反应塔喷淋系统在烟气净化系统中的研究应用

文_周建富 罗小栋 刘兆峰 光大环保能源（苏州）有限公司

1 现状调研

1.1 研究目的

某焚烧项目反应塔处理烟气能力57649m3/h（标况）规格型号：D=7500，H=8500。设计之初未设计反应塔喷淋系统，而在当前环保形式下，在雾化器发生故障或冲洗时，减温水中断，反应塔出口烟温迅速升高，达到180℃以上，干法系统在高温下因无与之配合的减温水，脱酸效果差，二氧化硫和氯化氢指标会大幅波动，无法实现达标排放，锅炉需大幅度降低负荷运行，严重影响锅炉设备的稳定运行及环保指标的控制。在雾化器设备发生故障的情况下，如何快速采取措施使烟气排放不超标且锅炉负荷不受影响，是此次研究的目的。

1.2 实施的必要性

锅炉额定负荷27t/h，当雾化器故障时，需立即降低负荷至20t/h，继续降低将无法保证炉温达到《生活垃圾焚烧污染物控制标准》规定的850℃以上。此时烟温在干法投入情况下，烟温由150℃快速升至170℃，15min就达到200℃。此时SO2超标。

该项目二期工程于2019年技改增加了喷淋水系统，经过试验效果良好，5～8月期间，一台炉雾化器5次故障跳机，另一台炉4次故障跳机，通过投加反应塔喷淋，实现了锅炉能够在降低部分负荷的情况下，短时间内维持国标排放。因此急需对一期增加反应塔喷淋系统，同时在二期系统的基础上，进一步改进，增加具备喷射碱液NaOH的能力。目的是实现既不降低负荷，又能达到公司的内控欧标水平排放，同时又能实现配合干法实现雾化器故障下的长时间稳定运行。

2 研究并制定对策

2.1 理论研究

本次研究是要实现在已经有成功经验的喷淋水系统的基础上，通过增加部分设备，进一步完善系统，达到同时能喷淋碱液的目的，具有双重作用。首先要计算需要碱液的总量及喷嘴数量、喷嘴喷射能力。

随机抽取三台炉某一时间的运行数据，如表1所示。

表1 某一时间三台炉的工况运行数据

三台炉工况来看，1#炉工况最差，同样负荷下，消耗的石灰浆和减温水最多，此设计以1#炉用量作为计算依据，设备选型以满足1#炉所需为基准。

烟气中的HCl、SO2成分与Ca（OH）2、NaOH发生如下化学反应：

由以上四个化学反应过程可知，同样的烟气量，处理同样酸性污染物，需要1体积的Ca（OH）2和2体积的NaOH，两种介质的分子量分别为74g/mol和40g/mol，那么两种介质所需的质量比为74：80。

系统现用Ca（OH）2常用流量2817kg/h，浓度均值为9.5%，以1h计算Ca（OH）2质量为：

2817×0.095=267.6kg。

那么同等烟气量情况下，计算需要的NaOH质量为：

267.6 ÷74×80=289.3kg。

当前采购NaOH原液浓度为30%，则需原液的质量为：

289.3 ÷0.3=964.3kg。

为了达到相同的排烟温度，雾化器投入状态下，需要的减温水量是：

2817×（1－0.095） ＋1500=4049kg。

为达到相同的排烟温度，在投喷淋碱液状态下，需增加稀释水量是：

4049－964.3×（1－0.3）=3373kg。

为达到相同排烟温度，投入碱液需按照964.3与3373的比例混合，约1：3.5的比例进行稀释。最终喷淋单台炉需要的喷碱液的总量为：

964.3 ＋3373=4337.3kg。

通过理论计算，设计单台炉最低喷淋量能达到4337kg/h的出力，实际选型可以适当放大参数。

2.2 设计思路

总体思路：新增一个氢氧化钠溶液罐，容积为20m3，并增加一台化工专用离心泵，将氢氧化钠溶液输送至三台炉反应塔上，通过气液雾化喷枪喷入反应塔，从而达到降温及酸碱中和的目的。喷枪雾气压为3～5barg，直接采购30%的氢氧化钠溶液稀释后进行喷射，卸车用的氢氧化钠溶液泵流量为6～8t/h。

本项目的喷淋系统安装就地控制柜及远方硬接线接口，反应塔温度通过出口测点反馈，通过电动调阀控制氢氧化钠喷淋流量。

2.3 具体施工方案及技术要求

增加一个氢氧化钠溶液罐，在一侧挖排污坑，安装排污泵，在四周做围堰，并做防渗防漏处理，围堰高度应满足国家对危险化学品的相关要求，溶液罐采用玻璃钢材质，顶部安装搅拌器、人孔门、静压式液位计（远传）、底部排污阀等。

