CN106765209A - 一种四氧化二氮废液的处理装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种四氧化二氮废液的处理装置及方法，包括四氧化二氮废液罐、气化器、循环水水箱、焚烧炉，所述四氧化二氮废液罐通过管道连接气液混合器，气液混合器与气化器上部连接，气化器与循环水水箱形成一个循环回路，循环水水箱中部设有电加热元件；气化器下部连接焚烧炉，焚烧炉一侧设有燃料入口，另一侧设有烟囱，焚烧炉顶部设有二次空气入口。本发明将液态的N2O4废液与氮气混合，通过气化装置转化为NO2和N2O4气体与N2的混合气体，然后通过管道送入焚烧炉内与燃料一起进行燃烧反应，实现N2O4废液无害化处理。本方法运行安全、过程简单、易于操控。
Description
技术领域
本发明涉及一种四氧化二氮废液的处理装置及方法，属于环境保护技术领域。
背景技术
在航天领域中四氧化二氮（N2O4）是一种常用的氧化剂，发射场在转注、加注、维修检查、流量计校验、模拟训练等过程中产生大量N2O4废液，其毒性为Ⅲ级，易于挥发，腐蚀性极强，属于剧毒化学品，如不经过处理直接排放，会使周围的人、畜、禽等中毒，使植物受到损害，场区的工作环境和周边的生态环境恶化，场区的设备受到侵蚀。因此，必须对N2O4废液进行处理。
多年来，N2O4废液的处理方法，通常采用酸碱中和法。酸碱中和法是先将废液用水稀释，然后采用碳酸钠或碳酸氢钠进行中和反应，这是一种开放式的处理方法，洁净度低，效果差，同时生成硝酸钠和亚硝酸钠废液，产生新的二次污染物；由于处理时是在敞开容器中进行，而N2O4的沸点（21.5℃），较低，常温下蒸汽压力较高（20℃时96kPa），因此在处理过程中有大量的二氧化氮（NO2）和N2O4气体扩散到环境中，处理过程不彻底，仍存在污染。
因为N2O4废液不宜加压后通过喷嘴雾化直接喷入焚烧炉内与燃料一起燃烧，特别是液体燃料。因为液体燃料的燃烧是气化扩散式燃烧。液态氧化剂和液态燃烧剂通过加压、雾化、气化、接触扩散混合，燃烧反应剧烈温度高达2500℃，由于高温和无惰性气体，燃料的爆炸极限范围变宽，同时火焰的传播速度加快；尽管焚烧炉的燃烧已经开始，但由于N2O4废液在与液体燃料在雾化、气化过程不均匀性，使得接触混合的过程中形成了局部的的浓度梯度，在气化、混合、燃烧过程中伴随有反复的爆炸，使N2O4废液的处理过程稳定性差，不易控制。
N2O4废液直接加压雾化方式喷入炉膛与燃烧剂燃烧，在燃烧过程中若出现贫燃料时的燃烧状态，N2O4的快速分解产生大量气体，有引起热爆炸的倾向，N2O4热爆炸温度为565℃。
发明内容
本发明旨在提供一种运行安全、过程简单、易于操控、全密闭的N2O4废液的处理装置及方法。
本发明的实质是将液态的N2O4废液与氮气混合，通过气化装置转化为NO2和N2O4气体的混合气体（以下气化后的混合气均以NO2气体叙述），然后通过管道送入焚烧炉内与燃料一起进行燃烧反应，实现N2O4废液无害化处理。
本发明提供了一种四氧化二氮废液的处理装置，包括四氧化二氮废液罐、气化器、循环水水箱、焚烧炉，所述四氧化二氮废液罐通过管道连接气液混合器，气液混合器与气化器上部连接，气化器与循环水水箱形成一个循环回路，循环水水箱中部设有电加热元件；气化器下部连接焚烧炉，焚烧炉一侧设有燃料入口，另一侧设有烟囱，焚烧炉顶部设有二次空气入口。
所述气化器为列管换热器、螺旋盘管换热器、浮头换热器、热管换热器中的一种，以循环水为热载体。
