李廣生

(中國昆侖工程有限公司 北京 100037)

0 引言

煉化污水處理產(chǎn)生的含油污泥簡稱“煉化油泥”，含有高致病菌、重金屬和各種有害物質(zhì)[1]。通過焚燒處理可將煉化油泥中的有機物碳化，消滅病原體，極大地減少污泥體積[2-3]。回轉(zhuǎn)窯焚燒爐作為污泥干化焚燒處理的首選設(shè)備[4-5]，其優(yōu)點是可處理的廢物范圍廣，入爐進料及排渣方便，操作穩(wěn)定，焚燒安全。焚燒煙氣組成非常復(fù)雜，含有SO2、NOx和重金屬在燃燒溫度下的揮發(fā)物，如Hg、Cd、Cu、Pd、Ni、As、Zn和Cr等，如不對其進行處理而直接排放，會對大氣環(huán)境造成二次污染。

某煉化企業(yè)設(shè)置焚燒裝置對污水處理產(chǎn)生的油泥和生物污泥，以及煉油、化工裝置產(chǎn)生的有機固體廢棄物和廢液進行焚燒處理。隨著煉化企業(yè)焚燒煙氣排放要求的提高，焚燒煙氣排放指標(biāo)按照《危險廢物焚燒污染控制標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18484—2014)和《危險廢物焚燒大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(DB 31/767—2013)執(zhí)行，因此需要對現(xiàn)有焚燒系統(tǒng)進行改造。

1 工藝方案

1.1 工藝概述

本項目主要針對焚燒煙氣中NOx、SO2、煙塵等指標(biāo)進行升級改造。改造內(nèi)容包括新增SNCR脫硝系統(tǒng)、急冷系統(tǒng)改造、除塵系統(tǒng)改造、新增濕法脫硫系統(tǒng)和煙氣換熱系統(tǒng)。焚燒裝置煙氣處理系統(tǒng)工藝流程如圖1所示，改造前煙氣量及組成如表1所示，改造后大氣污染物的排放限值如表2所示。

表2 危險廢物焚燒爐大氣污染物排放限值 mg/m3(二噁英類除外)

圖1 焚燒裝置煙氣處理系統(tǒng)工藝流程

表1 焚燒裝置改造前煙氣量及組成

1.2 煙氣脫硝系統(tǒng)

1.2.1 SNCR脫硝工藝及還原劑選擇

污泥焚燒過程產(chǎn)生的NOx平均質(zhì)量濃度為471.6 mg/m3[6]。綜合考慮固體焚燒裝置的工藝特點、煙氣成分、反應(yīng)溫度及對脫硝裝置的效率要求等，本項目選用SNCR法進行煙氣脫硝。

工程上有兩種基本的SNCR系統(tǒng)設(shè)計，一種是基于氨的系統(tǒng)，另一種是基于尿素的系統(tǒng)。注射氨經(jīng)常被用來控制焚燒爐中氮氧化物的排放；氨作為還原劑時的NOx脫除效率最高，液氨的投資、運輸和使用成本最低，但液氨屬于易燃易爆物品，必須有嚴(yán)格的安全保證和防火措施，其運輸、存儲需嚴(yán)格執(zhí)行相關(guān)法規(guī)和勞動衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)。尿素是顆粒狀固體，安全無害，運輸、儲存和使用比較簡單安全，但其制氨系統(tǒng)較為復(fù)雜，設(shè)備初期投資及運行費用較高。綜合考慮，SNCR脫硝工藝還原劑宜采用尿素溶液。根據(jù)現(xiàn)場條件，本項目采用尿素作為還原劑，將尿素溶液噴入高溫?zé)煔庵?，尿素?zé)峤猱a(chǎn)生NH3，NH3在反應(yīng)溫度850～1 100 ℃時，發(fā)生氣相還原反應(yīng)，將NO還原成N2，反應(yīng)式為

6NO+4NH3→NO2+6H2O

尿素品質(zhì)應(yīng)符合《尿素》(GB/T 2440—2017)中工業(yè)用尿素的要求。SNCR系統(tǒng)由還原劑配制及儲存系統(tǒng)、供給系統(tǒng)和噴射系統(tǒng)組成，主要工藝設(shè)備如表3所示，工藝流程如圖2所示。

