基于垃圾焚燒發(fā)電廠半干法煙氣脫酸系統(tǒng)運行優(yōu)化分析

崔理章

（成都市興蓉萬興環(huán)保發(fā)電有限公司，四川成都 610000）

1 引言

當(dāng)前，我國垃圾焚燒發(fā)電產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展，采用焚燒發(fā)電的方式已成為我國許多大城市解決城市生活垃圾問題的首選途徑。然而，垃圾焚燒過程中產(chǎn)生的煙氣中含HCl，SOX等酸性氣體污染物，會對環(huán)境造成污染。國內(nèi)許多垃圾焚燒發(fā)電廠排放煙氣中污染物濃度限值執(zhí)行嚴(yán)于國標(biāo)的歐盟2000（EU2000/76/EC）標(biāo)準(zhǔn)限值。隨著垃圾焚燒發(fā)電項目環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)的提高，尤其是2017年業(yè)內(nèi)全面推行“裝、樹、聯(lián)”后，政府對垃圾焚燒發(fā)電運營企業(yè)的環(huán)保監(jiān)管日益趨嚴(yán)［1］。垃圾焚燒發(fā)電廠不僅要著力于提高煙氣凈化系統(tǒng)的運行效果，還要在運行實踐中探索提高煙氣凈化系統(tǒng)運行的經(jīng)濟性。

2 煙氣脫酸系統(tǒng)工藝分析

業(yè)內(nèi)很多垃圾焚燒發(fā)電廠煙氣污染物排放執(zhí)行EU2000/76/EC污染物控制標(biāo)準(zhǔn)，主流的煙氣凈化系統(tǒng)采用“SNCR＋半干法＋干法＋活性炭吸附＋布袋＋SCR”工藝，工藝流程見圖1。

圖1 煙氣凈化系統(tǒng)工藝流程

在半干法脫酸反應(yīng)塔內(nèi)，旋轉(zhuǎn)霧化器為反應(yīng)塔內(nèi)核心設(shè)備，采用消石灰作為反應(yīng)劑。將配制成一定濃度的消石灰漿液，通過消石灰漿泵輸送到反應(yīng)塔頂部的旋轉(zhuǎn)霧化器，經(jīng)高速旋轉(zhuǎn)的霧化器霧化后，將消石灰漿液霧化成很小的微粒與煙氣中的HCl，SOX等酸性物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，以達(dá)到脫酸的目的。由于反應(yīng)過程中水分蒸發(fā)從而降低煙氣的溫度并提高煙氣濕度，酸性氣體與消石灰漿反應(yīng)生成固態(tài)鹽類顆粒，沉降到反應(yīng)塔底部灰斗排出。而生成的細(xì)微顆粒、粉塵等與煙氣一起進入布袋除塵器，顆粒物被吸咐到除塵器濾袋外表面，煙氣透過布袋后，經(jīng)煙道進入SCR系統(tǒng)進一步脫氮處理。當(dāng)布袋前后壓差達(dá)到設(shè)定值后，頂部壓縮空氣噴吹電磁閥自動打開，與煙氣形成逆向噴吹，將布袋外表面吸咐的粉塵快速吹掉，掉落的粉塵被收集到下部的灰斗內(nèi)，經(jīng)底部的刮板輸送機輸送到飛灰儲倉集中處理。

