一種流化床式半干法工藝的介紹

塵冠宏

（中國(guó)城市建設(shè)研究院有限公司，北京 100120）

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)規(guī)模的擴(kuò)大，國(guó)內(nèi)垃圾焚燒廠(chǎng)數(shù)量正在快速增加。“十三五”期間，全國(guó)城鎮(zhèn)生活垃圾基本實(shí)現(xiàn)無(wú)害化處理。根據(jù)“十四五”規(guī)劃要求，到2025年底，城市生活垃圾焚燒處理能力占比65%左右。垃圾焚燒發(fā)電將成為未來(lái)生活垃圾焚燒的主要處理方式[1]。因此不少省市出臺(tái)了更為嚴(yán)格的地方標(biāo)準(zhǔn)來(lái)限制污染物排放濃度。

在這種發(fā)展趨勢(shì)和大環(huán)境下，新的垃圾焚燒廠(chǎng)設(shè)備需要滿(mǎn)足更高的排放標(biāo)準(zhǔn)，而舊的垃圾焚燒廠(chǎng)也需要進(jìn)行升級(jí)改造，因此，必須開(kāi)發(fā)并應(yīng)用更多的煙氣凈化技術(shù)和設(shè)備。根據(jù)實(shí)際市場(chǎng)需求，高效節(jié)能便是其中的一項(xiàng)重要指標(biāo)。

本文分析一種國(guó)外使用的流化床式半干法設(shè)備工藝，它在滿(mǎn)足更為嚴(yán)格的歐盟標(biāo)準(zhǔn)的同時(shí)，也具有節(jié)能的優(yōu)點(diǎn)。

1 流化床式半干法工藝原理及流程

這種半干法工藝采用了循環(huán)流化床原理：煙氣從鍋爐出口出來(lái)后，未脫酸的煙氣通過(guò)反應(yīng)塔底部的文丘里管加速，與一次噴入的脫酸劑、從布袋除塵器下循環(huán)過(guò)來(lái)的混合灰從該反應(yīng)塔的下端一同進(jìn)入反應(yīng)塔，隨后在其中發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。

在循環(huán)流化床中，煙氣和其他反應(yīng)物作為氣固兩相，由于反應(yīng)塔形成湍流，使煙氣與其他固相反應(yīng)物在反應(yīng)塔上升的過(guò)程中不斷反應(yīng)、混合形成絮狀的反應(yīng)生成物，再向下返回。而湍流流場(chǎng)將下降中的絮狀物不斷分解為小顆粒，顆粒因重量減輕而提升，形成類(lèi)似循環(huán)流化床鍋爐所特有的內(nèi)循環(huán)顆粒流，流化床的床層顆粒濃度得到提升，反應(yīng)時(shí)間也相較舊式半干法有很大延長(zhǎng)，可極大地提升反應(yīng)物的效率[1]。

此外，設(shè)備內(nèi)還在反應(yīng)塔煙道出口擴(kuò)管段設(shè)一套噴霧裝置，噴射水霧不僅可以將煙氣溫度調(diào)節(jié)至合適溫度，還可以通過(guò)此手段使得煙氣中酸性氣體與脫酸劑（氫氧化鈣）的反應(yīng)轉(zhuǎn)化為離子型反應(yīng)。脫酸劑、循環(huán)混合灰在塔內(nèi)進(jìn)行第二步的充分反應(yīng)。

反應(yīng)過(guò)后的固體反應(yīng)物和未反應(yīng)完全的脫酸劑和活性炭將會(huì)隨著煙氣進(jìn)入布袋除塵器，被布袋除塵器攔下，并在其表面進(jìn)行再次反應(yīng)。布袋除塵器下端收集到的固體殘留物，將從反應(yīng)塔下側(cè)進(jìn)入，重新跟隨煙氣在反應(yīng)塔內(nèi)進(jìn)行二次反應(yīng)，力求實(shí)現(xiàn)反應(yīng)劑效率最大化。最終，多余的部分固體殘留物將作為飛灰進(jìn)行穩(wěn)定化處理和填埋。

這種流化床式半干法工藝的設(shè)備和煙氣、脫酸劑、活性炭等物質(zhì)的反應(yīng)流程如圖1所示。

圖1 脫酸劑為熟石灰的流化床式半干法流程

2 流化床式半干法工藝的優(yōu)點(diǎn)

相較于傳統(tǒng)的半干法，流化床式半干法有以下3個(gè)優(yōu)點(diǎn)。

（1）與傳統(tǒng)石灰漿半干式反應(yīng)塔相比，流化床式半干法的反應(yīng)物利用率高。反應(yīng)塔內(nèi)的降溫水不僅可以在反應(yīng)塔內(nèi)將煙氣溫度調(diào)節(jié)至145℃左右[2]，提高脫酸劑的利用效率，還能在固體殘余物循環(huán)進(jìn)入反應(yīng)塔時(shí)，重新激活再循環(huán)的殘留物，從而進(jìn)一步優(yōu)化整體的反應(yīng)效率。未反應(yīng)完全的試劑被多次使用，從而最大限度地減少資源消耗[2]。

