脫酸漿液對(duì)生活垃圾焚燒煙氣濕法脫酸效率的影響＊

胡利華，徐麗婷，沈宏偉，吳 穹，尹麗潔

（1.光大環(huán)境科技（中國）有限公司，江蘇 南京 210000；2.同濟(jì)大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院，上海 200092）

1 引言

城市生活垃圾焚燒處理技術(shù)的減量化效果顯著，是解決垃圾圍城的重要處理手段［1］。我國城市生活垃圾焚燒處理技術(shù)正處于高速發(fā)展階段［2］，2010年我國垃圾焚燒無害化處理量為2.316 7 ×107t，僅占生活垃圾無害化處理總量的18.8%；至2019年我國垃圾焚燒無害化處理量為1.217 42 ×108t，占生活垃圾無害化處理總量的50.7%。近10年來垃圾焚燒處理量及其所占比例均迅猛增長（圖1）。

圖1 我國近10年生活垃圾焚燒無害化處理情況Figure1 Harmless treatment of domestic waste incineration in China in recent10 years

由于城市生活垃圾成分復(fù)雜，在焚燒過程中產(chǎn)生的煙氣成分也極其復(fù)雜，相對(duì)傳統(tǒng)燃煤發(fā)電，生活垃圾焚燒過程中產(chǎn)生的酸性氣體除了SO2，還有大量HCl，因此酸性氣體的脫除是生活垃圾焚燒煙氣凈化工藝中極為重要的一環(huán)。脫酸工藝按照脫酸過程是否有水加入和產(chǎn)物干濕形態(tài)可分為干法、半干法和濕法3種［3-4］。從生活垃圾焚燒行業(yè)脫酸工藝應(yīng)用情況來看，干法脫酸工藝脫酸效率不高，但投資運(yùn)行成本較低，一般作為輔助脫酸手段；半干法工藝基本可以滿足GB 18485—2014生活垃圾焚燒污染控制標(biāo)準(zhǔn)的排放要求［5］，且投資運(yùn)行成本較低，但設(shè)備維護(hù)費(fèi)用較昂貴，是目前生活垃圾焚燒煙氣脫酸最常用的工藝［6］；隨著垃圾焚燒煙氣排放標(biāo)準(zhǔn)的日趨嚴(yán)格，盡管濕法脫酸工藝的投資運(yùn)行成本較高，但因反應(yīng)速率快、脫除效率高［7］、吸收劑利用率高、運(yùn)行穩(wěn)定同時(shí)兼具除塵效果等優(yōu)點(diǎn)［8］，是未來我國城市生活垃圾焚燒煙氣凈化的重要方式，可滿足目前最嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)。

影響濕法脫酸效率的因素眾多，除了液氣比、煙氣溫度等之外，漿液的狀況對(duì)脫酸效率也有重要的影響。脫酸漿液通常是指不同濃度NaOH溶液及其對(duì)應(yīng)鹽溶液的混合溶液，在實(shí)際脫酸過程中，隨著脫酸漿液循環(huán)次數(shù)的增加，漿液中的脫酸劑與煙氣中的SO2、HCl等污染物發(fā)生反應(yīng)，生成NaCl、Na2SO4、Na2SO3等鹽在漿液中不斷富集，造成漿液中鹽的濃度增加，同時(shí)漿液的pH也發(fā)生了相應(yīng)的變化。Seo等［9］以生石灰為脫酸劑進(jìn)行脫硫研究時(shí)發(fā)現(xiàn)脫酸漿液的pH是影響SO2溶解和吸附的關(guān)鍵因素之一，在高pH下SO2的溶解和吸附均增加，而在低pH下SO2的溶解和吸附均降低。Guo等［10］通過數(shù)值模擬的方法研究了濕法脫酸過程中HCl的存在對(duì)SO2脫除效率的影響，發(fā)現(xiàn)在濕法脫酸過程中，HCl會(huì)抑制SO2的脫除。采用NaOH為吸收劑可以避免填料及管道堵塞，同時(shí)NaOH與酸性氣體污染物反應(yīng)速率高、吸收效果好且吸收劑用量小［11-12］，目前生活垃圾焚燒煙氣的濕法工藝多采用NaOH。本研究以NaOH為脫酸劑，通過實(shí)驗(yàn)研究，重點(diǎn)分析了漿液pH、漿液鹽濃度以及脫酸劑為水時(shí)對(duì)脫酸效率的影響，為實(shí)際工程的優(yōu)化運(yùn)行提供理論依據(jù)。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與方法