表3 SNCR脫硝系統(tǒng)主要設(shè)備

圖2 煙氣脫硝系統(tǒng)工藝流程

1.2.2 還原劑配制、存儲系統(tǒng)

尿素溶液配制及存儲系統(tǒng)的主要設(shè)備包括：尿素溶液配制罐、尿素溶液儲存罐、尿素溶液輸送泵等。

尿素溶液儲存罐的容量應(yīng)不少于焚燒裝置在額定工況下7 d的尿素溶液消耗量。尿素的溶解過程會吸收熱量，為了防止尿素溶液結(jié)晶，溶解過程需要加熱。尿素溶液配制罐設(shè)置加熱盤管，采用蒸汽加熱。配制的20%尿素溶液經(jīng)尿素溶液輸送泵送入尿素溶液儲存罐中。配制罐和儲存罐材質(zhì)選用S30408不銹鋼。罐體外部需要保溫。

在整個SNCR脫硝工藝中，尿素溶液總是處于被加熱狀態(tài)。為了防止脫硝系統(tǒng)的管路結(jié)垢、堵塞，SNCR系統(tǒng)采用除鹽水作為工藝水。

1.2.3 還原劑供給系統(tǒng)

尿素溶液儲存罐中的尿素溶液通過尿素溶液供給泵輸送到混合器中，并與工藝水混合稀釋至10%后送至噴槍。脫硝控制系統(tǒng)控制尿素溶液進入噴槍的流量，使其滿足焚燒系統(tǒng)脫除NOx的需求量?？刂葡到y(tǒng)通過實測SNCR出口NOx數(shù)值，并將計算結(jié)果反饋給尿素流量調(diào)節(jié)閥以控制尿素溶液的供給量。

1.2.4 還原劑噴射系統(tǒng)

尿素噴射系統(tǒng)采用槍式噴射器，用于在脫硝反應(yīng)區(qū)內(nèi)擴散尿素溶液，使其與煙氣充分混合。噴槍設(shè)置在余熱鍋爐入口煙道處(煙溫850～950 ℃)。

噴槍的設(shè)計參數(shù)及布置方式依據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果和焚燒裝置結(jié)構(gòu)確定，既要保證尿素溶液與煙氣的充分混合，同時避免噴入反應(yīng)區(qū)的還原劑與壁面接觸。

噴槍采用壓縮空氣霧化方式將尿素溶液噴入反應(yīng)區(qū)，尿素進入爐膛后被迅速加熱、分解，形成氨氣，與煙氣中的NOx發(fā)生反應(yīng)。

噴槍處于高溫和高塵的環(huán)境中，易磨損和腐蝕，其材質(zhì)選用S31603不銹鋼。噴嘴采用適于噴射尿素溶液的二流體噴嘴，構(gòu)造簡單，易于維護。

SNCR系統(tǒng)出口煙氣中氨逃逸質(zhì)量濃度<8 mg/m3，NOx質(zhì)量濃度≤250 mg/m3，脫硝效率不低于30%。

1.3 煙氣急冷系統(tǒng)

為了避免二噁英的大量生成，污泥焚燒可采用急冷技術(shù)[7]。美歐國家已發(fā)布的技術(shù)報告中顯示，污泥焚燒產(chǎn)生的二噁英不經(jīng)處理直接排放便已在0.1 ng-TEQ/m3以下[8]。焚燒過程中產(chǎn)生的二噁英主要是焚燒煙氣離開高溫燃燒段后的重新合成，包括余熱鍋爐、熱交換器等溫度在500 ℃至200 ℃的區(qū)域，因此在區(qū)域內(nèi)防止二噁英的產(chǎn)生是較為關(guān)鍵的控制生成技術(shù)。為此，需在余熱鍋爐后設(shè)置煙氣急冷系統(tǒng)。

