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直燃式焚烧炉(TO)工艺流程是怎样的?
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  直燃式焚烧炉可用来直接处理氧化炉、碳化炉及其他工艺过程中产生的废气,也可以单独处理碳化炉产生的废气。对于前者,废气处理的工艺过程简单,焚烧炉运行较平稳,但由于需要将大量的废气加热到850℃以上,余热回收困难,尾气的排放温度在300~400℃,能耗较高;对于后者,与蓄热式焚烧炉(RTO)一起使用,RTO用于处理氧化炉的废气,通过蓄热体将热量充分回收换热,并且直燃式焚烧炉处理碳化炉的废气量大大减少,通过余热回收尾气的排放温度能够达到200℃以下,节省了能源,但由于废气中含有硅,蓄热体容易堵塞,因此需要定期清理更换蓄热体。


  (1)工艺流程

  吉林石化公司百吨级碳纤维生产线的废气处理技术为自主开发的废气焚烧技术。设备由德国Durr公司制造。该废气焚烧技术是采用直燃式废气焚烧技术,对氧化和碳化过程中产生的废气进行焚烧。该废气焚烧装置在有效处理废气的同时,还能将焚烧产生的热量进行回收利用,如通过热交换器,将废气中的热量传递给氧化用的新鲜空气,节约了一定的能源。

  焚烧系统焚烧炉、换热器、管壳式废气预热器及烟囱组成。焚烧炉由排风机、燃烧室、全自动点火器及控制系统组成。通过采用多个换热器,使氧化炉的废气经换热进人焚烧炉,新鲜空气经加热作为氧化炉的新鲜风补充,该方法工艺简单,达到环保要求,高效节能,生产运行平稳。

  经排风机引来的废气直接通过管道进入焚烧系统。由全自动点火器将喷入燃烧室的柴油点燃,所有废气在燃烧室里被加热到大约850℃,有毒气体在燃烧室里被高温焚烧掉。由低温和高温碳化炉排放出的高浓度有毒废气直接通过喷嘴(管口)进入燃烧室。氧化炉排放出的大流量废气被分成两股,一小部分被用作助燃空气,另一部分在温度为650℃以上的废气预热器中与焚烧炉排放标准的尾气,经换热器将热量传递给供氧化炉使用新鲜空气。排放的尾气达到CB16297—1996(HCN<1.9mg·m-3,NOx<240mg·m-3)的要求后,经烟囱高空排放至大气。


  (2)直燃式焚烧技术

  简单地焚烧处理含氮废物,所释放的氮氧化物(NOx)会远远超出环保部门和管理机构的规定。NOx在空气中的存在是形成酸雨的主要原因,其排放量备受人们关注。因此,还需采取特殊的处理措施抑制氮氧化物产生。

  传统的抑制NOx生成的燃烧技术可概括为偏离化学当量燃烧法,即在局部的燃烧区域中化学当量比不在燃烧反应化学当量比的范围,从而抑制NOx的生成。在高温空气燃烧技术中,由于燃烧用空气被预热到很高的温度(≥800℃),大大超过了燃气的着火温度,因而燃气只要遇到氧就可发生剧烈化学反应,着火、燃烧的稳定性极好。日本长谷川敏明对丙烷燃烧过程的研究表明:当空气温度高于900℃、含氧量在5%时,仍可获得稳定的燃烧火焰。

  假如助燃空气中氧浓度比较高,则燃料中的C、H2、CO、碳氢化合物等可燃成分与氧混合加快反应生成CO2和H2O,同时也将生成大量NOx。假如助燃空气中氧浓度比较低,则燃烧过程将受到控制。由于燃气与氧气的燃烧反应活化能低于氧原子与氮气的反应活化能,所以,燃气首先与氧气发生燃烧反应;只有当氧气有剩余时,氧原子和氮原子才进行反应生成NOx。只要合理控制炉内的氧浓度,使其在整个炉膛空间分布均匀且较低,则燃烧过程将充满整个炉膛空间,不会出现局部炽热点,使整个炉膛内温度分布均匀,抑制了燃烧过程最高温度的出现,降低NOx的生成。

  JianweiYuan和IchiroNaruse的数值模拟结果表明:氧浓度为4%时(采用氮气稀释空气),火焰最高温度与平均温度的比值不大于1.1,而氧浓度为21%内的氧浓度,使其在整个炉膛空间分布均匀且较低,则燃烧过程将充满整个炉膛空间,不会出现局部炽热点使整个炉膛内温度分布均匀,抑制了燃烧过程

  最高温度的出现,降低NO:的生成。

  JianweiYuan和IchiroNaruse的数值模拟结果表明:氧浓度为4%时(采用氮气稀释空气),火焰最高温度与平均温度的比值不大于1.1,而氧浓度为21%时,燃烧器出口附近火焰最高温度与平均温度的比值为1.57。与传统火焰温度分布相比,高温低氧燃烧过程中火焰的最高温度相对较低,但整个炉膛内的平均温度较高,强化了炉内换热。实际研究表明,当燃烧温度低于1300时,NOx生成量比较少。这样,尽管空气被预热到很高温度,但由于火焰的最高温度相对较低,则抑制了NOx的生成,如空气预热到1150℃,空气含氧由21%降到2%时,NO。的生成量由3750mg·m-3减少到54mg·m-3。

  采用上述低氮氧化物生成的燃烧原理,]ohnZink公司开发出了NOxidizerTM焚烧炉。其利用专利技术的三阶段焚烧工艺,首先在贫氧状态下燃烧,然后被冷却到更低的温度,最后在中等温度和超量氧的条件下再次氧化,可以限制焚烧过程中氮氧化合物的形成。该系统利用三段燃烧技术可达到极低的氮氧化物的排放量。