3 半干法煙氣脫酸系統(tǒng)脫酸效果的影響因素

要探索降低入爐噸垃圾消石灰單耗的運行優(yōu)化控制措施，需分析半干法煙氣脫酸系統(tǒng)脫酸效果的影響因素。在保證煙氣污染物排放達(dá)標(biāo)的前提下，半干法脫酸效率的主要影響因素有：半干法反應(yīng)塔的設(shè)計參數(shù)和旋轉(zhuǎn)霧化器的性能參數(shù)關(guān)系到脫酸效率，反應(yīng)塔的設(shè)計高度、煙氣停留時間、設(shè)計流場分布對脫酸效率有直接影響［2］。某垃圾焚燒發(fā)電廠半干法脫酸反應(yīng)塔設(shè)計已定，且旋轉(zhuǎn)霧化器采用的是原裝進口西格斯旋轉(zhuǎn)霧化器，轉(zhuǎn)速可高達(dá)12 000 r/min。因此，需從運行工況方面分析脫酸效果的影響因素，煙氣脫酸用消石灰品質(zhì)、實際運行時消石灰漿的配制濃度、旋轉(zhuǎn)霧化器轉(zhuǎn)速、煙氣發(fā)生脫酸反應(yīng)的溫度等運行工況都會影響煙氣脫酸反應(yīng)效果。

4 煙氣凈化系統(tǒng)運行優(yōu)化措施

某垃圾焚燒發(fā)電運營企業(yè)結(jié)合垃圾焚燒發(fā)電廠的實際情況，分析了半干法煙氣脫酸系統(tǒng)脫酸效果的影響因素，在煙氣中酸性氣體排放全面達(dá)到EU2000/76/EC標(biāo)準(zhǔn)的前提下，采取了一系列運行優(yōu)化控制措施進行探索實踐，降低了消石灰單耗，逐步改善運行工況。

4.1 采用品質(zhì)更優(yōu)的消石灰

消石灰純度、細(xì)度會影響其利用率［3］。消石灰的主要成分為呈堿性的氫氧化鈣，噴入反應(yīng)塔內(nèi)作為吸收劑與煙氣中的HCl，SOX等酸性氣體發(fā)生中和反應(yīng)。由于單位質(zhì)量的氫氧化鈣吸收劑吸收酸性氣體能力有限，且消石灰的細(xì)度不同，煙氣與氫氧化鈣吸收劑的接觸面積就不同，因此，采用純度和細(xì)度較高的消石灰，會提高單位質(zhì)量消石灰的利用率。之前，某垃圾焚燒發(fā)電廠由于其所屬地區(qū)周邊較高品質(zhì)的工業(yè)級消石灰生產(chǎn)廠家由于其供應(yīng)量有限，因此使用的工業(yè)級消石灰品質(zhì)略次于較高品質(zhì)的工業(yè)級消石灰。供應(yīng)渠道暢通后，該廠使用了品質(zhì)較優(yōu)的消石灰替代了過去使用的消石灰。目前該廠所使用的消石灰品質(zhì)見表1。

表1 某廠采用的消石灰品質(zhì)

該廠使用的消石灰，10%濃度漿液p H值可接近14，可見消石灰中氫氧化鈣有效成分較高，可提高單位質(zhì)量消石灰的利用率，對降低消石灰單耗有一定促進作用。

4.2 逐步降低消石灰漿濃度

消石灰漿濃度對脫酸效率的影響主要是基于濃度對霧化粒徑的影響和Ca/S摩爾比的影響。如消石灰漿濃度過高，會造成霧化粒徑大，氣液相接觸面積變小，酸性氣體和水膜的傳質(zhì)面積就減??；且高濃度的消石灰漿含水率相對較低，會使消石灰漿中的水相物質(zhì)汽化過快而影響氣-液傳質(zhì)/傳熱。以上兩個因素會造成煙氣脫酸效率降低［4］。如消石灰漿濃度過低，會使酸堿中和反應(yīng)所需的堿性物質(zhì)化學(xué)計量不足，導(dǎo)致脫酸效率降低。因此噴入半干法脫酸反應(yīng)塔的消石灰漿濃度需在一個適當(dāng)范圍，才能在提高煙氣脫酸效率的基礎(chǔ)上降低消石灰單耗。這個適當(dāng)?shù)臐舛确秶柙谶\行實踐中探索。