本焚燒裝置余熱回收系統(tǒng)在長期運行后，由于受熱面結(jié)垢、積灰等原因，造成換熱效率下降，排煙溫度上升。在焚燒裝置滿負(fù)荷時，急冷系統(tǒng)無法將余熱鍋爐排出的煙氣自600 ℃降至200 ℃以下?，F(xiàn)有急冷塔冷卻水供水泵額定流量為5 m3/h，揚程為50 m。但依據(jù)目前運行工況計算的急冷水量為7 m3/h，現(xiàn)有冷卻水供給系統(tǒng)及噴槍不能滿足使用要求，需更換冷卻水供水泵和急冷塔噴槍，設(shè)備清單如表4所示。

表4 煙氣急冷系統(tǒng)改造設(shè)備

1.4 煙氣除塵系統(tǒng)

焚燒系統(tǒng)設(shè)置袋式除塵器，經(jīng)過急冷塔降溫后的煙氣進入袋式除塵器，煙氣溫度為200 ℃，可以保證濾袋不致結(jié)露產(chǎn)生酸性腐蝕。含塵煙氣由袋式除塵器下部進風(fēng)口進入后，在擋風(fēng)板的作用下，氣流向上流動，流速降低，部分大顆粒粉塵由于慣性力的作用被分離出來落入灰斗。含塵煙氣進入箱體經(jīng)濾袋的過濾凈化，粉塵被阻留在濾袋的外表面，凈化后的氣體經(jīng)濾袋口進入上箱體，由出風(fēng)口排出。低壓脈沖袋式除塵器具有較高的除塵效率，可達99.99%以上，通過更換100%PTFE材質(zhì)濾袋，滿足焚燒煙氣處理工況要求。濾袋尺寸為φ160 mm×5 000 mm，數(shù)量為400條。濾袋打折角度為2.5°～3°，打折濾袋增加了通風(fēng)面積，可以提高粉塵過濾效率。煙氣出口含塵質(zhì)量濃度可以達到30 mg/m3的排放標(biāo)準(zhǔn)。

1.5 煙氣脫硫系統(tǒng)

1.5.1 煙氣脫硫工藝及脫硫劑選擇

焚燒裝置濕法煙氣脫硫系統(tǒng)工藝流程如圖3所示，主要設(shè)備如表5所示。脫硫劑選用20%NaOH溶液，其品質(zhì)符合《工業(yè)用氫氧化鈉》(GB/T 209—2018)的要求。NaOH是強堿，與SO2反應(yīng)速度快，吸收能力強，生成的Na2SO3、Na2SO4都有較大的溶解度，不易結(jié)垢堵塞，脫硫液氣比為3～4，Na與S物質(zhì)的量之比可取為2.0～2.4。

表5 濕法煙氣脫硫系統(tǒng)主要設(shè)備

圖3 濕法煙氣脫硫系統(tǒng)工藝流程

1.5.2 煙氣換熱系統(tǒng)

煙氣換熱系統(tǒng)選用的板式換熱器具有傳熱高效、結(jié)構(gòu)緊湊、尺寸小、重量輕、不易結(jié)垢、可自清洗、安裝維護方便、可靠性高、投資維護費用低等特點。脫硫塔前、后煙氣進行換熱，有效避免了脫硫后煙氣溫度較低、濕度較大而形成“白煙”的現(xiàn)象。

1.5.3 脫硫劑供給系統(tǒng)

利用堿液供給泵輸送堿液，堿液自儲罐直接送入吸收塔底部。脫硫劑供給系統(tǒng)可對堿液補充量與煙氣量、進出口SO2濃度和循環(huán)液pH值等進行聯(lián)鎖控制。

1.5.4 脫硫塔系統(tǒng)

脫硫塔系統(tǒng)由漿液循環(huán)系統(tǒng)和除霧系統(tǒng)組成。脫硫塔底部吸收液由漿液循環(huán)泵送至噴淋層，再由噴淋層上部的噴嘴噴出。煙氣進入脫硫塔后，與含有脫硫吸收劑的循環(huán)漿液逆向接觸，煙氣中的SO2被漿液中的堿性成分吸收，煙氣得到充分凈化。通過噴淋層后，煙氣中的SO2、HCl和HF等污染物得到有效去除。

