雷晏國 賈 軍 王煙芝 王 林 董 輝

(咸陽陶瓷研究設(shè)計院有限公司 陜西 咸陽 712000)

隨著工業(yè)的迅猛發(fā)展，各種廢氣、廢渣、廢液增多。生態(tài)環(huán)境破壞日益惡劣，環(huán)保問題逐步提上日程。窯爐設(shè)備在工業(yè)生產(chǎn)過程中，因產(chǎn)量大，能耗高，排出的廢氣也很大，如不進(jìn)行集中尾氣收集并處理，會對周圍環(huán)境產(chǎn)生污染。窯爐在生產(chǎn)不同產(chǎn)品過程中會排出各種不同種類的有害氣體，如石墨負(fù)極材料燒制過程、超容碳的活化和碳化，排出的廢氣有焦油氣、氨氣、鉀蒸汽等，有些產(chǎn)品還可能排出硫化物、有機(jī)物等。這些廢氣如不加以處理直接排放到大氣中，既污染了環(huán)境，又對人體造成了傷害。根據(jù)多年的生產(chǎn)實踐，采取尾氣集中收集后在焚燒爐內(nèi)燃燒，燃燒后再經(jīng)過噴淋或者活性炭吸附等方式處理后排放到空氣中的方式，這種方式經(jīng)過驗證達(dá)到了尾氣排放標(biāo)準(zhǔn)。下面僅以焚燒爐的設(shè)計進(jìn)行探討。

1 燃?xì)夥贌隣t的原理

焚燒爐加熱方式為燃?xì)饧訜岱绞?，爐膛尾氣排出后，經(jīng)過收集管路，通過引風(fēng)機(jī)引入到一定溫度的焚燒爐膛內(nèi)。

進(jìn)入爐膛的尾氣、充足的空氣、燃?xì)鉄靽姵龅幕鹧嫒咝纬梢粋€渦流，使得尾氣在高溫狀態(tài)充分燃燒，廢氣燃燒后的產(chǎn)物主要為CO2、H2O、SO2等，前2種可直接排入空氣中，后2種則需要噴淋和活性炭吸附等其他手段加以處理。

爐體燃燒根據(jù)3T(溫度、時間、渦流)原則設(shè)計，確保廢氣在爐膛內(nèi)充分地氧化、分解、燃燒，使有機(jī)物去除率達(dá)到99%以上。

停留時間的合理性是確保廢氣完全燃燒的前提，工況時燃燒室溫度650 ℃以上，煙氣停留時間≥2 s，溫度越高，停留時間越短。溫度范圍可根據(jù)不同尾氣調(diào)整，調(diào)整區(qū)間為650～1 000 ℃。渦流旋轉(zhuǎn)使得廢氣、燃料氣和空氣充分混合，混合程度好、湍流度高，則燃燒效率就高。

2 焚燒爐的設(shè)計

焚燒爐主要由管道、爐體、引風(fēng)系統(tǒng)、電控系統(tǒng)組成，如圖1所示。

圖1 焚燒爐結(jié)構(gòu)示意圖

2.1 管道設(shè)計

從窯爐上各個排氣口上排出的尾氣通過管路收集在一根主管上，最后連接在焚燒爐尾氣進(jìn)口上。管道材質(zhì)為304材質(zhì)。根據(jù)尾氣成分的不同，管道需要做保溫或者給管道增加加熱裝置，有利于尾氣的順暢流動，防止凝結(jié)在管道中堵塞管道。

管道管徑大小可根據(jù)尾氣排放總量和流速來確定，具體如下：

其中，V為氣體在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的體積流量(Nm3/h)；d為管道內(nèi)徑(mm)；ω為管內(nèi)氣體在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的流速(m/s)，一般取2～3 m/s。

2.2 爐體設(shè)計

技術(shù)要求：溫度≤1 000 ℃，控溫精度±5 ℃，溫度可調(diào)，功率可調(diào)。

爐體由外殼、保溫層、燒嘴系統(tǒng)組成。具體如圖2所示。

圖2 爐體結(jié)構(gòu)示意圖

2.2.1 爐膛尺寸的計算確定

焚燒爐爐膛設(shè)計成臥式、圓筒結(jié)構(gòu)，這樣廢氣在爐膛內(nèi)死角最少，最有利于燃燒完全。

焚燒爐爐膛尺寸主要是由燃燒室允許的容積熱強(qiáng)度和廢氣焚燒時在高溫爐膛內(nèi)所需的停留時間2個因素決定的。通常的做法是按爐膛允許熱強(qiáng)度來決定爐膛尺寸，然后按廢氣焚燒所必需的停留時間加以校核。具體如下：