實際運行中需采取逐步降低進入半干法脫酸反應(yīng)塔的消石灰漿濃度的措施。按月統(tǒng)計入廠垃圾量、入爐垃圾量、入廠消石灰耗用量、各臺爐消石灰漿耗用量、各臺爐煙囪CRMS在線酸性物質(zhì)（S OX，HCl）的排放量等，將入廠垃圾量、入爐垃圾量、處理單位煙氣量所消耗的消石灰單耗與投運初期工況進行比較。將消石灰漿濃度依次調(diào)整試驗11.0%，10.5%，10.0%，9.5%，9.0%，8.5%，8.0%，7.5%，7.0%，盡可能控制焚燒爐負(fù)荷在額定的56.0±3 t/h范圍內(nèi)，控制爐膛負(fù)壓在-10～-50 Pa，控制反應(yīng)塔內(nèi)煙溫為150～160℃。試驗結(jié)果見圖2。

圖2 不同消石灰漿濃度試驗情況

由圖2可見，進入半干法脫酸反應(yīng)塔的消石灰漿濃度在11.0%～8.0%之間，HCl去除率可維持在99%以上，SOX去除率可維持在93.8%以上。當(dāng)消石灰漿濃度降至8.0%以下，HCl和SOX的去除率呈現(xiàn)出下降趨勢。由此可見，脫除垃圾焚燒發(fā)電廠煙氣中的酸性物質(zhì)，采用半干法脫酸反應(yīng)塔消石灰漿濃度應(yīng)≥8.0%，可取得較佳的反應(yīng)效率。雖消石灰漿濃度為11.0%時，對煙氣中酸性物質(zhì)的去除效率最高，但相對于消石灰漿濃度為8.0%時的煙氣工況，去除率提高程度不大，且進入半干法脫酸反應(yīng)塔的消石灰漿濃度調(diào)整至8.0%～9.0%運行，即可保證煙氣中酸性物質(zhì)濃度滿足排放標(biāo)準(zhǔn)要求。綜合考慮運行的經(jīng)濟性，將進入半干法脫酸反應(yīng)塔的消石灰漿濃度按8.0%～9.0%運行，可基本實現(xiàn)運行經(jīng)濟性和環(huán)保達(dá)標(biāo)性之間的平衡。

4.3 提高旋轉(zhuǎn)霧化器轉(zhuǎn)速

霧化器轉(zhuǎn)速越快，霧化消石灰漿液滴粒徑越小。消石灰漿霧化粒徑越小，消石灰漿液滴與酸性煙氣接觸的比表面積越大，有利于脫酸反應(yīng)的進行［5］。為了獲得細(xì)小且均勻的霧滴，可采用增加霧化器轉(zhuǎn)速的方法來提高消石灰漿的霧化質(zhì)量。

垃圾焚燒發(fā)電廠運行中設(shè)定旋轉(zhuǎn)霧化器轉(zhuǎn)速為7 000～8 000 r/min，因消石灰品質(zhì)不佳，消石灰漿內(nèi)顆粒狀雜物會對霧化盤造成磨損，積垢很快，致使霧化盤平均2 d要清洗1次，平均2個月就要更換1次。由于提高消石灰品質(zhì)和降低消石灰漿濃度后，消石灰漿內(nèi)顆粒狀雜物減少，對霧化盤磨損、積垢現(xiàn)象均有所緩解，霧化盤清洗/更換頻率相應(yīng)下降。試驗逐漸提高旋轉(zhuǎn)霧化器轉(zhuǎn)速至8 500～9 500 r/min，不同霧化器轉(zhuǎn)速下的酸性物質(zhì)去除率見圖3。

圖3 不同霧化器轉(zhuǎn)速下試驗情況

由圖3可見，適當(dāng)提高旋轉(zhuǎn)霧化器轉(zhuǎn)速，可以進一步減小消石灰漿霧化粒徑，增大漿液微滴與酸性煙氣比表面積接觸，提高消石灰反應(yīng)效率。實踐表明，旋轉(zhuǎn)霧化器轉(zhuǎn)速≥8 500 r/min，可使噴入半干法脫酸反應(yīng)塔的消石灰漿得到較高的反應(yīng)效率。但霧化器以超過10 000 r/min的轉(zhuǎn)速長期運行，會造成霧化器磨損并增加運行維護成本。綜合以上因素分析，實際長期運行中霧化器轉(zhuǎn)速以8 500～9 500 r/min為宜。