  1.三段燃烧工艺概述在第一阶段,废弃物、燃料和少于化学计量要求的氧气一起燃烧。通常情况下,氧气由燃烧气提供,但也可能由含氧的废气流提供。该阶段的温度被控制在1200伫或以上并保持2s左右的时间。在缺少氧气条件下的燃烧可生成二氧化碳、水和一定数量的易燃物(如一氧化碳和氢气)。为了限制氮氧化物的形成,易燃物生成的比例由被燃烧的含氮废弃物的类型决定。例如,燃烧氨气或者丙烯腈时,易燃物生成的比例是8%~10%,而含氮氧化物的废弃物流生成易燃物的比例是16%~18%。

  由于不能准确地知道废气成分,一般是不可能通过向系统注入适量的助燃气来保持一定的与易燃物生成的化学计量比例,但可以用分析仪器来测量助燃气与易燃物的比例。易燃物被用于形成炉膛的还原气氛,并通过调节燃烧器的助燃气注人量来控制。高温和低化学计量比例的环境促使有机化合物分裂,生成自由氮。自由氮和易燃物争夺有限的氧气,使氮不易被氧化成氮氧化物。如果废物流中含有氮氧化物,氮氧化物和碳氢化合物在燃烧室内发生反应,或者氮氧化物在炉膛里和一氧化碳和氢气反应,都生成了氮元素。

  第一阶段燃烧后的产物包括一定量的一氧化碳、氢气、二氧化碳、水和残留的碳氢化合物,在第二阶段被冷却,以便第三阶段在注入氧气的条件下自燃。冷却是为了保证最后这个阶段的燃烧能保持在一个中等的温度,如果较高的温度容易导致热氮氧化物的形成。这种冷却一般是通过向第一阶段的废气流媒介,成本低,在来实现。冷媒包括水、蒸汽或者回收的废气。水作为下游生成的气流也小,蒸汽成本太高而很少用。回收的废气流作为媒介的优点是保证下游的锅炉热回收量是三种冷媒中最多的,缺点是很有可能腐蚀(如果废气流中含有氯化烃等质)燃烧系统的废气回收管道。第三阶段燃烧,是氧化阶段,对第一阶段产生的一氧化碳、氢及剩余的碳氨化合物进行氧化。对最后阶段的废气在于燥的条件下注入空气使氧气含量超出1.5%或2光。温度控制在980~1100。C以限制热氮氧化物的形成。第三阶段的温度和停留时间应该保证把第一阶段产生的一氧化碳充分消除(即氧化),一般停留1s即可达到效果。该阶段温度、盈余氧气量、停留时间的选择需要在消除一氧化碳和限制氮氧化物形成之间保持一个平衡(既要消除一氧化碳,又要利用一氧化碳来阻止自由氮和氧气的结合成氮氧化物)。

  2.设备结构上面三个阶段的燃烧都发生在一个含耐火涂层的碳钢容器里,前端有一个高强度的燃烧器。这个燃烧器对助燃气加高压,从而产生强烈的涡流,使空气、废气以及燃料充分地搅拌。另外,高强度燃烧器的应用保证了焚烧炉能在贫氧环境下良好运行。燃烧器的高温和涡流可以帮助分裂废气流中的含氮化合物。在含氮氧化合物的废气流中,可以使燃料中的碳氢化合物和氮氧化合物中的氧发生反应生成氮无素。

  第一阶段是还原阶段,还原炉是圆柱状,内含耐火涂层,使气体在一般配备高氧化铝含量的耐火砖和低铁铸造耐火陶瓷作为耐火材料。

  第二阶段是冷却阶段,该阶段使用文丘里管来最大限度地混合还原炉燃烧后的剩余气体和冷媒。作为冷媒的水通过雾化喷枪注入,蒸汽通过喷嘴注入。回收的废气通过含耐火涂层的文丘里管端口注入。水或者蒸汽一般是注入文丘里管的下游,而回收的废气是注入文丘里管中。炉体部分是含耐火涂层的碳钢材料。

  第三阶段是氧化阶段,废气通过第二个端口进入到另一个文丘里管完全燃烧。炉内由含耐火涂层的碳钢圆柱管构成。燃烧后产生的高温尾气通过一定高度的含耐火涂层的烟囱排掉。

  3.控制部件易燃物分析仪测量一氧化碳和氢气含量以监测在还原炉内的还原环境。助燃物控制器控制调节还原阶段的燃料含量来控制反应后易燃物生成量。通过控制燃料的注入量来调节还原炉内的温度上第二阶段冷却区域的温度可通过调节冷媒(水、蒸汽或者回收废气)的注人量来调节。含氧量分析仪通过分析最后阶段释放废气中含氧量来控制再氧化用空气的流量。再氧化炉内的温度一般控制在980~1100℃内。

  4.余热回收为了回收剩余的热能,可以在第三阶段的下游安装换热器或者废热锅炉来生成蒸汽。换热器可以为工艺用的新鲜空气或洁净氮气预热,用于碳化生产线的其他设备,如氧化炉、碳化炉等,对于废热锅炉针对不同的应用,可使用带水管或者烟管的锅炉。一般来说,一部分被换热冷却后的废气用于第二阶段的冷却。这样可以最小限度降低废气热损失,并使热回收率高达85%,余热回收需要进行综合考虑,不是热回收率越高越好,要考虑设备的投资、回收热的利用效率和运行成本等,需要选出一个平衡点。


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