濕法脫酸實(shí)驗(yàn)由焚燒煙氣預(yù)混系統(tǒng)和煙氣凈化處理系統(tǒng)兩部分組成，如圖2所示。濕法脫酸塔采用逆流噴淋塔［11］形式，脫酸吸收劑采用NaOH，煙氣采用液化氣燃燒產(chǎn)生。脫酸塔高2.3 m（吸收部分有效高度1.5 m），塔直徑0.55 m。高溫預(yù)混煙氣由脫酸塔下側(cè)切向進(jìn)入，在塔內(nèi)旋轉(zhuǎn)上升，經(jīng)噴淋層凈化后由引風(fēng)機(jī)從塔頂引出。煙氣流速由畢托管測量，噴淋量由水泵與噴嘴控制，預(yù)混煙氣內(nèi)污染物濃度由流量計(jì)控制，塔內(nèi)均勻布置3根熱電偶用于測量煙氣溫度。實(shí)驗(yàn)中煙氣污染物濃度由Gasmet（FTIR DX400，芬蘭）實(shí)時(shí)監(jiān)測，分辨率為8 cm-1，紅外光源的波長范圍是900～4 200 cm-1。實(shí)驗(yàn)中使用多路溫度曲線記錄儀（MT-X，深圳深華軒科技有限公司）實(shí)時(shí)記錄脫酸塔內(nèi)的煙氣溫度變化，該溫度記錄儀的溫度記錄范圍為-99.9 ～1999.9 ℃，準(zhǔn)確度0.1 ℃。

圖2 濕法煙氣脫酸系統(tǒng)示意Figure2 Schematic of acid removal system of wet flue gas

實(shí)驗(yàn)時(shí)首先根據(jù)Gasmet調(diào)節(jié)SO2、HCl的濃度，根據(jù)溫度記錄儀調(diào)節(jié)燃燒器（FS10，RIEL?LO）控制煙氣溫度，當(dāng)煙氣溫度和污染物濃度達(dá)到設(shè)定值時(shí)，開啟噴嘴噴入脫酸劑，待出口處SO2、HCl濃度穩(wěn)定時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄。氣體分析記錄儀每1 s記錄1次脫酸塔出口的污染物濃度，當(dāng)出口處酸性氣體濃度穩(wěn)定后記錄5min內(nèi)污染物濃度的平均值作為出口濃度并計(jì)算脫酸效率。

實(shí)驗(yàn)煙氣模擬垃圾焚燒不同工況下煙氣設(shè)計(jì)值，分別為：①SO2選取50mg/m3，HCl選取20 mg/m3；②SO2選取600mg/m3，HCl選取1 200mg/m3；③SO2選取1 600 mg/m3，HCl選取400 mg/m3，分別對(duì)應(yīng)一般垃圾焚燒煙氣、部分摻燒其他垃圾或污泥的垃圾焚燒煙氣和滿足垃圾焚燒煙氣歐盟2010排放標(biāo)準(zhǔn)的煙氣理論值。煙氣量為100 m3/h，煙氣溫度90～110℃。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 吸收劑為水時(shí)的脫酸效率

