关键词：热解废水；半焦；后燃；循环流化床；NOx 0
引言
为提高煤炭的利用率，通常采用热解的方式对煤炭进行分级利用．原煤被分解为煤气、焦油和半焦等化工产品，与此同时，在煤的热解、煤气净化以及焦油分离的过程中会产生大量的废水，统称为热解废水。热解废水具有化学需氧量（COD）高、色度高、成分复杂以及降解困难的特点，处理热解废水采用的常规手段包括物理吸附、化学试剂以及微生物降解等，单一的处理方法很难将热解废水净化到规定的排放标准，通常采用多种处理方法组合的方式，但处理过程复杂，处理装置占地面积大，并且处理能力有限。通过焚烧的方式，可以将热解废水中的水分转化成水蒸气随烟气排出，将难以降解的有机有害成分转化为无污染的 H2O 和 CO2。循环流化床锅炉具有燃烧强度大，燃烧效率高，低污染物排放的特点，适合对热解废水进行焚烧。
李晓峰等通过 FLUENT 软件模拟计算发现热解废水进入循环流化床焚烧炉会使炉膛温度降低，在保持系统给煤量不变的情况下将减少约1.5%的发电量，但不用单独建设废水处理设备。Alar Konist 等在 60 kWth 的循环流化床试验装置上开展了油页岩热解废水焚烧试验，试验过程中油页岩热解废水从返料腿送入炉膛与油页岩一同焚烧，结果表明：加入质量百分比为 36%的油页岩热解废水后，NOx 排放量升高为原来的 1.8倍（475 mg/m3）。由于试验装置与工业锅炉在热量输出上存在较大差异，为探究油页岩热解废水在工业循环流化床锅炉上的焚烧特性，Alar Konist 等[19]将油页岩热解废水与油页岩一同送入250 MWth 循环流化床锅炉进行焚烧，油页岩热解废水占油页岩的质量百分比为 11.3%。结果表明：热解废水的加入使 NOx排放提高了 27%，并且为维持锅炉热负荷的稳定，油页岩消耗量增加了 6%。
在油页岩的研究中，采用的是常规的循环流化床燃烧，循环流化床高温后燃技术对 NOx的控制有显著作用，炉膛内的还原性气氛使燃料中的氮绝大部分转化为 NH3、HCN 和 N2，燃烧炉内产生的 NOx浓度较低[20-22]。在高温后燃室内喷入后燃风，可将燃烧炉内未反应完全的 CO 及残碳进行充分燃烧，保证系统的燃烧效率。通过对操作参数（温度、过量空气系数和后燃风量）的调节，循环流化床高温后燃技术已经实现了神木煤、神木半焦、内蒙褐煤、煤泥、兰炭和平朔煤等多种燃料的超低 NOx原始排放．因此可利用循环流化床后燃技术协同处理半焦和热解废水。热解废水和半焦都是煤炭梯级利用的产物，二者的协同处理将解决煤炭清洁利用过程中的废水处理难题，为合理处置热解废水并达到日益严格的 NOx排放标准，本文在 0.5 MWth循环流化床中试平台上开展了热解废水与半焦的协同处理试验，探究常规循环流化床燃烧与后燃状态下热解废水对半焦燃烧温度和 NOx排放的影响，以此来探求热解废水与半焦协同处理的最佳技术条件。为今后开发大型热解废水处理装置提供理论依据。
1 试验装置
0.5 MWth 循环流化床中试平台由炉膛、旋风分离器、返料器、后燃室、热解废水喷射系统和尾部烟道等单元组成，中试平台系统流程如图 1所示。
炉膛采用绝热结构，内设一根水冷刺刀管受热面，在炉膛下部和料腿上部分别设置了螺旋给料机。炉膛助燃空气采用两级配风。一次风（PA）从炉膛底部布风管进入炉膛，二次风（SA）从炉膛下部经三层二次风喷口进入炉膛。该试验台炉膛高 14 m，沿炉膛高度方向布置有七个热电偶，距炉膛底部的距离分别为 300 mm、1000 mm、2000 mm、5000 mm、8000 mm、11000 mm和13500mm。一台高温绝热旋风分离器位于炉膛出口和后燃室之间，旋风分离器下方设置料腿和一台返料器。后燃室高 9.5 m，沿后燃室高度方向布置有七个热电偶，热电偶距离后燃室顶部的距离分别为 1400 mm、2900 mm、4400 mm、5400 mm、6400 mm、7400 mm 和 8400 mm，热电偶的测量误差为±0.75%。后燃风由单独的罗茨风机提供，经过后燃风预热器预热后进入后燃室，后燃风共分为六级，如图 1 所示。
热解废水喷射系统由水箱、增压泵、流量计以及喷头组成，为避免喷头堵塞，热解废水首先经 200 目的滤网过滤后储存在水箱内，经增压泵增压后通过喷头喷入相应位置。试验台上共布置有两个热解废水喷头，分别位于炉膛和后燃室，热解废水喷入的位置距炉膛顶部 3 m，热解废水从进入炉膛到离开后燃室的时间约为 5.2 秒；热解废水喷入位置距离后燃室顶部 1.4 m，热解废水在后燃室中的停留时间约为 4 秒。中试平台采用循环水冷却，尾部烟道中依次布置一级烟气冷却器、一次风预热器、二次风预热器、后燃风预热器和烟气冷却器，烟气最终经过布袋除尘器过滤后从烟囱排出。
