垃圾焚烧烟气半干式脱酸塔常见问题综述

2021-03-11杨荣清

中国设备工程 2021年3期

杨荣清

（光大环境科技（中国）有限公司，江苏南京 211106）

城镇化建设快速发展，使部分城市陷于“垃圾围城”的现实困境。2019 年，我国城市生活垃圾清运量突破2.42 亿吨，而垃圾无害化处理能力869875 吨/日，其中焚烧处理能力456499 吨/日，占比近52.5%。生活垃圾焚烧发电技术因其“减量化、资源化、无害化”优势明显，已成为不少地方破解难题的首选。

半干式脱酸塔是脱除垃圾焚烧烟气中SO2、HCl 和HF 等酸性气态污染物的重要设备，事关污染物达标排放、安全稳定运行以及运行成本控制等，需要工程技术支撑。本文结合当前最流行的基于离心喷雾干燥技术的半干式脱酸塔在设计、制造、安装和运行维护等工作中发现的问题，分析其形成的原因，并提出相应建议，供业内参考。

1 垃圾焚烧烟气半干式脱酸工艺

1.1 工艺流程

典型的生活垃圾焚烧烟气半干式脱酸工艺流程见图1。来自余热锅炉的原烟气从脱酸塔顶部经分配并起旋后，向下呈环状进入塔内；同时，制备好的石灰浆在过滤后也被泵送至反应塔顶部的离心式雾化器，被雾化成粒径为30 ～50μm的雾滴后与烟气剧烈混合，吸收烟气中的HCl 和SO2等酸性气态污染物。由于雾滴粒径小、比表面积大且与烟气的相对运动速度高，短时内其表面干燥和烟气降温主要集中在雾化器周围完成。随后，未完全干燥或反应的颗粒和烟气在塔内下行过程中进一步反应，到达脱酸塔底部时，除部分颗粒物被灰斗收集外，其余颗粒物将跟随烟气经出口烟道流向袋式除尘器，可进一步脱除烟气中的酸性气态污染物。工程中常将粉末活性炭在脱酸塔和除尘器之间的烟道处与烟气充分混合，并在袋式除尘器滤袋表面停留足够时间，实现烟气中二噁英类和重金属及其化合物的有效脱除，其后绝大部分飞灰坠入灰斗被收集；为便于半干法的调峰和雾化盘的更换维护，此处一般设置消石灰粉末喷射口。半干式脱酸塔和袋式除尘器灰斗收集的颗粒物经由卸、输灰设备集中到灰仓，飞灰应按规定处理处置。

1.2 半干式脱酸工艺控制原则

生活垃圾焚烧烟气半干式脱酸工艺以“温度”和“浓度”控制为主：脱酸塔出口烟气温度宜控制在酸露点以上不少于20℃，以防后续设备和管路低温腐蚀；同时应根据酸性气态污染物排放浓度反馈及时调整消石灰投加量，例如在合理的出口烟温区间内调整石灰浆流量/浓度，或按需在脱酸塔出口辅以消石灰粉等，在控制污染物达标排放的前提下兼顾经济性。

图1 焚烧烟气半干式脱酸系统典型工艺流程

2 常见问题及其原因分析与对策

2.1 飞灰粘壁问题

飞灰粘壁是半干式脱酸塔设计和运行维护必须考虑的问题，其主要原因在于：

（1）粘壁后的物料，尤其是灰斗内和直筒段底部的物料，在不断增厚的过程中将增加设备压力损失和引风机电耗，同时提高消石灰耗量和飞灰产量，而增加的飞灰又会反过来进一步加剧粘壁现象。

（2）人工清除脱酸塔内粘壁物料需要先冷却、后清理的过程，通常需要5 天左右时间才能完成，因此每次停炉都会缩短全厂有效运行时间。生活垃圾焚烧发电厂都承担着及时处理当地生活垃圾的社会责任，垃圾产量高峰期长时间停炉对垃圾电厂是个考验，停炉同时还会导致经济损失。因此，一般电厂非不得已通常不愿为此停炉检修。

（3）设计或运行不当导致的飞灰粘壁积累到一定程度后，在设备振动、热应力和重力等因素作用下时常会整块坠入塔底，有时不仅导致设备压力损失骤增、增加运行成本和加剧飞灰粘壁，严重的还会损坏设备、被迫停产并带来安全隐患。