所述气液混合器分别连接四氧化二氮废液罐和氮气管道，四氧化二氮废液罐与气液混合器连接的管道上分别设有N2O4阀门、N2O4流量计、N2O4止回阀，氮气管道上分别设有N2阀门、N2流量计、N2止回阀。
所述四氧化二氮废液罐与氮气管道连接；用氮气充压且维持一定的压力。
在气化器的出口设有压力传感器，与四氧化二氮管道上的止回阀联锁，当气化后废气压力≥0.2MPa后，关闭四氧化二氮废液出口阀门。
本发明提供了一种四氧化二氮废液的处理方法，包括以下步骤：将装有N2O4废液的密闭容器用N2充压且维持此压力，通过气化设备分别将氮气和N2O4液体计量后混合，经气化器气化，将气化后NO2和N2混合气体，通过管道输送到焚烧炉上游，与助燃空气混合一同进入到焚烧炉的燃烧器与燃料一起燃烧。
控制焚烧炉第一级燃烧过程的氧化剂（空气+ NO2）系数控制在0.5～0.95，第二级燃烧过程的空气系数≥1.1，将剩余的燃料完全燃烧；焚烧炉尾气中NO2的含量≤400mg/Nm3。
由于被加热的介质N2O4废液，沸点低于21.15℃，当温度超过140℃时，N2O4全部转化为NO2，并开始有一氧化氮（NO）生成，NO的氧化性较NO2弱，NO2更易参与燃烧反应；另N2O4废液具有强腐蚀性，是强氧化剂，若间壁式气化器在使用中焊缝出现缺陷，换热的冷、热两股流体可能相接触，将产生极大的安全隐患，为了避免NO生成，彻底杜绝不安全因素，故采用水做上述的气化器的热载体，而非有机热载体。如气化器入口热水温度低，气化器面积大，换热效率低；如气化器入口热水温度过高，水挥发的速度快，因此将气化器入口循环水的温度设置为40℃～70℃；气化器出口循环水的温度设置为30℃～60℃。
上述气化后NO2和N2混合气体浓度（以NO2计）为1％～50％，实际控制在小于30%为宜，浓度过高焚烧炉内燃烧剧烈，造成炉膛温度偏高，缩短焚烧炉耐火内衬的使用寿命，这已在NO2废气焚烧处理中得到验证。气化器出口气化后的四氧化二氮、二氧化氮与氮气混合气的温度30℃～50℃。
上述的焚烧炉的燃烧器为非预混式，以燃料的量为基准，燃烧过程分为两级配入，第一级氧化剂（空气+ NO2混合气）系数控制在0.6～0.95，NO2与燃料反应生成CO、CO2、H2O和N2；第二级空气系数≥1.1，在脱除NO2后将剩余的燃料和CO完全燃烧，通过高于15m的烟囱排放。
上述焚烧炉的燃料为煤气、天然气、液化气、煤油、柴油、甲醇、乙醇、低碳醇等，炉膛的燃烧温度控制在800℃～1300℃为宜，温度过高尾气中的一氧化氮（NO）有增加的趋势。有关焚烧炉结构和工况条件，可参考在中国专利CN1086598C、CN1114464C、CN1102419、CN2400695Y文献中的记载。
本发明中，设备与介质相接触的材质均选用耐硝酸或亚硝酸腐蚀的奥氏体不锈钢。
本发明的有益效果：
（1）处理四氧化二氮废液的过程是密闭的，无废液产生，无NO2气体扩散到周边环境、以及在处理过程中未生成新的二次污染物需要处理；
（2）N2O4废液与N2混合后，以水为热载体间接加热气化，与助燃的空气混合进入焚烧炉中燃烧，避免了液态氧化剂和液态燃烧剂在气化、混合、燃烧和在燃烧过程中出现贫燃料时N2O4快速分解时的热爆炸（N2O4热爆炸温度为565℃），解决了废液处理过程的平稳性和安全性问题，改善操作环境，减轻操作人员的工作负荷，在处理废液的过程中操作人员不用时刻身穿全防防化服；
（3）尾气排放的洁净度高，NO2≤400mg/Nm3。