2 试验方法
2.1 试验燃料
燃料为半焦，粒径为 0-2 mm。半焦的工业分析、元素分析及热值参见表 1，试验用热解废水成分及含量见表 2，其余成分为水分。
2.2 样品取样及烟气测试方法
在后燃室出口测量烟气成分，在烟气进入分析仪之前，用玻璃纤维滤筒对烟气进行过滤和干燥，烟气采集及分析系统主要包括 Testo350 烟气分析仪、取样装置和管路等，可对燃烧烟气中的NOx、CO、CO2、O2 等排放浓度进行在线连续测量，最终的排放浓度则由烟气分析仪测量值计算得出。其中，O2 的测量误差为±0.2%，CO2 的测量误差为±0.3%，CO 的测量误差为±5%，NOx的测量误差为±5%。烟气分析仪给出的成分浓度单位是 ppm，利用公式（1）转换成单位 mg/m3。
式中，M 为某成分的分子量，将 NO 浓度单位 ppm 转换成 mg/m3 时用 NO2 分子量，同时表示成 NOx。按照 GB13223-2011 的规定把原始排放浓度换算到标准状态（@6%O2），然后进行比较和分析，见公式（2）。
式中，c 为污染物组分基准氧含量排放浓度，mg/m3；c'为实测污染物组分排放浓度，mg/m3； O2'为实测的氧含量，%；O2 为基准氧含量（6%），%。
卢岚等采用剑桥滤片-吸收瓶捕集联用装置来测量气体中的挥发酚含量并验证了该装置的可靠性，试验结果表明联用装置中剑桥滤片和吸收瓶两种不同的捕集方式有选择性地捕集了逸出气体中的挥发酚物质，剑桥滤片更利于对-苯二酚、间-苯二酚、邻-苯二酚的捕集，而吸收液（1%冰醋酸溶液）更利于苯酚、间，对-甲酚、邻-甲酚的捕集。通过检测发现，热解废水中的挥发酚种类主要包括苯酚、2,4-二甲酚、3-氯酚、2-硝基酚和 2,4-二氯酚，为验证焚烧后烟气中是否残留挥发酚，配备了如图 2 所示的烟气吸收系统。烟气由真空泵抽出，流量由玻璃转子流量计控制，为避免烟气温度低于挥发酚露点温度而凝结，取样管路采用加热带进行加热，使烟气温度保持在200℃。吸收液的体积为 200 mL，为避免冰醋酸溶液蒸发，将吸收瓶放入冷水中进行水浴。烟气吸收流量为 200L/h，由流量计控制，烟气吸收时间为 30min。
2.3 试验工况
试验工况分为常规燃烧和后燃，常规燃烧时无后燃风，燃烧所需空气全部以一次风和二次风的形式进入炉膛，常规燃烧工况时保证总过量空气系数为 1.15；在后燃工况中参与燃烧的空气分为一次风、二次风和后燃风，试验过程中开启PCA1 和 PCA3（如图 1 所示）两路后燃风，炉内过量空气系数为 0.85，总过量空气系数为 1.15。保持常规燃烧与后燃工况的给煤量基本不变，通过调节风量来切换常规燃烧与后燃工况。λCFB 为炉内的过量空气系数，λPCC 为后燃室的过量空气系数，二者计算方法如下：
其中，PAf、SAf 和 PCAf 分别为一次风量、二次风量和总后燃风量，λ 为总过量空气系数，试验工况如表 3 所示。
3 结果与讨论
3.1 常规燃烧时喷入热解废水对半焦燃烧和排放特性的影响
3.1.1 半焦燃烧温度变化特性
常规燃烧时在后燃室分别喷入 10 L/h 和 20L/h 的热解废水。炉膛温度分布如图 3（a）所示，因喷入位置在后燃室，对炉膛温度没有影响，后燃室的温度分布如图 3（b）所示。可以看出热解废水的喷入使后燃室温度降低，且热解废水流量越大后燃室沿程温度降低幅度越大。热解废水汽化吸热，并且常规燃烧时后燃室中的可燃颗粒物较少，因此温度下降明显。热解废水喷入后，在跟随烟气流动的同时从烟气中吸收热量并汽化，因此距离喷入位置越近温度变化越大，热解废水对 t1~t5 的温度影响较大，对后燃室尾部温度 t6和 t7 的影响相对较小。另外为了提高喷头对热解废水的雾化效果，雾化风与热解废水在管道混合后一同从喷头喷出，雾化风的温度为常温，因此雾化风的加入也会引起后燃室温度下降。雾化风的流量为定值，因此喷入后燃室的热解废水流量从 10L/h 提高到 20L/h 时，温度的降低幅度不与热解废水流量成正比。
原标题：热解废水协同半焦焚燃超低 NOx排放试验研究
原作者：杨雪婷，宋国良，杨召，肖远，王超，及增才
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