焚燒電廠半干法脫除煙氣中氯化氫的實驗研究

廣州環(huán)投南沙環(huán)保能源有限公司 付振華 楊元松

關(guān)鍵字：焚燒；氯化氫；半干法脫酸；影響因素

近些年來，我國很多城市開始采用焚燒發(fā)電的方式來處理生活垃圾，該方式具有減量化明顯、無害化徹底和資源化利用的優(yōu)勢，成為了很多城市解決垃圾圍城困局的主要手段之一。據(jù)統(tǒng)計，截止2020年6月我國內(nèi)地建成并投入運營的生活垃圾焚燒發(fā)電廠約450座，按照“十三五”規(guī)劃，到2020年底，大多數(shù)直轄市、計劃單列市和省會城市要實現(xiàn)原生垃圾“零填埋”，設(shè)市城市生活垃圾焚燒處理能力占無害化處理總能力的50%以上[1]，與此同時，焚燒產(chǎn)生的二次污染問題也日益受到人們的廣泛關(guān)注。

氯化氫是垃圾焚燒爐排放的大氣污染物之一。排入大氣中的氯化氫與水蒸氣相遇，極易生成白色的鹽酸霧，對人體和植物具有很強的刺激性和腐蝕性，甚至引發(fā)嚴(yán)重的呼吸道疾病，并且氯化氫對焚燒爐的焚燒設(shè)備本體有著很強的腐蝕作用[2]。我國最新頒布的焚燒電廠氯化氫污染物排放限值小時均值為60mg/m3[3]，目前比較成熟的脫除氯化氫技術(shù)有濕法、半干法和干法等，現(xiàn)有焚燒發(fā)電廠多數(shù)采用半干法脫酸反應(yīng)塔來降低氯化氫的排放。隨著國家環(huán)保督察和環(huán)保排放的日益嚴(yán)格，尋求更有效的控制方式，實現(xiàn)污染物超低排放，同時降低企業(yè)運營成本，成為了很多企業(yè)面臨的新難題。

1 實驗裝置與方法

1.1 實驗裝置

以廣州某垃圾焚燒發(fā)電廠一臺焚燒爐為實驗對象，該焚燒爐型號為SLC750-63.3-4.0/400，日均處理生活垃圾750噸，鍋爐額定負(fù)荷為63.3t/h，為自然循環(huán)中溫中壓余熱鍋爐，爐排采用四級傾斜順推式，采用室內(nèi)布置，微負(fù)壓運行。垃圾在爐排上燃燒后產(chǎn)生的煙氣依次通過余熱爐豎直第一通道、U 型第二、第三通道、水平第四通道、省煤器、再進(jìn)入尾部煙氣處理系統(tǒng)。其中煙氣處理系統(tǒng)包括SNCR、脫酸反應(yīng)塔、干法混合器和布袋除塵器，凈化后的煙氣經(jīng)過CEMS 檢測后排向大氣。其煙氣處理工藝流程示意圖如下圖1。

圖1 煙氣處理工藝流程示意圖

本系統(tǒng)半干法脫酸系統(tǒng)為高速旋轉(zhuǎn)噴霧反應(yīng)塔，石灰漿制備系統(tǒng)將配制完成的石灰漿由輸送管線送至半干反應(yīng)塔，石灰漿由反應(yīng)塔頂部的高速旋轉(zhuǎn)霧化器霧化后，與含有氯化氫等酸性氣體的熱煙氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，脫除酸性物質(zhì)。其反應(yīng)的主要化學(xué)式為：Ca（OH）2+2HCl=CaCl2+2H2O

1.2 實驗方法

石灰漿制備系統(tǒng)可以生產(chǎn)出不同濃度的石灰漿，濃度由PLC 順控控制，該脫酸反應(yīng)塔配備有雙流體噴槍，即帶有壓縮霧化的減溫水，出口配有干法混合器，在霧化器異常情況下配合實現(xiàn)酸性污染物的短時控制。

實驗中采取單一變量法來測試不同反應(yīng)條件下脫除氯化氫的效果，主要影響因素包括化學(xué)摩爾比、反應(yīng)溫度、煙氣氧量、鍋爐負(fù)荷等。實驗中通過調(diào)控石灰漿液濃度，來改變反應(yīng)的化學(xué)摩爾比（α），通過雙流體來調(diào)節(jié)反應(yīng)塔反應(yīng)溫度（T），通過調(diào)整風(fēng)機頻率和風(fēng)門擋板開度來調(diào)整煙氣氧量（SR），通過調(diào)整燃燒工況來改變鍋爐負(fù)荷D，并測試不同工況下的脫除氯化氫效果。煙氣成分?jǐn)?shù)據(jù)通過CEMS 檢測系統(tǒng)測得，并通過計算程序折算成O2含量為11%的標(biāo)況數(shù)據(jù)。