安装氢氧化钠溶液添加口，安装一台氟塑料耐腐蚀泵，用于将氢氧化钠打入溶液罐内，并在溶液罐顶装排气管道引致进口旁，添加口至溶液罐用不锈钢管制作。

引一路生产水至氢氧化钠溶液罐，并安装不锈钢手动球阀，自现有烟温水泵出口引一路水至氢氧化钠供液管道，并装不锈钢气动球阀，做为管路冲洗水，以防止结晶。

在碱液罐旁增加一台化工用离心泵，将氢氧化钠溶液输送至锅炉反应塔顶部，氢氧化钠溶液泵出口需安装不锈钢气动球阀（与冲洗气动球阀形成开关连锁），并装再循环旁路，旁路管道上安装电动调节阀一台，通过母管压力传感器实现自动调节，来保证母管压力恒定。

各离心泵至开关室铺设动力电缆，离心泵的启停控制需接至DCS，同时具备就地操作柜，氟塑料卸车泵就地控制。

在氢氧化钠溶液母管上装一台电磁流量计、压力变送器（远传），并在反应塔上安装一台电动调节阀（远控），调节阀后远控分别输送至三台炉，气动球阀用以各台炉切换。

各个喷淋枪管用不锈钢制作，通过压缩空气对氢氧化钠溶液进行雾化，枪管与母管之间用高压混编钢丝管连接，喷淋枪喷射管需带自动伸缩功能，投用时枪头投入反应塔内，停用时缩回，各喷淋枪前需安装手动球阀，做为单独隔离用。

喷淋装置用气自厂用压缩空气就近引出，仪用压缩空气就近引出，雾化压缩空气母管需安装不锈钢气动球阀、滤网和电动（气动）调节阀，各喷枪雾化压缩空气安装不锈钢球阀。

就地安装控制柜，部分需远控的设备将控制线拉至电子间，氢氧化钠溶液流量、压力，压缩空气调门开度、压力、化工泵的启停均需远传至DCS。

雾化用压缩空气电动调节阀应能跟随氢氧化钠溶液电动调节阀自动调节，以确保在不同用量情况下喷淋枪雾化效果。

3 对策实施

3.1 设计参数

根据锅炉的设计烟气参数，汇总需满足的锅炉运行工况参数如表2所示。

表2 锅炉设计输入参数

3.2 选择喷枪参数

根据理论计算及与实际情况对比，需要将烟气从平均255℃降至150℃以下。具体方案设计参数如表3所示。

表3 喷枪设计选型参数

3.3 布置系统图设置

根据设计方案，绘制施工示意图。

3.4 喷枪布置图

采用4支喷枪布置，布置在半干法塔顶，环形布置，喷枪与水平喷射夹角为60°（根据现场情况可增加为70°）。

3.5 实施后的现场情况

该项目自2020年初立项，并于2020年9月完成施工，经过实际调试，最终喷嘴喷射雾化效果达到设计工况，喷嘴出口雾化液体角度达到了近60°，且无肉眼可见水珠状态。

4 效果验证

4.1 只投稀释水，不投碱液情况下测试运行工况

2020年10月13日，对1#炉喷淋水投用1h调试，基本达到了喷淋改造效果预期，在模拟雾化器故障情况下，投用喷淋烟气指标国标标准下可控。 将1#炉石灰浆减至零，投入喷淋运行，在环保参数先超标而逐步稳定运行的情况下试运1h数据对比如表4所示。

表4 #1炉只投喷淋水不投碱液情况下工况

4.2 碱液与稀释水按1:3比例稀释后测试运行工况

2020年12月17日在锅炉相同负荷工况下，通过2h投液碱观察2#炉酸性气体变化，相比正常投石灰浆酸性气体指标稳定，无大幅波动，反应塔温度可控，干法停用，运行数据如表5所示。

表5 #2炉投碱液并且停运干法系统下工况

4.3 成本测算

投入石灰情况下，按石灰流量2.8t/h，浓度9.5%吨石灰采购成本约700元，小时成本为：

2.8 ×0.095×700=186元。

投入碱液情况下，按碱液流量2.6t/h，稀释比1：3，吨原液成本1500元计算，小时成本为：

2.6 ×0.25×1500=975元。

投碱液运行成本约是用石灰成本的5倍。

4.4 小结

通过研究实验，确定喷碱液在雾化器故障工况下可以实现稳定运行，但成本较石灰比起来相对太高，本项目经济效益不高，但是环境效益显著。

4.5 本项目的创新点

反应塔喷淋技术，在近些年已经是各个项目的标准配置，但是总体设计原则都是喷水系统配合后期的干法系统进行脱酸反应。本项目创新点在于，突破了传统意义上的喷淋水设计，通过对投加碱液的可行性进行分析，经过实践检验达到了预期的设计效果，后期会继续对数据进行探索，尝试用1：3/1：3.5/1：4三种不同浓度的碱液稀释用于系统，检验选择最合理工况，以最小的投资满足正常生产需求。

5 结语

本项目从前期的计算到后续的设计、施工、调试，最终达到了预想的效果，实现了在雾化器故障状态下，通过投入碱液来保证锅炉负荷不波动，烟气指标排放稳定，且满足公司内控欧标标准，效果理想。短时间内经济投入也不高，环境效益更明显。具有推广价值。后续继续总结运行经验，为其他烟气净化项目提供依据。