窑尾废气处理焚烧炉的设计和应用*

雷晏国 贾 军 王烟芝 王 林 董 辉

(咸阳陶瓷研究设计院有限公司 陕西 咸阳 712000)

随着工业的迅猛发展，各种废气、废渣、废液增多。生态环境破坏日益恶劣，环保问题逐步提上日程。窑炉设备在工业生产过程中，因产量大，能耗高，排出的废气也很大，如不进行集中尾气收集并处理，会对周围环境产生污染。窑炉在生产不同产品过程中会排出各种不同种类的有害气体，如石墨负极材料烧制过程、超容碳的活化和碳化，排出的废气有焦油气、氨气、钾蒸汽等，有些产品还可能排出硫化物、有机物等。这些废气如不加以处理直接排放到大气中，既污染了环境，又对人体造成了伤害。根据多年的生产实践，采取尾气集中收集后在焚烧炉内燃烧，燃烧后再经过喷淋或者活性炭吸附等方式处理后排放到空气中的方式，这种方式经过验证达到了尾气排放标准。下面仅以焚烧炉的设计进行探讨。

1 燃气焚烧炉的原理

焚烧炉加热方式为燃气加热方式，炉膛尾气排出后，经过收集管路，通过引风机引入到一定温度的焚烧炉膛内。

进入炉膛的尾气、充足的空气、燃气烧嘴喷出的火焰三者形成一个涡流，使得尾气在高温状态充分燃烧，废气燃烧后的产物主要为CO2、H2O、SO2等，前2种可直接排入空气中，后2种则需要喷淋和活性炭吸附等其他手段加以处理。

炉体燃烧根据3T(温度、时间、涡流)原则设计，确保废气在炉膛内充分地氧化、分解、燃烧，使有机物去除率达到99%以上。

停留时间的合理性是确保废气完全燃烧的前提，工况时燃烧室温度650 ℃以上，烟气停留时间≥2 s，温度越高，停留时间越短。温度范围可根据不同尾气调整，调整区间为650～1 000 ℃。涡流旋转使得废气、燃料气和空气充分混合，混合程度好、湍流度高，则燃烧效率就高。

2 焚烧炉的设计

焚烧炉主要由管道、炉体、引风系统、电控系统组成，如图1所示。

图1 焚烧炉结构示意图

2.1 管道设计

从窑炉上各个排气口上排出的尾气通过管路收集在一根主管上，最后连接在焚烧炉尾气进口上。管道材质为304材质。根据尾气成分的不同，管道需要做保温或者给管道增加加热装置，有利于尾气的顺畅流动，防止凝结在管道中堵塞管道。

管道管径大小可根据尾气排放总量和流速来确定，具体如下：

其中，V为气体在标准状态下的体积流量(Nm3/h)；d为管道内径(mm)；ω为管内气体在标准状态下的流速(m/s)，一般取2～3 m/s。

2.2 炉体设计

技术要求：温度≤1 000 ℃，控温精度±5 ℃，温度可调，功率可调。

炉体由外壳、保温层、烧嘴系统组成。具体如图2所示。

图2 炉体结构示意图

2.2.1 炉膛尺寸的计算确定

焚烧炉炉膛设计成卧式、圆筒结构，这样废气在炉膛内死角最少，最有利于燃烧完全。

焚烧炉炉膛尺寸主要是由燃烧室允许的容积热强度和废气焚烧时在高温炉膛内所需的停留时间2个因素决定的。通常的做法是按炉膛允许热强度来决定炉膛尺寸，然后按废气焚烧所必需的停留时间加以校核。具体如下：

其中，qv为炉膛容积热强度(W/m3)；B为每小时燃料量(kg/h)；Qydw为每公斤燃料的最低发热量(kJ/kg)；V1为炉膛容积(m3)。

停留时间计算如下：

其中，t为尾气停留时间(s)；V1为焚烧炉炉膛总体积(m3)；V为炉膛内对应温度烟气的体积(m3)。

假设尾气为理想气体，并假设炉膛内压力无变化，根据理想气体状态方程可得：

其中，V为炉膛内对应温度烟气的体积(m3)；V'为标准状况下，温度为23 ℃时废气的体积(m3)；T为焚烧时炉膛内实际温度(℃)。

2.2.2 外壳及保温层

外壳采用板材卷绕焊接而成，外壳上设计有烧嘴孔、观察孔、防爆口、热电偶口、压力检测口、维修孔等。

保温层的选用根据炉膛温度高低选择承受焚烧温度的耐火材料，同时也要考虑废气对耐火材料的腐蚀性，根据废气种类，选择耐酸、耐碱的材料。在焚烧的过程中，不可避免会有腐蚀和损坏的情况，设计时可考虑维修窗等。

2.2.3 燃烧系统

燃烧系统主要由安装在外壳上的燃气烧嘴来实现给炉膛加热。燃控系统带有自动点火、火焰检测等全自动系统。具有安全可靠的燃气泄漏检测和处理系统，一旦发生燃气泄漏或烧嘴熄灭，双电磁阀将切断燃气管路。助燃空气由一台变频风机提供，在助燃风管路上安装有一个电动调节阀来调节进风量的大小。

2.2.4 引风管路

引风管路上装有配风阀、烟气闸阀。配风阀数量多少根据系统管路上温度确定，配风阀实现了自动控制，根据管路温度自动调整开度大小。烟气闸阀的开度可增加烟气在炉膛内的停留时间。根据燃烧后排出气体的不同，在引风管路上可增加不同的处理设备，如喷淋塔、活性炭吸附塔等。

3 电控系统

整个系统集成在一个触控屏上来体现，能实现烧嘴的自动点火，燃气泄漏报警并自动关闭气源等，温度可根据废气种类设置不同的温度，温度设置好后将稳定在这一温度范围，温度均匀性可达到±5℃。炉膛内进风量的多少通过氧含量测试器来精确控制电动调节阀的开度。炉膛压力通过压力传感器来控制炉尾风机电机频率，使得炉膛压力始终保持在微负压状态运行。

4 应用情况

焚烧炉制作完成后，应用于张家港某企业的超容碳生产上，从客户现场反应情况看，如果停止焚烧后，尾气排出后车间内有很大的异味，环境污染很明显；焚烧时车间内没有任何异味，达到了环保要求。在四川某企业电池负极烧成过程中，关闭焚烧炉时尾气弥漫在车间内，使用后车间无异味，达到环保要求。

5 结语

废气焚烧效率可达到99%，在高浓度废气处理中是其他处理设备所不具备的。有机废气在焚烧炉内燃烧后的气体主要是CO2和H2O，可直接排放到空气中，这是活性炭吸附、喷淋塔等设备所不具备的。该技术可实现二噁英的零排放；该设备具有排烟量少、灰渣无污染、效率高、性价比高等特点；该设备具有一定的应用前景和推广价值。