附图说明
图1为本发明四氧化二氮废液的处理装置示意图。
图中1为四氧化二氮废液罐，2为循环水水箱，3为电加热元件，4为循环水泵，5为气化器，6为N2阀门，7为N2O4阀门，8为N2流量计，9为N2O4流量计，10为N2止回阀，11为N2O4止回阀，12为气液混合器，13为焚烧炉，14为燃料入口，15为二次空气入口，16为烟囱，17为取样口，18为观察孔；A为氮气，B为一次空气，C为燃料，D为二次空气。
具体实施方式
下面通过实施例来进一步说明本发明，但不局限于以下实施例。
实施例1：
如图1所示，一种四氧化二氮废液的处理装置，包括四氧化二氮废液罐1、气化器5、循环水水箱2、焚烧炉13，所述四氧化二氮废液罐1通过管道连接气液混合器12，气液混合器12与气化器5上部连接，气化器5与循环水水箱2形成一个循环回路，循环水水箱2中部设有电加热元件3；气化器5下部连接焚烧炉13，焚烧炉13一侧设有燃料入口，另一侧设有烟囱16，焚烧炉13顶部设有二次空气入口15。
所述气化器5为列管换热器、螺旋盘管换热器、浮头换热器、热管换热器中的一种，以循环水为热载体。
所述气液混合器12分别连接四氧化二氮废液罐1和氮气管道，四氧化二氮废液罐1与气液混合器12连接的管道上分别设有N2O4阀门7、N2O4流量计9、N2O4止回阀11，氮气管道上分别设有N2阀门6、N2流量计8、N2止回阀10。
所述四氧化二氮废液罐1与氮气管道连接；用氮气充压且维持一定的压力。
在气化器5的出口设有压力传感器，与四氧化二氮管道上的N2O4止回阀11联锁，当气化后废气压力≥0.2MPa后，关闭四氧化二氮废液出口阀门。
本发明提供了一种四氧化二氮废液的处理方法，包括以下步骤：将装有N2O4废液的密闭容器用N2充压且维持此压力，通过气化设备分别将氮气和N2O4液体计量后混合，经气化器气化，将气化后NO2和N2混合气体，通过管道输送到焚烧炉上游，与助燃空气混合一同进入到焚烧炉的燃烧器与燃料一起燃烧。
控制焚烧炉第一级燃烧过程的氧化剂（空气+ NO2）系数控制在0.5～0.95，第二级燃烧过程的空气系数≥1.1，将剩余的燃料完全燃烧；焚烧炉尾气中NO2的含量≤400mg/Nm3。
由于被加热的介质N2O4废液，沸点低于21.15℃，当温度超过140℃时，N2O4全部转化为NO2，并开始有一氧化氮（NO）生成，NO的氧化性较NO2弱，相比之下，NO2易参与燃烧反应；另N2O4废液具有强腐蚀性，是强氧化剂，若间壁式气化器在使用中焊缝出现缺陷，换热的冷、热两股流体可能相接触，将产生极大的安全隐患，为了避免NO生成，彻底杜绝不安全因素，故采用水做热载体，采用水做上述的气化器的热载体，而非有机热载体。如气化器入口热水温度低，气化器面积大，换热效率低；如气化器入口热水温度过高，水挥发的速度快，因此将气化器入口循环水的温度设置为40～70℃；气化器出口循环水的温度设置为30～60℃。
上述气化后NO2和N2混合气体浓度（以NO2计）为1％～50％，实际控制在小于30%为宜，浓度过高焚烧炉内燃烧剧烈，造成炉膛温度偏高，缩短焚烧炉耐火内衬的使用寿命，这已在NO2废气焚烧处理中得到验证。气化器出口气化后的四氧化二氮、二氧化氮与氮气混合气的温度30℃～50℃。
上述的焚烧炉的燃烧器为非预混式，以燃料的量为基准，燃烧过程分为两级配入，第一级氧化剂（空气+ NO2混合气）系数控制在0.6～0.95，NO2与燃料反应生成CO、CO2、H2O和N2；第二级空气系数≥1.1，在脱除NO2后将剩余的燃料和CO完全燃烧，通过高于15m的烟囱排放。
