有限公司, 濟南 250200)

有機廢水水質復雜、有機物含量大，其中可能含有有毒有害物質；處理有機廢水的費用過高、處理難度較大且缺乏相應的治理技術，是目前工業廢水處理的重點和難點之一。利用水煤漿加壓氣化技術處理有機廢水能夠較好地解決該問題，但是由于磨煤系統為敞開式設計，在煤漿制備過程中出于安全和環保原因無法對含有危險有毒的高難度有機廢水進行處理。因此，提高高難度有機廢水處理量及處理質量是目前亟待解決的問題。

筆者利用頂噴多噴嘴煤粉氣化爐、多元原料開工燒嘴和高難度廢水供料系統，充分發揮頂噴多噴嘴煤粉氣化爐爐內多股原料能夠充分混合、流場分布均勻的優勢，在粉煤燒嘴投入后，將高難度有機廢水通過開工燒嘴充分霧化，使其在氣化爐內參與反應，生成以CO和H2為主的原料氣，從根本上解決高難度有機廢水的處理問題[1]。

1 粉煤氣化摻燒高難度有機廢水的原理

原料煤被碾磨為直徑為5～90 μm的粉煤顆粒后，經過干燥，通過密相氣流輸送系統送至粉煤燒嘴，在反應室內與氣化劑(氧氣和水蒸氣)在高溫高壓的條件下反應，生成以CO和H2為主的合成氣。

氣化爐中發生的主要反應為：

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氣化爐內的反應比較復雜，在實際生產過程中，使用氧煤比控制氣化爐反應溫度，使用水氧比調節合成氣組分，因此在氣化反應過程中，加入適量的水蒸氣可有效地提高合成氣中有效氣比例；而高難度有機廢水中含有以C、H元素為主的有機物，可在氣化爐高溫高壓條件下，瞬間完成有機質分解甚至是裂解，而后參與爐內反應，最終生成CO和H2[2-3]。

2 工藝流程

在原料煤投入系統之前，氧氣與燃料被加壓輸送至開工燒嘴，在反應室內進行燃燒，對氣化爐進行升溫升壓，待氣化爐壓力和水冷壁系統溫度升至合格后，粉煤與氣化劑通過粉煤燒嘴輸送至氣化爐內進行反應。

待粉煤燒嘴運行穩定后，可停止開工燒嘴運行，切斷其燃料和氧氣供應，同時將保護氣(主要為CO2和N2)以一定流量通入燃料和氧氣通道內，以防止高溫合成氣倒竄入開工燒嘴通道內，造成開工燒嘴燒蝕甚至高溫合成氣竄出引起爆炸。

在粉煤燒嘴投入、開工燒嘴燃料和氧氣正常停止供應后，可將高難度有機廢水通入開工燒嘴，在開工燒嘴頭部與燃料管線保護氣CO2以一定比例預混合后出開工燒嘴，在開工燒嘴頭部附近與來自開工燒嘴氧氣管道的清潔高壓N2以一定比例進行對撞、混合、霧化，而后代替水蒸氣在氣化爐內參與反應，生成以CO和H2為主的原料氣。當高難度有機廢水準備停止投用時，可提高燃料管線保護氣CO2和氧氣管線保護氣N2流量后切斷高難度有機廢水的供應，完成對開工燒嘴的保護性吹掃。

由于開工燒嘴位于頂噴多噴嘴煤粉氣化爐的爐頂中心位置，粉煤燒嘴以開工燒嘴為圓心在頂噴多噴嘴煤粉氣化爐的爐頂呈圓周分布，多元物料能夠在氣化爐內進行充分對撞、混合、反應，確保高難度有機廢水可與出粉煤噴嘴的粉煤及反應物進行二次反應。

通過以上過程可看出，在高難度有機廢水投用或切出過程中，開工燒嘴氧氣管線和燃料管線均有惰性氣進行保護，確保氣化爐運行安全。

具體開工燒嘴處理高難度有機廢水的工藝流程見圖1。

圖1 開工燒嘴處理高難度有機廢水的工藝流程簡圖

3 開工燒嘴結構

開工燒嘴頭部結構見圖2。

1—打火槍通道；2—火檢檢測器通道；3—燃料通道；4—高難度有機廢水通道；5—氧氣通道；6—冷卻水入口通道；7—冷卻水出口通道；8—高難度有機廢水燃料通道霧化旋流器；9—打火槍；10—高難度有機廢水霧化旋流器；11—外環氧氣噴孔；12—內環氧氣噴孔;13—混合燃料腔。

由圖2可看出：開工燒嘴正常運行時，燃料和氧氣分別通過燃料通道及氧氣通道噴出燒嘴，在混合燃料腔內進行混合燃燒；而開工燒嘴停止運行時，保護氣CO2和N2分別進入燃料通道和氧氣通道進行保護性吹掃。

當高難度有機廢水投入時，高難度有機廢水通過設在燃料通道的霧化旋流器以一定切向角度進入燃料通道，在燃料通道內與高速流通的保護氣CO2進行一次對撞、混合，形成微小液滴，然后再通過高難度有機廢水霧化旋流器以一定角度進入混合燃料腔，在混合燃料腔內與呈反向流速的出氧氣通道保護氣N2進行二次高速對撞、混合、霧化，以一定旋流角度噴出開工燒嘴，在高溫高壓條件下有機質瞬間氣化、分解，與氣化爐內物質充分接觸，最終反應生成CO和H2。

通過開工燒嘴結構內部設置的兩次霧化旋流器和一定角度的氧氣噴孔，能夠確保高難度有機廢水中有機質和水分充分霧化后在氣化爐內完成瞬間的氣化與分解，然后參與到反應過程中[4]。

4 注意事項

(1)高難度有機廢水僅限于固體質量分數小于2%的液體，對于固體質量分數較高的有機廢水，對霧化旋流器及其流通通道會產生磨損、堵塞等不利因素，從而對氣化爐運行產生影響。

(2)由于高難度有機廢水代替高溫蒸汽參與反應，其在氣化過程中會吸收相變熱，引起反應溫度降低，需要及時調整氣化爐反應溫度；同時，該過程會造成能量損失，但相比于高難度有機廢水處理費用，該能量損失可忽略不計。

(3)由于高難度有機廢水的投入，開工燒嘴燃料通道內介質由單液相或單氣相變為氣液兩相，對該通道材質提出了更高等級的要求。

(4)高難度有機廢水內如果含有其他離子，在實際生產過程中，應充分考慮到這些離子對于氣化裝置所造成的影響。

5 結語

綜上所述，通過利用粉煤加壓氣化技術處理高難度有機廢水，可從根本上解決由含有危險有毒的高難度有機廢水引起的安全及環保問題，在目前國內安全及環保形勢越來越嚴格的情況下，給相關企業或化工園區綜合廢水治理提供新的思路。