2 結(jié)果與討論

2.1 化學(xué)摩爾比對脫除效果的影響

由于焚燒爐煙氣中氯化氫氣體的濃度是經(jīng)常變化的，其大小主要受垃圾成分的影響，其初始濃度很難確保穩(wěn)定。實際運行中發(fā)現(xiàn)，廣州的垃圾焚燒發(fā)電廠氯化氫的初始排放濃度一般為80mg/m3～200mg/m3，本次實驗中分別取初始濃度100mg/m3、140mg/m3和180mg/m3三個值，其反應(yīng)溫度及負(fù)荷均控制在日常運行規(guī)范內(nèi)。圖2是反應(yīng)的不同化學(xué)摩爾比對氯化氫脫除效果的影響。

摩爾比在化學(xué)反應(yīng)中是一個很重要的指標(biāo)，對于氫氧化鈣和氯化氫的反應(yīng)摩爾比來說，摩爾比過小，氯化氫的脫除效達(dá)不到排放要求，而摩爾比過大，不僅增加了物料的浪費，其反應(yīng)產(chǎn)物也需要進(jìn)行填埋處置，相應(yīng)的運行成本也會增加不少。從圖2中可以看出，隨著化學(xué)摩爾比α 的增加，氯化氫的排放值不斷降低，脫除效率不斷升高，隨著α 增大到4以后，氯化氫的排放值基本能夠降低到60mg/m3以下的國家排放標(biāo)準(zhǔn)，而隨著α 增大到6以后，氯化氫的脫除效果曲線下降變得很平緩，反應(yīng)效率增加不明顯，這與深圳垃圾焚燒的實驗室數(shù)據(jù)較為一致[4]，因此在實際運行中控制α在5～6左右，就可以取得很好的脫除效果，基本能夠?qū)崿F(xiàn)20mg/m3以下的超低排放，明顯優(yōu)于國家排放標(biāo)準(zhǔn)。

圖2 不同化學(xué)摩爾比對氯化氫去除效果影響

2.2 反應(yīng)溫度對脫除效果的影響

此次試驗中保持反應(yīng)塔入口煙溫恒定，分別取230℃和205℃，α 選擇5左右，通過調(diào)節(jié)雙流體的流量來調(diào)節(jié)反應(yīng)溫度，并以反應(yīng)塔出口煙溫作為溫度指標(biāo)，圖3是反應(yīng)塔出口不同煙溫工況下氯化氫的排放值。

圖3 不同反應(yīng)溫度對氯化氫去除效果的影響

從圖中可以看出，隨著反應(yīng)塔出口煙溫的升高，氯化氫的排放監(jiān)測值也相應(yīng)的增高，說明反應(yīng)溫度的升高不利于氯化氫的脫除。出口煙溫從140℃逐漸升高到165℃，氯化氫的排放值依然在國標(biāo)值以下，但當(dāng)出口煙溫超過170℃，其瞬時值就有可能超過國標(biāo)值。并且在相同出口煙溫的工況下，入口煙溫230℃的排放數(shù)據(jù)逐漸高于205℃的工況，說明在實際運行中盡量要把入口煙溫和出口煙溫控制的低一些，但為了避免布袋除塵器糊袋和反應(yīng)塔出濕灰，一般應(yīng)控制反應(yīng)塔出口煙溫在150℃以上。

2.3 煙氣氧量對脫除效果影響

煙氣氧量主要反映爐內(nèi)燃料的燃燒情況。實際運行時，為了保證垃圾得到充分燃燒，避免出現(xiàn)未燃盡的生料，一般要求控制省煤器出口的氧量在6%～10%之間。本次實驗主要通過調(diào)整一、二次風(fēng)機頻率和風(fēng)門開度來改變?nèi)紵齾^(qū)域的氧量供應(yīng)，并通過省煤器出口的氧量不同測量值，來觀察反應(yīng)塔出口氯化氫的排放值。實驗結(jié)果圖4所示。

