基于垃圾焚烧发电厂半干法烟气脱酸系统运行优化分析

2021-06-23崔理章

环境保护与循环经济 2021年4期

崔理章

（成都市兴蓉万兴环保发电有限公司，四川成都 610000）

1 引言

当前，我国垃圾焚烧发电产业飞速发展，采用焚烧发电的方式已成为我国许多大城市解决城市生活垃圾问题的首选途径。然而，垃圾焚烧过程中产生的烟气中含HCl，SOX等酸性气体污染物，会对环境造成污染。国内许多垃圾焚烧发电厂排放烟气中污染物浓度限值执行严于国标的欧盟2000（EU2000/76/EC）标准限值。随着垃圾焚烧发电项目环保标准的提高，尤其是2017年业内全面推行“装、树、联”后，政府对垃圾焚烧发电运营企业的环保监管日益趋严［1］。垃圾焚烧发电厂不仅要着力于提高烟气净化系统的运行效果，还要在运行实践中探索提高烟气净化系统运行的经济性。

2 烟气脱酸系统工艺分析

业内很多垃圾焚烧发电厂烟气污染物排放执行EU2000/76/EC污染物控制标准，主流的烟气净化系统采用“SNCR＋半干法＋干法＋活性炭吸附＋布袋＋SCR”工艺，工艺流程见图1。

图1 烟气净化系统工艺流程

在半干法脱酸反应塔内，旋转雾化器为反应塔内核心设备，采用消石灰作为反应剂。将配制成一定浓度的消石灰浆液，通过消石灰浆泵输送到反应塔顶部的旋转雾化器，经高速旋转的雾化器雾化后，将消石灰浆液雾化成很小的微粒与烟气中的HCl，SOX等酸性物质发生化学反应，以达到脱酸的目的。由于反应过程中水分蒸发从而降低烟气的温度并提高烟气湿度，酸性气体与消石灰浆反应生成固态盐类颗粒，沉降到反应塔底部灰斗排出。而生成的细微颗粒、粉尘等与烟气一起进入布袋除尘器，颗粒物被吸咐到除尘器滤袋外表面，烟气透过布袋后，经烟道进入SCR系统进一步脱氮处理。当布袋前后压差达到设定值后，顶部压缩空气喷吹电磁阀自动打开，与烟气形成逆向喷吹，将布袋外表面吸咐的粉尘快速吹掉，掉落的粉尘被收集到下部的灰斗内，经底部的刮板输送机输送到飞灰储仓集中处理。

3 半干法烟气脱酸系统脱酸效果的影响因素

要探索降低入炉吨垃圾消石灰单耗的运行优化控制措施，需分析半干法烟气脱酸系统脱酸效果的影响因素。在保证烟气污染物排放达标的前提下，半干法脱酸效率的主要影响因素有：半干法反应塔的设计参数和旋转雾化器的性能参数关系到脱酸效率，反应塔的设计高度、烟气停留时间、设计流场分布对脱酸效率有直接影响［2］。某垃圾焚烧发电厂半干法脱酸反应塔设计已定，且旋转雾化器采用的是原装进口西格斯旋转雾化器，转速可高达12 000 r/min。因此，需从运行工况方面分析脱酸效果的影响因素，烟气脱酸用消石灰品质、实际运行时消石灰浆的配制浓度、旋转雾化器转速、烟气发生脱酸反应的温度等运行工况都会影响烟气脱酸反应效果。

4 烟气净化系统运行优化措施

某垃圾焚烧发电运营企业结合垃圾焚烧发电厂的实际情况，分析了半干法烟气脱酸系统脱酸效果的影响因素，在烟气中酸性气体排放全面达到EU2000/76/EC标准的前提下，采取了一系列运行优化控制措施进行探索实践，降低了消石灰单耗，逐步改善运行工况。

4.1 采用品质更优的消石灰

消石灰纯度、细度会影响其利用率［3］。消石灰的主要成分为呈碱性的氢氧化钙，喷入反应塔内作为吸收剂与烟气中的HCl，SOX等酸性气体发生中和反应。由于单位质量的氢氧化钙吸收剂吸收酸性气体能力有限，且消石灰的细度不同，烟气与氢氧化钙吸收剂的接触面积就不同，因此，采用纯度和细度较高的消石灰，会提高单位质量消石灰的利用率。之前，某垃圾焚烧发电厂由于其所属地区周边较高品质的工业级消石灰生产厂家由于其供应量有限，因此使用的工业级消石灰品质略次于较高品质的工业级消石灰。供应渠道畅通后，该厂使用了品质较优的消石灰替代了过去使用的消石灰。目前该厂所使用的消石灰品质见表1。

表1 某厂采用的消石灰品质

该厂使用的消石灰，10%浓度浆液p H值可接近14，可见消石灰中氢氧化钙有效成分较高，可提高单位质量消石灰的利用率，对降低消石灰单耗有一定促进作用。

4.2 逐步降低消石灰浆浓度

消石灰浆浓度对脱酸效率的影响主要是基于浓度对雾化粒径的影响和Ca/S摩尔比的影响。如消石灰浆浓度过高，会造成雾化粒径大，气液相接触面积变小，酸性气体和水膜的传质面积就减小；且高浓度的消石灰浆含水率相对较低，会使消石灰浆中的水相物质汽化过快而影响气-液传质/传热。以上两个因素会造成烟气脱酸效率降低［4］。如消石灰浆浓度过低，会使酸碱中和反应所需的碱性物质化学计量不足，导致脱酸效率降低。因此喷入半干法脱酸反应塔的消石灰浆浓度需在一个适当范围，才能在提高烟气脱酸效率的基础上降低消石灰单耗。这个适当的浓度范围需在运行实践中探索。