4.4 合理控制反應(yīng)溫度

反應(yīng)溫度即在半干法脫酸反應(yīng)塔內(nèi)發(fā)生中和反應(yīng)過程時的溫度。反應(yīng)溫度越接近煙氣露點溫度脫酸效率越高，在此溫度下酸性組分與液滴的傳質(zhì)效果最好，一般認(rèn)為煙氣酸露點在140℃左右，因而控制反應(yīng)塔出口溫度高于露點15～25℃較為合理［4］。如反應(yīng)溫度過低會導(dǎo)致反應(yīng)塔壁粘結(jié)、腐蝕和威脅后續(xù)布袋除塵器的正常運行。

垃圾焚燒發(fā)電廠控制脫酸塔反應(yīng)溫度基本在160～185℃間長期運行。經(jīng)多次探索，逐漸將半干法脫酸反應(yīng)塔溫度控制在140～180℃間進行試驗，按月統(tǒng)計入廠垃圾量、入爐垃圾量、入廠消石灰耗用量、各臺爐消石灰漿耗用量、各臺爐煙囪CRMS在線酸性物質(zhì)（SOX，HCl）的排放量等，將入廠垃圾量、入爐垃圾量、處理單位煙氣量所消耗的消石灰單耗與投運初期的工況進行比較，發(fā)現(xiàn)反應(yīng)溫度越低，脫酸效率越高。不同反應(yīng)溫度下的脫酸效果情況見圖4。但是，實踐發(fā)現(xiàn)如果半干法脫酸反應(yīng)塔溫度長期控制在150℃以下時，脫酸塔和布袋除塵器收集下來的飛灰流動性會變差，飛灰固化處理時間加長，影響后續(xù)的處理工藝。如果將半干法脫酸反應(yīng)塔溫度控制在155～165℃之間，飛灰固化處理工藝正常，不會影響飛灰的流動性。因此，建議將半干法脫酸反應(yīng)塔溫度控制在155～165℃之間長期運行。

圖4 不同反應(yīng)溫度下試驗情況

5 煙氣凈化系統(tǒng)運行優(yōu)化后的經(jīng)濟效益分析

在保證全廠煙氣中酸性氣體排放濃度優(yōu)于EU2000/76/EC標(biāo)準(zhǔn)前提前下，通過試驗優(yōu)化調(diào)整消石灰漿濃度、旋轉(zhuǎn)霧化器轉(zhuǎn)速、反應(yīng)溫度等多種工況，噴入半干法脫酸塔的消石灰漿濃度控制在8.0%～9.0%范圍內(nèi)，相對于11.0%消石灰漿濃度工況，噸入廠垃圾消石灰平均單耗下降了約5.06 k g/t，下降幅度達(dá)30.69%。以一座日處理規(guī)模2 000 t的垃圾焚燒發(fā)電廠為例，估計全年可以節(jié)約消石灰3 172 t，如消石灰市場價按622元/t計算，預(yù)計全年可以節(jié)約消石灰197.3萬元，并且全年可減少飛灰產(chǎn)量3172 t，預(yù)計全年可創(chuàng)造經(jīng)濟效益344.5萬元。

6 結(jié)論

通過采用品質(zhì)較好的消石灰，采取適當(dāng)降低進入半干法脫酸反應(yīng)塔的消石灰漿濃度，合理控制旋轉(zhuǎn)霧化器轉(zhuǎn)速和反應(yīng)塔內(nèi)溫度等運行優(yōu)化控制措施，可使消石灰消耗量與脫酸效果達(dá)到最佳配比，從而降低噸垃圾消石灰單耗，實現(xiàn)某垃圾焚燒發(fā)電廠的節(jié)能降耗，創(chuàng)造了經(jīng)濟效益，并為其他垃圾焚燒發(fā)電廠提供借鑒。