内混式喷枪在四氯乙烯副产高沸物焚烧处理的应用

刘亚非

（滨化集团股份有限公司，山东 滨州 256600）

废液焚烧处理是指利用废液喷枪将废液雾化后喷射入焚烧炉中， 在高温条件下废液中的可燃组分与空气中的氧发生剧烈的化学反应，释放能量，产生高温烟气和固体残渣。 废液喷枪是整个焚烧系统最为核心的设备， 其结构和性能决定着燃烧效率和整个焚烧系统运行的安全性和可靠性。 由于不同废液的成分、黏度、热值、酸碱度等物性差别较大，针对处理物性不同废液的废液枪的设计与选型也各有相应的差异。

滨化集团股份有限公司四氯乙烯装置（以下简称滨化四烯）配套自建的危废焚烧处理装置，通过焚烧处理将副产高沸物高温分解，实现无害化处理。四氯乙烯副产高沸物特点为沸点高、密度大、黏度较高等， 其使用的废液枪雾化类型先后经历了机械雾化和空气雾化， 不同类型的废液枪燃烧效果有明显的差异。

1 四氯乙烯副产高沸物工艺

滨化四烯装置利用三碳以下有机物高温氯化制备四氯乙烯，同时副产无用高沸物，高沸物主要产生于反应急冷系统急冷塔底部， 由急冷塔底泵输送至重组分浓缩系统， 重组分浓缩系统由高温导热油为其加热， 经过重组分浓缩系统回收高沸物中部分轻组分后，剩余的重组分送至焚烧炉进行焚烧处理，由于高沸物凝固点较高， 涉及高沸物的输送管道和设备都需要高温伴热。 高沸物焚烧处理采用氢气作为燃料与废液高温混烧， 控制焚烧炉温度在1 300 ℃左右，所产生的烟气首先经急冷塔迅速冷却至100 ℃以下，再经两个降膜吸收器吸收烟气中的HCl 气体和部分可溶性杂质， 经过碱洗塔吸收剩余的酸性气体，再经过电除尘除去烟气中的不溶性烟尘，由烟气在线分析系统（CEMS）监控外排烟气各项参数后，经烟囱排入大气。

在实际生产中，反应条件的改变，所产生的高沸物的组成和产量也会发生相应的改变， 同时反应负荷的调整也会改变高沸物的组成和产量。 通过不同条件的测试分析表明： 反应条件和负荷的调整对高沸物的组成有一定影响，但影响较小，对高沸物的生成量影响较大。

经色谱分析高沸物主要成分为四氯乙烯、 六氯乙烷、六氯苯及六氯丁二烯等，高沸物焚烧处理工作条件及物理性质见表1。

2 液体雾化喷嘴概述[1]

根据喷嘴工作原理的不同， 液体雾化形式主要分为机械雾化类、介质雾化类、静电雾化类和超声波雾化类。 机械和介质雾化类型是利用液体工质和空气的速度差将液柱或液膜冲击破碎成雾滴。 超声波雾化是利用空气流射在谐振腔产生高振幅、 高频率的剧烈振动来增强雾化效果的一种雾化方法。 静电雾化是利用高压静电场的作用将液滴雾化成细小微粒。目前广泛应用在工业炉和燃烧室上，主要是机械雾化类和介质雾化类。

表1 四氯乙烯副产高废物焚烧处理工作条件及物理性质

目前机械雾化类主要通过压力雾化喷嘴和旋转式雾化喷嘴实现。 压力雾化喷嘴一般是燃油在较高压力下通过小孔或旋流器和喷嘴高速喷出而雾化，而旋转式雾化喷嘴是将液体导向高速旋转件中心，利用离心力和气动力使液体向旋转件周边或孔中甩出而雾化。 介质雾化类借助空气或蒸汽等流体的高速流射使液态工质的液柱或液膜雾化， 实现介质雾化的喷嘴统称为双流体雾化喷嘴， 也称空气雾化喷嘴或气动喷嘴。 空气雾化喷嘴雾化原理与压力雾化喷嘴雾化过程类似， 它是利用高速甚至超音速的空气与低速液体的液柱或液膜相互摩擦、冲击，使其破碎为细小雾滴。

空气雾化喷嘴比压力雾化喷嘴先于工业领域应用，但是由于最初消耗气量太大而限制了发展。随着工业的发展，锅炉和工业炉的要求功率增大，低氧燃烧雾化质量要求变高， 使用压力雾化喷嘴要求很高的油压， 这给供油系统的制造和维护带来很大的难度。 此外，对于劣质油燃料或高黏度流体，使用空气雾化喷嘴能够在获得较好雾化效果的同时使喷嘴不易被堵塞，但是压力雾化喷嘴比较难实现。而且随着空气雾化喷嘴结构不断完善，喷嘴的消耗气量降低，使得空气雾化喷嘴重新得到广泛应用。