半干式脱酸塔内飞灰粘壁可分为干灰表面附着和半湿飞灰粘壁，前者通常不可避免，但其附着层薄而疏松，大多可在振动或气流等作用下自行脱落，对正常生产影响甚微，因此本文聚焦工程中关注得更多的半湿飞灰粘壁问题。

2.2 半湿飞灰粘壁

半湿飞灰粘壁是由于浆液经雾化后，在雾滴完成表面干燥前触及设备壁面并附着而形成。雾滴的运动轨迹决定了粘壁位置，不同粘壁位置对生产的影响也不尽相同：脱酸塔直筒段底部和灰斗内粘壁，对设备压力损失增加、经济性降低的影响更大，且随着附着层的增厚而越发明显；脱酸塔上部、顶盖的粘壁并成块脱落坠入灰斗，除了带来前述影响外，还会增加设备损坏和停炉风险，也是一大安全隐患，其危害不容忽视。

离心式半干脱酸塔内半湿飞灰粘壁的主要影响因素有：脱酸塔结构型式、原烟气温度、塔内烟气流场、雾化器运行状况（变频器故障、振动高）等。各影响因素及相应的注意事项或解决措施分别如下：

（1）脱酸塔结构和型式。离心式雾化器的雾滴是近乎以切向离开雾化盘，如果脱酸塔直径设计得过小，更容易在雾滴运动轨迹内的塔壁上发生半湿飞灰粘壁现象，故半干式脱酸塔多呈矮胖型；但塔径也不宜设计得过大，否则，会增加设备占地面积。脱酸塔的直径选取需综合雾化器理想转速、雾炬和烟气停留时间等因素，其高径比宜在1.0 ～1.2。

（2）原烟气温度。当入口原烟气温度较低时，由于CEMS 系统和烟气净化控制系统等存在一定的滞后，石灰浆浓度无法瞬时调整；此时，若烟气中酸性气态污染物浓度较高，很多电厂为保证达标排放常在调整石灰浆浓度之前先保证石灰浆流量，以致出塔烟气温度偏低（出塔烟温宜高于烟气酸露点20℃以上，一般应≥145℃），导致很多雾滴得不到充分干燥，更易发生半湿飞灰粘壁现象。出塔烟温过低，还会加剧下游烟气净化设备和管路的堵塞和低温腐蚀，因此，应极力避免。

可以在脱酸塔出口烟道喷入消石灰粉辅助脱酸，或通过调节余热锅炉前的三通阀等方式适当提高原烟气温度。提高浆液质量浓度也有一定缓解作用，但浓度过高，会增加浆液输送管路堵塞风险，因此，浆液质量浓度通常不高于13%。当然，余热锅炉换热效率通常会随着时间的推移而下降，此时，同等条件下，原烟气温度会逐渐高出设计值，因而汪所需的石灰浆浓度会降低、流量会增大。

（3）塔内烟气流场。脱酸塔内的流场分布会直接影响雾滴运动轨迹，因此，对飞灰粘壁影响很大。

①如果飞灰粘壁位于脱酸塔顶盖和直筒上部，表明烟气流经分配和起旋后的旋转过于强烈或浆液雾化后的雾炬过小，气流与雾滴碰撞后的扰动较大，从而在脱酸塔上部形成粘壁。造成此现象的最直接原因就是脱酸塔烟气分配器下层旋流片出射角过大，可以采取措施调整出射角并适当降低雾化器转速来解决，通常出射角在25°～30°区间较为适宜。需要特别注意的是，当黏附物积聚到足够大时，在热应力、机械振打力或重力等的作用下容易导致大块黏结物脱落并坠入灰斗。当灰块不足以导致停炉时，通常也会增加设备阻力，长期高阻力运行不仅会增加引风机电耗，还会增加消石灰消耗和飞灰产量，大大增加了运行成本；由于粘壁位置高，重力势能相对较大，粘壁严重时可迫使停炉，带来的不仅是经济损失，还有设备故障甚至安全隐患，应当引起足够重视。