上述焚烧炉的燃料为煤气、天然气、液化气、煤油、柴油、甲醇、乙醇、低碳醇等，炉膛的燃烧温度控制在800℃～1300℃为宜，温度过高尾气中的一氧化氮（NO）有增加的趋势。有关焚烧炉结构和工况条件，可参考在中国专利CN1086598C、CN1114464C、CN1102419、CN2400695Y文献中的记载。
本发明中，设备与介质相接触的材质均选用耐硝酸或耐亚硝酸腐蚀的奥氏体不锈钢。
Claims (10)
1.一种四氧化二氮废液的处理装置，其特征在于：包括四氧化二氮废液罐、气化器、循环水水箱、焚烧炉，所述四氧化二氮废液罐通过管道连接气液混合器，气液混合器与气化器上部连接，气化器与循环水水箱形成一个循环回路，循环水水箱中部设有电加热元件；气化器下部连接焚烧炉，焚烧炉一侧设有燃料入口，另一侧设有烟囱，焚烧炉顶部设有二次空气入口。
2.根据权利要求1所述的四氧化二氮废液的处理装置，其特征在于：所述气化器为列管换热器、螺旋盘管换热器、浮头换热器、热管换热器中的一种，以循环水为热载体。
3.根据权利要求1所述的四氧化二氮废液的处理装置，其特征在于：所述气液混合器分别连接四氧化二氮废液罐和氮气管道，四氧化二氮废液罐与气液混合器连接的管道上分别设有N2O4阀门、N2O4流量计、N2O4止回阀，氮气管道上分别设有N2阀门、N2流量计、N2止回阀。
4.根据权利要求1所述的四氧化二氮废液的处理装置，其特征在于：所述四氧化二氮废液罐与氮气管道连接。
5.根据权利要求1所述的四氧化二氮废液的处理装置，其特征在于：在气化器的出口设有压力传感器，与四氧化二氮管道上的止回阀联锁。
6.一种四氧化二氮废液的处理方法，采用权利要求1~5任一项所述的四氧化二氮废液的处理装置，其特征在于包括以下步骤：将装有N2O4废液的密闭容器用N2充压且维持此压力，通过气化设备分别将氮气和N2O4液体计量后混合，经气化器气化，将气化后NO2和N2混合气体，通过管道输送到焚烧炉上游，与助燃空气混合一同进入到焚烧炉的燃烧器与燃料一起燃烧。
7.根据权利要求6所述的四氧化二氮废液的处理方法，其特征在于：控制焚烧炉第一级燃烧过程的氧化剂空气+ NO2系数控制在0.5～0.95，第二级燃烧过程的空气系数≥1.1，将剩余的燃料完全燃烧；焚烧炉尾气中NO2的含量≤400mg/Nm3。
8.根据权利要求6所述的四氧化二氮废液的处理方法，其特征在于：将气化器入口循环水的温度设置为40℃～70℃；气化器出口循环水的温度设置为30℃～60℃。
9.根据权利要求6所述的四氧化二氮废液的处理方法，其特征在于：气化后NO2和N2混合气体浓度控制在30%以下，以NO2计；气化器出口气化后的四氧化二氮、二氧化氮与氮气混合气的温度为30℃～50℃。
10.根据权利要求6所述的四氧化二氮废液的处理方法，其特征在于：所述焚烧炉的燃料为煤气、天然气、液化气、煤油、柴油、甲醇、乙醇、低碳醇中的一种，炉膛的燃烧温度控制在800℃～1300℃。
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2017
- 2017-03-03 CN CN201710125021.XA patent/CN106765209A/zh active Pending
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