高压空气雾化喷嘴按照工质与雾化气相互作用空间不同区分为内混式、外混式和组合式（如Y 型喷嘴）。外混式空气雾化喷嘴是气相雾化液体主要在喷口处或喷口外进行， 工质先通过工质通道进入喷嘴内部，轴向或者切向进入旋流室，此时工质射流不被雾化， 在高速气流通过气道垂直或切向与喷出的工质射流在喷口外部混合时， 利用气液两相的冲击和摩擦作用使工质雾化。 内混式空气雾化喷嘴是气液两相在喷嘴内的混合室内先掺混和局部雾化，然后由喷嘴口射出继续雾化。 组合式空气雾化喷嘴则设计了内外两条气道， 高速气流通过内部气道进入混合腔与工质混合，完成内混式雾化，然后高速气流通过第二气道在喷口处与工质混合， 继续对工质进行雾化，有效增强了工质的雾化效果。

外混式空气雾化喷嘴的雾化剂从喷口喷出后与燃油接触时间短，良好的雾化条件很快减弱，导致雾化、混合、燃烧时间长，火焰细长。而内混式空气雾化喷嘴的一个典型特点是在液体通道后部有一个较大的混合室， 气与油在混合室内预混合雾化后从喷孔喷出并膨胀、雾化，提升了燃烧速度，缩短了火焰长度。并且内混式空气雾化喷嘴结构较为简单、加工制造要求不高、不易堵塞，在工业中被广泛应用。

滨化四烯高沸物焚烧处理所涉及的类型为机械雾化式和介质雾化式， 介质雾化为内混式空气雾化喷枪。从实际应用效果来比较，机械雾化式喷枪优点为机械结构简单、易操作、制造及运行成本低；缺点为易堵塞、雾化效果不是很好。内混式空气雾化喷枪优点为雾化效果好、不易堵塞；缺点为机械结构较为复杂、制造及运行成本较高。

3 废液喷枪的设计与选型

废液喷枪的雾化效果是评价废液喷枪性能的重要指标，雾化效果的评价因素主要为：流量特性、雾化锥角、液滴尺寸、液滴尺寸分布和液滴尺寸发散度[2]。 设计公司根据装置提供的参数条件分别设计了机械雾化喷枪和内混式空气雾化喷枪。

3.1 机械雾化喷枪

为了便于清理堵塞的废液枪眼， 机械式雾化喷枪设计成丝接可拆卸枪头， 废液枪主要由枪身和枪头组成， 枪身是一支无缝钢管下部有外丝用于连接枪头， 上部同样设有内丝用于连接输送废液的金属软管，废液枪头结构见图1。

图1 废液枪头剖面图

从枪头剖面图中可以看出， 机械式雾化喷枪影响喷枪雾化效果的结构设计主要体现在枪眼与废液枪中心夹角α 和枪眼的直径Ø， 其他因素例如废液本身的物理性质（粘度、密度）和操作条件（操作压力、流量等）都能影响废液的雾化效果。 但从机械结构上，夹角α 主要影响的是雾化锥角，夹角α 越大雾化锥角越大， 夹角α 越小雾化锥角越小。 直径Ø主要影响的是雾化液滴的直径，直径Ø 越大雾化液滴直径越大，直径Ø 越小雾化液滴直径越小。

对于夹角α 和直径Ø 的选取应综合考虑实际情况，夹角α 较小时，废液喷射锥角较小，火焰垂直向下，总体雾化效果不理想，夹角α 较大时，废液可能会喷射到炉体内壁，火焰呈放射状，对炉内壁可能造成损坏；直径Ø 较小时，燃烧量较小且废液孔易堵塞，直径Ø 较大时，影响雾化效果，导致燃烧不充分。

从实际应用效果来看，机械雾化喷枪总体应用较为不理想，出现过很多问题，如炉体多次发生烧穿现象，吸收酸颜色呈淡黑色，经常需要清理枪头等。

3.2 内混式空气雾化喷枪

鉴于机械式雾化喷枪燃烧效果不是很好， 经常出现枪头堵塞和因雾化效果不好而导致的燃烧不充分等异常情况，与设计公司沟通后，由设计公司设计并制作了内混式空气雾化喷枪， 内混式空气雾化喷枪设计为一个整体，由内、外管组成，内管介质为废液，外管介质为压缩空气，两者在枪头内部混合后喷出，详细结构图见图2、图3。

图2 内混式空气雾化喷枪剖面图

图3 内混式空气雾化喷枪枪头部位剖面图

由于内混式空气雾化喷枪设计为一个整体，枪头不可拆卸，一旦雾化孔隙发生堵塞，将很难清理甚至导致废液枪报废， 所以使用内混式空气雾化喷枪后，对废液输送泵前过滤器的过滤粒径要求更小，从而过滤器清理频率也就更高了。