②如果出现脱酸塔直筒段下部和灰斗粘壁，通常是由于烟气流旋转强度偏弱或雾炬过大造成的，这时可以适当增大烟气分配器旋流片出射角并提高雾化器转速。

③个别电厂曾出现多台设备同时出现雾化盘高度以下、脱酸塔直筒中段单侧局部粘壁现象。调研和分析后发现，该项目由于场地不足，设计院在布置设备时将余热锅炉和脱酸塔入口烟道严重缩短，导致弯头和烟气分配器入口间的烟道直段长度不足1.3 倍管径，同时，弯头的弯曲半径仅1 倍管径，使得气流未经充分发展就进入烟气分配器，造成分配器出口烟气流场分布不均，进而导致脱酸塔局部粘壁。因此，如果场地条件允许，烟气分配器入口前应尽量保证足够长的直烟道（宜≥2.5 倍管径），弯头应有足够大的弯曲半径（宜≮2.5 倍管径）；如果场地条件确实有限，可酌情在弯头内设置导流板，尽量不让烟气在进入分配器前出现严重偏流现象。

（4）雾化器运行状况。雾化器运行维护得好与坏，直接关系到脱酸塔能否正常运行，必须引起重视。

①雾化器轴振动高。振动过高会破坏雾化器动平衡，导致雾滴均匀度下降，一旦大颗粒飞行时间小于其干燥所需时间就会出现半湿飞灰粘壁。如果焚烧烟气脱酸系统运行时，出现雾化器轴持续振动高报警甚至跳闸的情况，应及时排查雾化盘安装偏差、雾化器轴弯曲或断裂、轴承损坏的可能，并酌情重新安装、维修或更换。有的项目焚烧烟气脱酸系统运行一段时间后，出现雾化器轴振动加剧、振动高报警甚至跳闸，降低雾化器转速一定时间后偶尔会自行好转，而后不断反复前述过程的情形。这主要是由于雾化盘上的黏结物破坏雾化盘动平衡所致，程度较轻时，只需启动在线清洗程序对雾化盘和浆液输送管路进行短时冲洗，并在脱酸塔出口烟道处按需喷入消石灰粉辅助烟气脱酸。如多次在线清洗后仍效果不佳，建议先切换至消石灰干法脱酸，雾化器断电后应及时更换备用雾化盘，并将原雾化盘浸泡后彻底清洗。当浆液中固体杂质较多时，更容易在雾化盘表面产生黏结物并破坏动平衡，尤其是喷嘴型雾化盘。因此，如果在排除机械故障的基础上更换备用雾化盘后，仍不能消除雾化器轴间歇性振动高的现象，则可考虑提高消石灰纯度或优化石灰浆过滤装置延长雾化盘人工清洗周期；实践中，曾用矩形通道型雾化盘替换喷嘴型雾化盘，并达到了预期效果。此外，工程中有时还会出现未按图加工、安装或调整雾化器安装护筒，以致雾化盘安装位置过高，使得运行时部分雾滴直接飞向雾化器安装护筒并不断积聚和增厚，在雾化盘和护筒底部形成严重结垢的情形，除了会破坏雾化器的动平衡外，还会导致烟气脱酸效率下降、消石灰耗量和飞灰产量增加等不利影响。因此，制作和安装时的质量控制十分重要，运行过程中，也可以通过调节雾化器护筒至最佳安装高度来规避此类问题。除机械故障会引起雾化器轴振动高以外，雾化器浆液/冷却水分配不均匀、雾化盘堵塞、雾化盘附着物不均匀脱落等都是雾化器轴振动高的诱因，因而优化雾化器浆液/冷却水分布器设计，适当提高消石灰品质（建议不低于GB/T29152-2012[2]附录B 中的要求）、合理设置过滤装置，及时在线清洗雾化盘等，均有改善作用。

②雾化器转速过低。有的电厂反映脱酸塔直筒内壁下部易粘壁且周向均匀、石灰耗量偏高。这主要是由于雾滴粒径和喷雾距离均与雾化器转速呈负相关，雾化器转速较低时雾炬和雾滴粒径较大，更容易发生雾滴干燥不透和粘壁的现象。通常，垃圾焚烧烟气脱酸用离心雾化器的转速宜≮8000rpm。