（2）該系統(tǒng)在污染物檢測(cè)和加藥控制系統(tǒng)下，可以最大限度地保證這種系統(tǒng)的低排放、低物料消耗和減少固體殘留物（飛灰產(chǎn)生量），且該過(guò)程中不會(huì)產(chǎn)生廢水，水耗低，能耗低，無(wú)須采購(gòu)廢水處理裝置。

（3）這種半干法原理十分簡(jiǎn)單，操作簡(jiǎn)單，且容易壓縮體積，實(shí)際安裝后所占空間不大。因此，這種套設(shè)備基礎(chǔ)設(shè)施成本偏低，后續(xù)運(yùn)行過(guò)程中也沒(méi)有過(guò)高的設(shè)備維護(hù)要求，經(jīng)濟(jì)價(jià)值高，適合改造。

但相較于傳統(tǒng)反應(yīng)塔，流化床式反應(yīng)塔內(nèi)對(duì)于反應(yīng)溫度的控制更加嚴(yán)格，溫度過(guò)低時(shí)會(huì)產(chǎn)生物料粘壁，甚至運(yùn)輸管堵塞等現(xiàn)象，對(duì)流化床式半干法的設(shè)備帶來(lái)的影響明顯更大。因此排煙溫度需要始終高于露點(diǎn)溫度20℃[3]。

3 工程實(shí)例介紹

下文介紹兩個(gè)國(guó)內(nèi)外的運(yùn)行中的工廠(chǎng)案例進(jìn)一步驗(yàn)證流化床式半干法的可行性。

（1）國(guó)內(nèi)案例為2018年上海寶鋼股份電廠(chǎng)350 MW燃?xì)忮仩t的煙氣凈化工藝改造項(xiàng)目。

雖然該工廠(chǎng)并不是垃圾焚燒工廠(chǎng)，但為滿(mǎn)足排放要求，改造后使用了流化床式半干法工藝，因此具有很高的參考性。該項(xiàng)目于2018年10月開(kāi)始實(shí)施改造，并于2019年8月順利投運(yùn)，雖然改造條件要求較高，但運(yùn)行穩(wěn)定至今。

該工廠(chǎng)的煙氣反應(yīng)線(xiàn)路如圖2所示。

圖2 煙氣反應(yīng)線(xiàn)路

由圖2可知，該工廠(chǎng)脫酸工藝改造后只采用了流化床式半干法的一級(jí)脫酸，而一般情況下，為滿(mǎn)足高排放標(biāo)準(zhǔn)，一級(jí)脫酸（半干法或干法）很難使煙氣數(shù)據(jù)達(dá)標(biāo)。但此項(xiàng)目實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)表明，原煙氣經(jīng)過(guò)一級(jí)脫酸后出口煙氣中SO2濃度可降低至5.4 mg/m3，各項(xiàng)性能指標(biāo)均滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求（SO2濃度小于等于30 mg/m3）。

作為一個(gè)燃?xì)忮仩t改造項(xiàng)目，它的鍋爐出口硫污染物質(zhì)量濃度較低，其燃?xì)忮仩t項(xiàng)目和垃圾焚燒廠(chǎng)項(xiàng)目的鍋爐出口硫化物濃度如表1所示。

表1 燃?xì)忮仩t項(xiàng)目和垃圾焚燒廠(chǎng)項(xiàng)目的鍋爐出口硫化物濃度

從表1中可看出，燃?xì)忮仩t出口濃度穩(wěn)定低于200 mg/Nm3，但垃圾焚燒鍋爐出口濃度波動(dòng)較大，從數(shù)據(jù)上看，該工藝滿(mǎn)足了燃?xì)忮仩t的改造要求，但不一定能滿(mǎn)足未來(lái)垃圾焚燒發(fā)電廠(chǎng)改造項(xiàng)目的排放標(biāo)準(zhǔn)。

但作為一個(gè)改建項(xiàng)目，它滿(mǎn)足了燃?xì)忮仩t需要考慮的負(fù)荷事實(shí)變動(dòng)大的要求。在實(shí)際改造中也體現(xiàn)了其改造、運(yùn)行成本低、穩(wěn)定性高的巨大優(yōu)點(diǎn)。

目前國(guó)內(nèi)流化床式半干法反應(yīng)塔多應(yīng)用于焦?fàn)t煙氣，由于焦?fàn)t煙氣的硫化物污染物濃度明顯低于垃圾焚燒工廠(chǎng)污染物濃度，因此，不建設(shè)在煙氣中硫含量高且排放要求嚴(yán)格的地區(qū)采用[4]。

但流化床式半干法反應(yīng)塔并不是不能應(yīng)用于垃圾焚燒廠(chǎng)，近些年來(lái)國(guó)外陸續(xù)有項(xiàng)目使用該流化床式半干法，并已穩(wěn)定運(yùn)行至今。