循環(huán)噴淋系統(tǒng)配置3臺循環(huán)泵和3層噴淋層，1臺循環(huán)泵對應(yīng)1層噴淋層。正常運行時開啟2層噴淋層，煙氣中SO2濃度較高時，開啟3層噴淋層。

脫硫后的凈煙氣通過噴淋層上方設(shè)置的雙層平板式除霧器，分離凈煙氣中夾帶的液滴，使凈煙氣的霧滴質(zhì)量濃度不超過75 mg/m3。

1.5.5 副產(chǎn)物處理

脫硫后產(chǎn)生的廢水從塔底排到吸收塔區(qū)地下罐，之后由廢水泵通過排水管線排至污水處理廠。煙氣濕法脫硫系統(tǒng)廢水排放量及組成如表6所示。

表6 煙氣脫硫系統(tǒng)廢水排放量及組成

2 運行效果

本項目自建成投用以來，煙氣排放穩(wěn)定達標(biāo)。煙氣中SO2質(zhì)量濃度≤50 mg/m3、NOx質(zhì)量濃度≤250 mg/m3、煙塵質(zhì)量濃度≤20 mg/m3，滿足相關(guān)環(huán)保指標(biāo)要求。

急冷塔在焚燒裝置滿負(fù)荷狀態(tài)下，出口煙氣溫度<190 ℃，滿足工藝要求，急冷系統(tǒng)運行穩(wěn)定。

煙氣換熱器出口煙氣溫度>90 ℃，運行參數(shù)均滿足設(shè)計指標(biāo)要求。經(jīng)過1年的運行，在檢修過程中發(fā)現(xiàn)，板式換熱器表面積灰不嚴(yán)重，未出現(xiàn)明顯腐蝕，如圖4所示。經(jīng)過煙氣換熱后，“白煙”現(xiàn)象得到有效改善，裝置運行狀況如圖5所示，主要技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)如表7所示。

圖4 煙氣換熱器檢修情況

圖5 煙氣脫硫裝置運行狀況

表7 主要技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)

3 結(jié)論

本文結(jié)合某煉化企業(yè)含油污泥焚燒裝置改造，對焚燒裝置煙氣治理工藝方案進行了詳細(xì)論述。該裝置采用回轉(zhuǎn)窯+二燃室+SNCR+余熱鍋爐+急冷塔+布袋除塵+濕法脫硫+煙氣換熱工藝，裝置投用后，煙氣中NOx質(zhì)量濃度為170 mg/m3，SO2質(zhì)量濃度為17 mg/m3，煙塵質(zhì)量濃度為1 mg/m3，排放指標(biāo)達到相關(guān)環(huán)保要求，裝置性能良好、運行平穩(wěn)，已通過竣工驗收。通過該焚燒裝置改造的成功運行得出以下結(jié)論：

(1)SNCR法用于含油污泥焚燒煙氣處理，在氨逃逸質(zhì)量濃度<8 mg/m3時，脫硝效率可以達到40%以上。

(2)采用100%PTFE材質(zhì)的袋式除塵器能適應(yīng)含油污泥焚燒煙氣處理工況要求，并能保證長期穩(wěn)定運行，除塵效率達到99%。

(3)濕法煙氣脫硫應(yīng)用于含油污泥焚燒煙氣處理，在Na與S物質(zhì)的量之比為2.04、液氣比為7(運行值)時，其脫硫效率可以達到97%以上。

(4)采用濕法脫硫前后煙氣換熱工藝，可以有效提高外排煙氣溫度，在冬季焚燒裝置額定負(fù)荷工況下，排煙溫度>90 ℃，煙氣“消白”效果顯著，并且換熱器運行1年后未出現(xiàn)明顯的腐蝕現(xiàn)象。

綜上所述，回轉(zhuǎn)窯+二燃室+SNCR+余熱鍋爐+急冷塔+布袋除塵+濕法脫硫+煙氣換熱工藝適用于煉化企業(yè)含油污泥處理，且煙氣排放滿足GB 18484—2014和DB 31/767—2013的要求。該焚燒裝置的成功改造可為類似裝置的改造提供良好的借鑒。