③调速变频器故障。某垃圾电厂曾出现脱酸塔内物料由灰斗底部中心位置向上堆积且形如石笋，严重时高度可以达到脱酸塔直筒中上部位置，同时，出现脱酸塔压力损失和引风机电流剧增现象，并伴有浆液耗量增加的现象，但雾化器轴振动无异常。这主要是由于调速变频器故障导致雾化器转速过低、雾滴粒径过大引起的：一方面，由于大液滴比表面积小，传热和传质效率低，烟气污染物达标排放所需的浆液量增大；另一方面，切向运动速度显著降低的大液滴在气流和重力为主的外力作用下顺着脱酸塔轴心向下坠入灰斗底部并不断沉积，大大减少了烟气流通面积，因此，焚烧线在额定负荷运行时的设备压力损失和引风机电流激增。此时，需及时维修或更换调速变频器。

④雾化器轴断裂。实践中，有时会出现脱酸塔灰斗底部往外流液体、酸性气态污染物控制困难的情况，这通常是由于雾化器轴断裂所致，此时，应切换至干法脱酸，更换备用雾化器，并吊出原雾化器进行维修。

2.3 脱酸塔出口水平烟道容易积灰堵塞

有的垃圾焚烧发电厂非常容易出现脱酸塔出口烟道积灰堵塞的现象，其原因主要有：（1）出口烟道直径偏大，管内烟气流速低于防止飞灰沉积的最小流速；（2）脱酸塔出口烟道的进气口紧贴灰斗壁、坡口向上，粒径较大的飞灰颗粒更容易流入水平的出口烟道内并沉积；（3）出塔烟气温度低、设备和管路的密封和保温性能差，烟气在烟道内结露，而飞灰中的脱酸产物CaCl2等加剧了粉尘的沉积和堵塞；（4）部分垃圾发电厂操作中取烟气出口烟道三个温度测点中的最高值作为温度控制点，取值不具代表性，对防止出塔烟气结露有不利影响。

针对上述原因，可采取的应对措施有：（1）结合出塔烟气量（含半干法产生的水蒸气）和防止飞灰在烟道内沉积的最小烟气流速（宜按12 ～16m/s 设计，水平烟道取高值），合理选取烟道直径；（2）将脱酸塔出口烟道进气口延伸至灰斗轴线处，且坡口（45°左右）向下；（3）采取措施严防出塔烟气结露，例如适当提高浆液浓度，提高脱酸塔进气温度，以及可有效提高保温和密封性能的其它措施等；（4）取烟气出口烟道三个温度测点中更具代表性的中间值作为温度控制点。

2.4 雾化器润滑油量高/低

润滑油量过高或过低多为润滑系统故障或报警器故障，应停车检修润滑系统或更换报警器。此外，润滑系统泄漏或润滑油变质时，也会导致油量指示低，也应停车检修或更换润滑油。

2.5 脱酸塔粘壁程度轻但飞灰潮湿

广东某垃圾焚烧发电厂到了雨季会出现飞灰潮湿，严重到灰仓板结而无法卸灰，脱酸塔内无明显粘壁现象。调研后发现主要原因有：卸输灰系统密封性能较差；未设置灰斗内低料位监测，卸灰系统连续运行，灰斗内未形成有效灰封，导致由卸输灰装置漏进的含湿空气混入使烟气结露，加上飞灰内本身含有极易吸湿的CaCl2，使得飞灰更加潮湿。

上述情况首先应增强卸相关输灰设备和设施的密封和保温性能，日常维护时检修口应及时关闭；其次，可采用密封性更加的卸灰装置，如双层翻板阀等；如果收效不明显，可在灰斗增设低料位监测装置并与卸灰装置联锁，以形成有效灰封，进一步减少含湿空气混入；通过灰斗伴热来维持一定的飞灰温度，有时也是一个不错的解决方法。

2.6 脱酸塔底部滑动支座失效

江苏某垃圾焚烧发电厂曾发生塔底4 个滑动支座全部失效导致塔身倾斜的事故，若得不到及时妥善处置，一旦脱酸塔倾覆其后果不堪设想。该事故的主要原因有：用于制作的滑动支座的结构用钢管厚度远小于设计厚度，导致承载能力下降；安装时，未按图纸要求保留膨胀间隙，运行过程中脱酸塔及其底部圆环受热后开始膨胀，而滑动支座的限位螺杆和错误安装的腰形孔则直接将其顶死导致应力无法释放，使下方的结构用钢管承受了巨大的剪应力。

后经现场采取措施更换合格支座并正确安装，上述事故得到了妥善处置。该事件也凸显了工程中设备制作和安装质量控制的重要性，而且环环相扣。