实际运行中需采取逐步降低进入半干法脱酸反应塔的消石灰浆浓度的措施。按月统计入厂垃圾量、入炉垃圾量、入厂消石灰耗用量、各台炉消石灰浆耗用量、各台炉烟囱CRMS在线酸性物质（S OX，HCl）的排放量等，将入厂垃圾量、入炉垃圾量、处理单位烟气量所消耗的消石灰单耗与投运初期工况进行比较。将消石灰浆浓度依次调整试验11.0%，10.5%，10.0%，9.5%，9.0%，8.5%，8.0%，7.5%，7.0%，尽可能控制焚烧炉负荷在额定的56.0±3 t/h范围内，控制炉膛负压在-10～-50 Pa，控制反应塔内烟温为150～160℃。试验结果见图2。

图2 不同消石灰浆浓度试验情况

由图2可见，进入半干法脱酸反应塔的消石灰浆浓度在11.0%～8.0%之间，HCl去除率可维持在99%以上，SOX去除率可维持在93.8%以上。当消石灰浆浓度降至8.0%以下，HCl和SOX的去除率呈现出下降趋势。由此可见，脱除垃圾焚烧发电厂烟气中的酸性物质，采用半干法脱酸反应塔消石灰浆浓度应≥8.0%，可取得较佳的反应效率。虽消石灰浆浓度为11.0%时，对烟气中酸性物质的去除效率最高，但相对于消石灰浆浓度为8.0%时的烟气工况，去除率提高程度不大，且进入半干法脱酸反应塔的消石灰浆浓度调整至8.0%～9.0%运行，即可保证烟气中酸性物质浓度满足排放标准要求。综合考虑运行的经济性，将进入半干法脱酸反应塔的消石灰浆浓度按8.0%～9.0%运行，可基本实现运行经济性和环保达标性之间的平衡。

4.3 提高旋转雾化器转速

雾化器转速越快，雾化消石灰浆液滴粒径越小。消石灰浆雾化粒径越小，消石灰浆液滴与酸性烟气接触的比表面积越大，有利于脱酸反应的进行［5］。为了获得细小且均匀的雾滴，可采用增加雾化器转速的方法来提高消石灰浆的雾化质量。

垃圾焚烧发电厂运行中设定旋转雾化器转速为7 000～8 000 r/min，因消石灰品质不佳，消石灰浆内颗粒状杂物会对雾化盘造成磨损，积垢很快，致使雾化盘平均2 d要清洗1次，平均2个月就要更换1次。由于提高消石灰品质和降低消石灰浆浓度后，消石灰浆内颗粒状杂物减少，对雾化盘磨损、积垢现象均有所缓解，雾化盘清洗/更换频率相应下降。试验逐渐提高旋转雾化器转速至8 500～9 500 r/min，不同雾化器转速下的酸性物质去除率见图3。

图3 不同雾化器转速下试验情况

由图3可见，适当提高旋转雾化器转速，可以进一步减小消石灰浆雾化粒径，增大浆液微滴与酸性烟气比表面积接触，提高消石灰反应效率。实践表明，旋转雾化器转速≥8 500 r/min，可使喷入半干法脱酸反应塔的消石灰浆得到较高的反应效率。但雾化器以超过10 000 r/min的转速长期运行，会造成雾化器磨损并增加运行维护成本。综合以上因素分析，实际长期运行中雾化器转速以8 500～9 500 r/min为宜。

4.4 合理控制反应温度

反应温度即在半干法脱酸反应塔内发生中和反应过程时的温度。反应温度越接近烟气露点温度脱酸效率越高，在此温度下酸性组分与液滴的传质效果最好，一般认为烟气酸露点在140℃左右，因而控制反应塔出口温度高于露点15～25℃较为合理［4］。如反应温度过低会导致反应塔壁粘结、腐蚀和威胁后续布袋除尘器的正常运行。

垃圾焚烧发电厂控制脱酸塔反应温度基本在160～185℃间长期运行。经多次探索，逐渐将半干法脱酸反应塔温度控制在140～180℃间进行试验，按月统计入厂垃圾量、入炉垃圾量、入厂消石灰耗用量、各台炉消石灰浆耗用量、各台炉烟囱CRMS在线酸性物质（SOX，HCl）的排放量等，将入厂垃圾量、入炉垃圾量、处理单位烟气量所消耗的消石灰单耗与投运初期的工况进行比较，发现反应温度越低，脱酸效率越高。不同反应温度下的脱酸效果情况见图4。但是，实践发现如果半干法脱酸反应塔温度长期控制在150℃以下时，脱酸塔和布袋除尘器收集下来的飞灰流动性会变差，飞灰固化处理时间加长，影响后续的处理工艺。如果将半干法脱酸反应塔温度控制在155～165℃之间，飞灰固化处理工艺正常，不会影响飞灰的流动性。因此，建议将半干法脱酸反应塔温度控制在155～165℃之间长期运行。

图4 不同反应温度下试验情况

5 烟气净化系统运行优化后的经济效益分析

在保证全厂烟气中酸性气体排放浓度优于EU2000/76/EC标准前提前下，通过试验优化调整消石灰浆浓度、旋转雾化器转速、反应温度等多种工况，喷入半干法脱酸塔的消石灰浆浓度控制在8.0%～9.0%范围内，相对于11.0%消石灰浆浓度工况，吨入厂垃圾消石灰平均单耗下降了约5.06 k g/t，下降幅度达30.69%。以一座日处理规模2 000 t的垃圾焚烧发电厂为例，估计全年可以节约消石灰3 172 t，如消石灰市场价按622元/t计算，预计全年可以节约消石灰197.3万元，并且全年可减少飞灰产量3172 t，预计全年可创造经济效益344.5万元。