从枪头部位剖面图中可以看出， 枪眼倾斜角α在一定范围内和枪头锥角β 影响雾化锥角大小，枪眼直径Ø 影响雾化锥角，其核心设计点为枪眼的倾斜角度α 和枪眼直径Ø， 高压空气侧操作压力及废液侧操作压力也会影响其雾化效果， 最优的操作条件得通过不断地实验得出。

4 内混式空气雾化废液喷枪的应用

4.1 内混式空气雾化喷枪研究现状

内混式空气雾化喷嘴能在较低的喷射压力下获得高质量雾化效果， 其改善雾化效果的原因被认为有两个， 一是因为内混式空气雾化喷嘴中气体和液体在混合腔共用一个流道， 使得液体的有效流通面积有所减小而导致动能增加，使雾化效果更好；二是因为气液之间的相对运动使两相交界面产生剪切力，从而使交界面流动稳定性被破坏导致液线生成，而剪切力又进一步促进液线碎裂成液滴。 研究发现喷嘴结构参数、 喷射条件和液体物理性质是影响内混式空气雾化喷嘴雾化性能的主要因素[3]。

4.2 内混式空气雾化喷枪工艺水实验

使用前内混式空气雾化废液喷枪， 为验证其效果， 装置技术人员首先用工艺水和压缩空气对其进行喷射实验， 试验以水作为工质， 空气作为雾化介质， 通过调控工质与雾化介质的压力研究内混式空气雾化喷枪的实际效果，实验主要设备参数见表2。

表2 实验主要设备参数

实验可调控参数为工艺水和压缩空气的压力，通过固定工艺水或压缩空气其中一个压力，调节另一个参数压力，观察废液枪雾化效果，实验过程中出现了喷枪运行临界点，即“倒水现象”和“倒气现象”[4]。“倒水现象”是当水压大于一定气路压力时，会出现部分水倒流进入气路中，气体流量为零；倒气现象”是当气路压力大于一定水路压力时， 气体会倒流进入水路中，水的流量为零。“倒水现象”及“倒气现象”均为非正常工况， 试验中发现当气路压力高于水路压力0.3 MPa 时就会出现倒气现象， 所以在正常生产工况下通过平衡工质和雾化介质的压力， 一定要避免这两种非正常现象出现。

试验中发现压缩空气和工艺水压力的变化对喷射的锥角影响不大， 当压缩空气压力在一定范围内调大时，喷射距离会变大（这一点在实际应用中也能发现， 当适当增加压缩空气的压力焚烧炉下部温度会上升），雾化效果更好；当适当提高工艺水的压力时，雾化液滴明显增大，甚至呈断续水柱状喷出。

4.3 内混式空气雾化喷枪的实际应用效果

内混式空气雾化喷枪已使用两年多时间， 运行效果较好， 使用内混式空气雾化喷枪后最直接的改变是避免清理废液枪，极大减轻了劳动量，同时也避免了清理废液枪而产生的危废。 同时从吸收酸颜色明显看出使用内混式空气雾化喷枪后废液焚烧更充分。

使用内混式空气雾化喷枪前吸收酸颜色发暗，证明废液焚烧不充分，烟气中杂质较多，使用内混式空气雾化喷枪后吸收酸颜色呈淡黄色且清澈透明，证明废液焚烧更加充分，烟气成分较为纯净。同时因烟气成分较纯净，吸收效果较好，减少了后续的尾气处理工作。

与机械式雾化喷枪相比，使用内混式空气雾化喷枪第二点变化就是焚烧处理量增大了，受制于机械式雾化喷枪的雾化效果，焚烧处理量一直较低，使用内混式空气雾化喷枪后通过平衡压缩空气与废液的压力，可以提高废液处理量，提高主反应负荷。

5 结语

喷枪机械结构的设计对于废液燃烧效果及处理能力有着直接的影响， 随着研究的雾化喷枪的性能不断提高。对于高粘度废液，通过实际应用对比内混式空气雾化喷枪不管对废液的雾化效果还是处理废液数量都要比机械式雾化喷枪效果好， 在使用内混式空气雾化喷枪前首先确定其运行临界点， 投用时注意先打开进废液枪的压缩空气 （或高压雾化蒸汽），再投废液，停用时要先停烧废液，再停压缩空气（或高压雾化蒸汽）， 避免在实际应用中出现偏离正常工况的现象导致废液枪堵塞或影响燃烧效果。 同时要综合考虑处理的物料特性， 由于四氯乙烯副产高沸物凝固点及黏度都较高， 在使用内混式空气雾化废液枪时压缩空气需要适当进行预加热， 防止由于压缩空气温度较低与高沸物接触时导致其发生凝固而堵塞枪眼，影响生产。