（2）國(guó)外使用流化床式半干法的垃圾焚燒廠(chǎng)工程案例分析如下。

英國(guó)諾廷萊的Ferrybridge Multifuel 2垃圾焚燒廠(chǎng)于2019年開(kāi)始運(yùn)營(yíng)，共配置兩條生產(chǎn)線(xiàn)，年處理量為566 000 t，熱值為8.5～16.5 MJ/kg，每年向外供應(yīng)電力，總輸出功率為79.19 MW。煙氣凈化采用“SNCR+流化床式半干法+活性炭噴射+布袋除塵器”的工藝。Ferrybridge Multifuel 2垃圾焚燒廠(chǎng)煙氣處理工藝流程如圖3所示。

圖3 Ferrybridge Multifuel 2垃圾焚燒廠(chǎng)煙氣處理工藝流程

煙氣從鍋爐出口出來(lái)后進(jìn)入流化床式半干法反應(yīng)塔進(jìn)行脫酸，反應(yīng)介質(zhì)為氫氧化鈣干粉，同時(shí)噴入冷卻水水霧將煙氣溫度降低至145℃左右。

在反應(yīng)塔內(nèi)進(jìn)行酸堿中和的同時(shí)，噴入活性炭去除煙氣的重金屬與二噁英，之后煙氣混雜著氫氧化鈣、活性炭和酸堿中和反應(yīng)物進(jìn)入布袋除塵器，并在布袋除塵器中被攔下，進(jìn)入除塵器下的固體殘留物收集器。

固體殘留物中的一部分通過(guò)反應(yīng)塔和除塵器下的運(yùn)輸設(shè)備重新進(jìn)入反應(yīng)塔，并在冷卻水的噴淋下再次與煙氣中的酸性物質(zhì)反應(yīng)，未進(jìn)入反應(yīng)塔的殘留物運(yùn)至飛灰穩(wěn)定化處理。本過(guò)程中不產(chǎn)生廢水，且與傳統(tǒng)的半干法工藝相比較，需要穩(wěn)定化處理的飛灰量也有所減少[5]。

凈化后的煙氣通過(guò)煙囪高空排放。Ferrybridge Multifuel 2垃圾焚燒廠(chǎng)如圖4所示。

圖4 Ferrybridge Multifuel 2垃圾焚燒廠(chǎng)

英國(guó)作為歐洲國(guó)家，該項(xiàng)目為2019年開(kāi)始運(yùn)營(yíng)，該垃圾焚燒工廠(chǎng)中硫化物污染物排放按照歐盟標(biāo)準(zhǔn)，其與我國(guó)排放標(biāo)準(zhǔn)的對(duì)比如表2所示。

表2 歐盟硫化物污染物排放標(biāo)準(zhǔn)與我國(guó)排放標(biāo)準(zhǔn)的對(duì)比

英國(guó)的Ferrybridge Multifuel 2垃圾焚燒工廠(chǎng)僅使用了一級(jí)脫酸（流化床式半干法脫酸）即可滿(mǎn)足歐盟標(biāo)準(zhǔn)的要求，且穩(wěn)定運(yùn)行至今。歐洲在2019年又頒布了新的BAT 2019污染物排放標(biāo)準(zhǔn)，其中將已建成的舊廠(chǎng)硫化物排放標(biāo)準(zhǔn)要求定為3～40 mg/Nm3，本項(xiàng)目依然滿(mǎn)足新標(biāo)準(zhǔn)的各項(xiàng)要求，證明了這種工藝在垃圾焚燒廠(chǎng)中的可行性和高效性。

4 結(jié)語(yǔ)

流化床式半干法脫酸工藝具有節(jié)能、節(jié)水的優(yōu)點(diǎn)，并且由于其簡(jiǎn)單的設(shè)備組成和并不復(fù)雜的機(jī)械結(jié)構(gòu)，因此建造與運(yùn)營(yíng)成本都很低。

隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，人們對(duì)環(huán)境衛(wèi)生的要求逐步提升，各地對(duì)于煙氣排放施行了更高要求的標(biāo)準(zhǔn)，在此背景下，高效節(jié)能的脫酸工藝將會(huì)廣泛地應(yīng)用到生活垃圾焚燒處理中。除了生活垃圾焚燒項(xiàng)目，還有很多煙氣排放項(xiàng)目需要通過(guò)改造來(lái)滿(mǎn)足新的地方排放標(biāo)準(zhǔn)，因此，需要有針對(duì)性地采用高效、低成本且操作簡(jiǎn)單穩(wěn)定的新工藝。本文介紹了一種適用于垃圾焚燒等煙氣排放項(xiàng)目的流化床式半干法，希望能為將來(lái)國(guó)內(nèi)垃圾焚燒廠(chǎng)脫酸工藝的選擇與改造提供一種參考。