李吉輝

(明泉集團(tuán)股份有限公司, 濟(jì)南 250200)

有機(jī)廢水水質(zhì)復(fù)雜、有機(jī)物含量大，其中可能含有有毒有害物質(zhì)；處理有機(jī)廢水的費(fèi)用過高、處理難度較大且缺乏相應(yīng)的治理技術(shù)，是目前工業(yè)廢水處理的重點(diǎn)和難點(diǎn)之一。利用水煤漿加壓氣化技術(shù)處理有機(jī)廢水能夠較好地解決該問題，但是由于磨煤系統(tǒng)為敞開式設(shè)計(jì)，在煤漿制備過程中出于安全和環(huán)保原因無法對(duì)含有危險(xiǎn)有毒的高難度有機(jī)廢水進(jìn)行處理。因此，提高高難度有機(jī)廢水處理量及處理質(zhì)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(tǒng)，充分發(fā)揮頂噴多噴嘴煤粉氣化爐爐內(nèi)多股原料能夠充分混合、流場(chǎng)分布均勻的優(yōu)勢(shì)，在粉煤燒嘴投入后，將高難度有機(jī)廢水通過開工燒嘴充分霧化，使其在氣化爐內(nèi)參與反應(yīng)，生成以CO和H2為主的原料氣，從根本上解決高難度有機(jī)廢水的處理問題[1]。

1 粉煤氣化摻燒高難度有機(jī)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(jīng)過干燥，通過密相氣流輸送系統(tǒng)送至粉煤燒嘴，在反應(yīng)室內(nèi)與氣化劑(氧氣和水蒸氣)在高溫高壓的條件下反應(yīng)，生成以CO和H2為主的合成氣。

氣化爐中發(fā)生的主要反應(yīng)為：

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

氣化爐內(nèi)的反應(yīng)比較復(fù)雜，在實(shí)際生產(chǎn)過程中，使用氧煤比控制氣化爐反應(yīng)溫度，使用水氧比調(diào)節(jié)合成氣組分，因此在氣化反應(yīng)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(jī)廢水中含有以C、H元素為主的有機(jī)物，可在氣化爐高溫高壓條件下，瞬間完成有機(jī)質(zhì)分解甚至是裂解，而后參與爐內(nèi)反應(yīng)，最終生成CO和H2[2-3]。

2 工藝流程

在原料煤投入系統(tǒng)之前，氧氣與燃料被加壓輸送至開工燒嘴，在反應(yīng)室內(nèi)進(jìn)行燃燒，對(duì)氣化爐進(jìn)行升溫升壓，待氣化爐壓力和水冷壁系統(tǒng)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(nèi)進(jìn)行反應(yīng)。

待粉煤燒嘴運(yùn)行穩(wěn)定后，可停止開工燒嘴運(yùn)行，切斷其燃料和氧氣供應(yīng)，同時(shí)將保護(hù)氣(主要為CO2和N2)以一定流量通入燃料和氧氣通道內(nèi)，以防止高溫合成氣倒竄入開工燒嘴通道內(nèi)，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(yīng)后，可將高難度有機(jī)廢水通入開工燒嘴，在開工燒嘴頭部與燃料管線保護(hù)氣CO2以一定比例預(yù)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(jìn)行對(duì)撞、混合、霧化，而后代替水蒸氣在氣化爐內(nèi)參與反應(yīng)，生成以CO和H2為主的原料氣。當(dāng)高難度有機(jī)廢水準(zhǔn)備停止投用時(shí)，可提高燃料管線保護(hù)氣CO2和氧氣管線保護(hù)氣N2流量后切斷高難度有機(jī)廢水的供應(yīng)，完成對(duì)開工燒嘴的保護(hù)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(nèi)進(jìn)行充分對(duì)撞、混合、反應(yīng)，確保高難度有機(jī)廢水可與出粉煤噴嘴的粉煤及反應(yīng)物進(jìn)行二次反應(yīng)。

通過以上過程可看出，在高難度有機(jī)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(jìn)行保護(hù)，確保氣化爐運(yùn)行安全。

具體開工燒嘴處理高難度有機(jī)廢水的工藝流程見圖1。

圖1 開工燒嘴處理高難度有機(jī)廢水的工藝流程簡(jiǎn)圖

3 開工燒嘴結(jié)構(gòu)

開工燒嘴頭部結(jié)構(gòu)見圖2。

1—打火槍通道；2—火檢檢測(cè)器通道；3—燃料通道；4—高難度有機(jī)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(jī)廢水燃料通道霧化旋流器；9—打火槍；10—高難度有機(jī)廢水霧化旋流器；11—外環(huán)氧氣噴孔；12—內(nèi)環(huán)氧氣噴孔;13—混合燃料腔。

由圖2可看出：開工燒嘴正常運(yùn)行時(shí)，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(nèi)進(jìn)行混合燃燒；而開工燒嘴停止運(yùn)行時(shí)，保護(hù)氣CO2和N2分別進(jìn)入燃料通道和氧氣通道進(jìn)行保護(hù)性吹掃。

當(dāng)高難度有機(jī)廢水投入時(shí)，高難度有機(jī)廢水通過設(shè)在燃料通道的霧化旋流器以一定切向角度進(jìn)入燃料通道，在燃料通道內(nèi)與高速流通的保護(hù)氣CO2進(jìn)行一次對(duì)撞、混合，形成微小液滴，然后再通過高難度有機(jī)廢水霧化旋流器以一定角度進(jìn)入混合燃料腔，在混合燃料腔內(nèi)與呈反向流速的出氧氣通道保護(hù)氣N2進(jìn)行二次高速對(duì)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(jī)質(zhì)瞬間氣化、分解，與氣化爐內(nèi)物質(zhì)充分接觸，最終反應(yīng)生成CO和H2。

通過開工燒嘴結(jié)構(gòu)內(nèi)部設(shè)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(jī)廢水中有機(jī)質(zhì)和水分充分霧化后在氣化爐內(nèi)完成瞬間的氣化與分解，然后參與到反應(yīng)過程中[4]。

4 注意事項(xiàng)

(1)高難度有機(jī)廢水僅限于固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于2%的液體，對(duì)于固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高的有機(jī)廢水，對(duì)霧化旋流器及其流通通道會(huì)產(chǎn)生磨損、堵塞等不利因素，從而對(duì)氣化爐運(yùn)行產(chǎn)生影響。

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

(3)由于高難度有機(jī)廢水的投入，開工燒嘴燃料通道內(nèi)介質(zhì)由單液相或單氣相變?yōu)闅庖簝上?，?duì)該通道材質(zhì)提出了更高等級(jí)的要求。

(4)高難度有機(jī)廢水內(nèi)如果含有其他離子，在實(shí)際生產(chǎn)過程中，應(yīng)充分考慮到這些離子對(duì)于氣化裝置所造成的影響。

5 結(jié)語

綜上所述，通過利用粉煤加壓氣化技術(shù)處理高難度有機(jī)廢水，可從根本上解決由含有危險(xiǎn)有毒的高難度有機(jī)廢水引起的安全及環(huán)保問題，在目前國內(nèi)安全及環(huán)保形勢(shì)越來越嚴(yán)格的情況下，給相關(guān)企業(yè)或化工園區(qū)綜合廢水治理提供新的思路。