SO2和HCl都是可溶于水的氣體，為了研究水的脫酸效率，首先以水作為脫酸劑進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。圖3和圖4分別給出了不同煙氣溫度時(shí)吸收劑為水時(shí)的脫硫效率和脫氯效率，從圖中可以看出，在液氣比為4 L/m3，吸收劑為水時(shí)，HCl的脫除效率遠(yuǎn)大于SO2，這是由于HCl在水中的溶解度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于SO2，100℃時(shí)HCl在水中的溶解度為40 g/mL，SO2在水中的溶解度僅為3.7 g/mL。當(dāng)SO2和HCl的濃度分別為600mg/m3和1 200mg/m3時(shí)，隨著煙氣溫度從100℃升高至110℃，SO2的脫除效率從29.9%增加至3 1.8%，而HC l的脫除效率從9 5.2%降低為94.2%。這是由于隨著煙氣溫度的升高，SO2的擴(kuò)散性增強(qiáng)，促進(jìn)了SO2向H2SO3的轉(zhuǎn)變，而HCl溶于水生成的鹽酸由于揮發(fā)性較強(qiáng)，在溫度升高時(shí)又重新釋放出來。

圖3 吸收劑為水時(shí)的脫硫效率（液氣比4 L/m3，SO2 600mg/m3，HCl1 200mg/m3）Figure3 Desulfurization efficiency when the absorbent is water（liquid gas ratio4 L/m3，SO2 600mg/m3，HCl1 200mg/m3）

圖4 吸收劑為水時(shí)的脫氯效率（液氣比4 L/m3，SO2 600mg/m3，HCl1 200mg/m3）Figure 4 Dechlorination efficiency when the absorbent is water（liquid gas ratio4 L/m3，SO2 600mg/m3，HCl1 200mg/m3）

3.2 吸收漿液pH對(duì)脫酸效率的影響

圖5表示煙氣溫度為100℃，不同液氣比時(shí)，脫酸漿液pH對(duì)脫硫效率的影響。從圖中可以看出，隨著脫酸漿液pH的增加，脫硫效率逐漸增加。在SO2和HCl的濃度分別為600mg/m3和1 200 mg/m3，液氣比為8 L/m3時(shí)，當(dāng)脫酸漿液pH=7時(shí)，脫硫效率約為37.5%，pH=9時(shí)，脫硫效率為60.2%，比p H=7時(shí)提高6 0.5%。在SO2和HCl的濃度分別為1 600mg/m3和400mg/m3，液氣比為8 L/m3時(shí)，當(dāng)脫酸漿液pH=7時(shí)，脫硫效率約為21.8%，p H=9時(shí)，脫硫效率為3 1.1%，比pH=7時(shí)提高42.6%。圖中同時(shí)給出了不同pH時(shí)液氣比對(duì)脫硫效率的影響。在實(shí)驗(yàn)所研究的工況條件下，當(dāng)SO2和HCl的濃度分別為50mg/m3和20mg/m3時(shí)，出口處SO2基本可以實(shí)現(xiàn)完全脫除。隨著液氣比的增加，脫硫效率有所增加，在脫酸漿液pH=9，SO2和HCl的濃度分別為600mg/m3和1 200mg/m3的工況下，當(dāng)液氣比從4 L/m3增加至8 L/m3時(shí)，脫硫效率從41.3%增加至6 0.2%，提高了4 5.7%。

圖5 不同脫酸漿液pH時(shí)的脫硫效率（煙氣溫度100℃）Figure 5 Desulfurization efficiency at different slurry pH values（flue gas temperature100℃）

圖6給出了不同液氣比時(shí)，脫酸漿液pH對(duì)脫氯效率的影響。從圖中可以看出，在當(dāng)前研究工況下，SO2和HCl的濃度分別為600mg/m3、1 200 mg/m3和1 600mg/m3、400mg/m3時(shí)，不同液氣 比及脫酸漿液pH下，HCl的脫出效率均可達(dá)95%以上；當(dāng)SO2和HCl的濃度為50mg/m3和20mg/m3時(shí)，出口處HCl基本可以實(shí)現(xiàn)完全脫除。這是由于HCl本身極易溶于水，隨著pH的增加，漿液中OH-濃度增加，酸堿中和反應(yīng)加強(qiáng)了HCl的脫除效率。相同液氣比時(shí)，隨著漿液pH的增加，HCl的脫除效率僅有小幅增加；隨著HCl濃度的增加，脫氯效率略有降低。