圖4 不同出口氧量對氯化氫去除效果的影響

在對廣州生活垃圾的模化研究中發(fā)現(xiàn)，垃圾焚燒過程中煙氣中的氯化氫主要來源為垃圾中有機氯化物含氯取代基在燃燒脫除出來的，隨著溫度的升高，氯向氯化氫轉(zhuǎn)化呈現(xiàn)線性增加，氯的轉(zhuǎn)化率也越高[5]。實驗中證明，HCl 的析出能力會隨著含氧量的增加而增加[6]。從圖4中可以看出，隨著氧量從2%逐漸增到10%，HCl 排放整體呈現(xiàn)上升的趨勢，并且在8%以后出現(xiàn)拐點，排放量趨于穩(wěn)定或者有所下降，分析拐點原因為空氣的大量給入，導(dǎo)致燃燒中心火焰不穩(wěn)定，在一定程度上抑制了燃燒的發(fā)生。實際運行中，氧量過低，會造成燃燒不充分，可能造成CO 排放超標(biāo)，長期還會造成爐膛水冷壁的結(jié)焦，嚴(yán)重時出現(xiàn)爆管故障；氧量太高，雖然會在一定程度上抑制HCl 的產(chǎn)生，但會增加能耗，同時對爐溫的影響較大，可能出現(xiàn)低于850℃的工況，嚴(yán)重的還會觸發(fā)國家環(huán)保監(jiān)管平臺的督辦核查。綜合考慮，一般控制爐膛出口氧量在4%～7%，可以較好的控制HCl 的產(chǎn)生和脫除。

2.4 鍋爐負(fù)荷對脫除效果的影響

垃圾焚燒爐由于其燃料成分的多變性，鍋爐負(fù)荷很難在較長時間內(nèi)保持穩(wěn)定，污染物的排放也會出現(xiàn)劇烈波動，如調(diào)整不及時，極易出現(xiàn)環(huán)保事故，因此研究負(fù)荷變化對脫除氯化氫效果的影響，做到提前研判，對于焚燒爐實際運行有著重要的意義。在燃燒相對穩(wěn)定的前提下，逐漸調(diào)整鍋爐負(fù)荷，測定不同負(fù)荷下氯化氫的脫除排放值。

從圖5可以看出，在石灰漿流量不變的情況下，隨著鍋爐負(fù)荷的升高，氯化氫脫除后的排放值也是升高的。負(fù)荷從55t/h 升到65t/h，排放值依然在國標(biāo)限值范圍內(nèi)，超過65t/h 之后，排放值有明顯的上升，在未調(diào)整漿流量等因素的前提下，排放量已經(jīng)很難控制在國標(biāo)限值范圍內(nèi)了。特別是現(xiàn)在城市生活垃圾的熱值逐年上升，很難按照當(dāng)初設(shè)計量來完成焚燒任務(wù)，在一定程度上降低了焚燒廠的經(jīng)濟(jì)收入。企業(yè)在實際運行中為了提高垃圾的處理量，增加發(fā)電量和售電量，經(jīng)常讓鍋爐處于超負(fù)荷運行狀態(tài)，這對鍋爐的安全穩(wěn)定運行是不利的。在實際運行中，控制鍋爐負(fù)荷在58t/h～65t/h 之間，即額定負(fù)荷的90%～103%之間，既能實現(xiàn)鍋爐熱負(fù)荷率保持經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定運行，又能讓氯化氫污染物的排放值在監(jiān)管范圍以下。

圖5 不同鍋爐負(fù)荷對氯化氫去除效果的影響

3 結(jié)語

隨著反應(yīng)化學(xué)摩爾比α 的增加，氯化氫的排放值不斷降低，在實際運行中控制α 在5～6左右，就可以取得很好的脫除效果，基本能夠?qū)崿F(xiàn)20mg/m3以下的超低排放，明顯優(yōu)于國家排放標(biāo)準(zhǔn)。

氯化氫的排放值隨著反應(yīng)煙溫的升高而增加，在實際運行中控制反應(yīng)塔出口煙溫在150℃～165℃之間，氯化氫的脫除效果比較好。

隨著煙氣氧量的增加，HCl 排放整體呈現(xiàn)上升的趨勢，在實際運行中，一般控制煙氣氧量在4%～7%，可以較好的控制HCl 的產(chǎn)生和脫除，爐溫及其它污染物排放也較為穩(wěn)定。

在實際運行中，控制鍋爐負(fù)荷在58t/h～65t/h之間，即額定負(fù)荷的90%～103%之間，既有利于鍋爐的安全穩(wěn)定運行，又能保證經(jīng)濟(jì)效益，污染物的排放值也在監(jiān)管范圍以下。