其中，qv為爐膛容積熱強(qiáng)度(W/m3)；B為每小時燃料量(kg/h)；Qydw為每公斤燃料的最低發(fā)熱量(kJ/kg)；V1為爐膛容積(m3)。

停留時間計算如下：

其中，t為尾氣停留時間(s)；V1為焚燒爐爐膛總體積(m3)；V為爐膛內(nèi)對應(yīng)溫度煙氣的體積(m3)。

假設(shè)尾氣為理想氣體，并假設(shè)爐膛內(nèi)壓力無變化，根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程可得：

其中，V為爐膛內(nèi)對應(yīng)溫度煙氣的體積(m3)；V'為標(biāo)準(zhǔn)狀況下，溫度為23 ℃時廢氣的體積(m3)；T為焚燒時爐膛內(nèi)實際溫度(℃)。

2.2.2 外殼及保溫層

外殼采用板材卷繞焊接而成，外殼上設(shè)計有燒嘴孔、觀察孔、防爆口、熱電偶口、壓力檢測口、維修孔等。

保溫層的選用根據(jù)爐膛溫度高低選擇承受焚燒溫度的耐火材料，同時也要考慮廢氣對耐火材料的腐蝕性，根據(jù)廢氣種類，選擇耐酸、耐堿的材料。在焚燒的過程中，不可避免會有腐蝕和損壞的情況，設(shè)計時可考慮維修窗等。

2.2.3 燃燒系統(tǒng)

燃燒系統(tǒng)主要由安裝在外殼上的燃?xì)鉄靵韺崿F(xiàn)給爐膛加熱。燃控系統(tǒng)帶有自動點火、火焰檢測等全自動系統(tǒng)。具有安全可靠的燃?xì)庑孤z測和處理系統(tǒng)，一旦發(fā)生燃?xì)庑孤┗驘煜纾p電磁閥將切斷燃?xì)夤苈?。助燃空氣由一臺變頻風(fēng)機(jī)提供，在助燃風(fēng)管路上安裝有一個電動調(diào)節(jié)閥來調(diào)節(jié)進(jìn)風(fēng)量的大小。

2.2.4 引風(fēng)管路

引風(fēng)管路上裝有配風(fēng)閥、煙氣閘閥。配風(fēng)閥數(shù)量多少根據(jù)系統(tǒng)管路上溫度確定，配風(fēng)閥實現(xiàn)了自動控制，根據(jù)管路溫度自動調(diào)整開度大小。煙氣閘閥的開度可增加煙氣在爐膛內(nèi)的停留時間。根據(jù)燃燒后排出氣體的不同，在引風(fēng)管路上可增加不同的處理設(shè)備，如噴淋塔、活性炭吸附塔等。

3 電控系統(tǒng)

整個系統(tǒng)集成在一個觸控屏上來體現(xiàn)，能實現(xiàn)燒嘴的自動點火，燃?xì)庑孤﹫缶⒆詣雨P(guān)閉氣源等，溫度可根據(jù)廢氣種類設(shè)置不同的溫度，溫度設(shè)置好后將穩(wěn)定在這一溫度范圍，溫度均勻性可達(dá)到±5℃。爐膛內(nèi)進(jìn)風(fēng)量的多少通過氧含量測試器來精確控制電動調(diào)節(jié)閥的開度。爐膛壓力通過壓力傳感器來控制爐尾風(fēng)機(jī)電機(jī)頻率，使得爐膛壓力始終保持在微負(fù)壓狀態(tài)運(yùn)行。

4 應(yīng)用情況

焚燒爐制作完成后，應(yīng)用于張家港某企業(yè)的超容碳生產(chǎn)上，從客戶現(xiàn)場反應(yīng)情況看，如果停止焚燒后，尾氣排出后車間內(nèi)有很大的異味，環(huán)境污染很明顯；焚燒時車間內(nèi)沒有任何異味，達(dá)到了環(huán)保要求。在四川某企業(yè)電池負(fù)極燒成過程中，關(guān)閉焚燒爐時尾氣彌漫在車間內(nèi)，使用后車間無異味，達(dá)到環(huán)保要求。

5 結(jié)語

廢氣焚燒效率可達(dá)到99%，在高濃度廢氣處理中是其他處理設(shè)備所不具備的。有機(jī)廢氣在焚燒爐內(nèi)燃燒后的氣體主要是CO2和H2O，可直接排放到空氣中，這是活性炭吸附、噴淋塔等設(shè)備所不具備的。該技術(shù)可實現(xiàn)二噁英的零排放；該設(shè)備具有排煙量少、灰渣無污染、效率高、性價比高等特點；該設(shè)備具有一定的應(yīng)用前景和推廣價值。