圖6 不同漿液pH時(shí)的脫氯效率（煙氣溫度100℃）Figure 6 Dechlorination efficiency at different slurry pH values（flue gas temperature100℃）

綜合比較，pH增加，單位體積漿滴內(nèi)部的OH-濃度增加，使得吸附于漿滴表面且溶于水的SO2和HCl快速發(fā)生酸堿中和反應(yīng)，利于氣體中的SO2和HCl快速不斷地向漿滴表面擴(kuò)散；液氣比增加，使得單位體積的氣體接觸漿滴的概率增加，從而促進(jìn)了SO2和HCl吸附于漿滴表面，大量吸附于漿滴表面的SO2和HCl，通過溶于水及溶于水后與OH-發(fā)生反應(yīng)兩個(gè)途徑，最終都會(huì)實(shí)現(xiàn)脫除的目的。

3.3 吸收漿液鹽濃度對(duì)脫酸效率的影響

圖7和圖8給出了不同漿液鹽濃度時(shí)的脫硫效率和脫氯效率，其中鹽的濃度為漿液中Na2SO4的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。從圖中可以看出，漿液中鹽的濃度提高時(shí)，脫酸效率下降。在液氣比為4 L/m3，pH=6.5 ，SO2和HCl的濃度分別為400mg/m3和800mg/m3的工況下，鹽的濃度從5%增加到7%時(shí)，脫硫效率從34.9%下降至2 6.1%，脫硫效率下降25.2%。這可能是由于SO濃度的增加，影響SO與SO之間的轉(zhuǎn)化，進(jìn)而影響了SO2在漿滴表面的吸附和在漿滴內(nèi)的溶解平衡，最終影響SO2的吸收。漿液中Na2SO4的濃度對(duì)脫氯效率的影響不大，Na2SO4的濃度從5%增加至7%時(shí)，脫氯效率從91.2%下降至8 9.9%，脫氯效率下降1.4%。

圖7 不同漿液鹽濃度時(shí)的脫硫效率（SO2 400mg/m3，HCl800mg/m3）Figure 7 Desulfurization efficiency at different slurry salt concentrations（SO2 400mg/m3，HCl800mg/m3）

圖8 不同漿液鹽濃度時(shí)的脫氯效率（SO2 400mg/m3，HCl800mg/m3）Figure8 Dechlorination efficiency at different slurry salt concentrations（SO2 400mg/m3，HCl800mg/m3）

4 結(jié)論

通過實(shí)驗(yàn)，研究了濕法脫酸過程中漿液的pH、鹽濃度等參數(shù)對(duì)SO2和HCl脫除效率的影響，主要結(jié)論如下：

1）水對(duì)SO2和HCl都有一定的脫除效率，隨著煙氣溫度的升高，SO2的脫除效率增加，而HCl的脫除效率略有降低。

2）提高吸收漿液pH可提高脫酸塔的脫硫效率，當(dāng)液氣比為8 L/m3，SO2和HCl的濃度為600mg/m3和1 200mg/m3，脫酸劑pH=9時(shí)的脫硫效率比pH=7時(shí)提高60.5%，而SO2和HCl的濃度為1 600mg/m3和400mg/m3，脫酸劑pH=9時(shí)的脫硫效率比pH=7時(shí)提高42.6%。

3）吸收漿液鹽濃度增加，SO2和HCl的脫除效率均有降低。在液氣比為4 L/m3，pH=6.5 ，SO2和HCl的濃度為400mg/m3和800mg/m3時(shí)，鹽的濃度從5%增加到7%時(shí)，脫硫效率下降25.2%，脫氯效率下降1.4%。相同的漿液鹽濃度時(shí)，隨著液氣比的增加，SO2和HCl的脫除效率均增加。

4）根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，建議濕法脫酸實(shí)際運(yùn)行中定期排出吸收漿液中的鹽溶液，補(bǔ)充吸收劑以穩(wěn)定脫酸漿液pH，保證酸性氣體的脫除效果。