脱酸浆液对生活垃圾焚烧烟气湿法脱酸效率的影响＊

胡利华，徐丽婷，沈宏伟，吴 穹，尹丽洁

（1.光大环境科技（中国）有限公司，江苏 南京 210000；2.同济大学机械与能源工程学院，上海 200092）

1 引言

城市生活垃圾焚烧处理技术的减量化效果显著，是解决垃圾围城的重要处理手段［1］。我国城市生活垃圾焚烧处理技术正处于高速发展阶段［2］，2010年我国垃圾焚烧无害化处理量为2.316 7 ×107t，仅占生活垃圾无害化处理总量的18.8%；至2019年我国垃圾焚烧无害化处理量为1.217 42 ×108t，占生活垃圾无害化处理总量的50.7%。近10年来垃圾焚烧处理量及其所占比例均迅猛增长（图1）。

图1 我国近10年生活垃圾焚烧无害化处理情况Figure1 Harmless treatment of domestic waste incineration in China in recent10 years

由于城市生活垃圾成分复杂，在焚烧过程中产生的烟气成分也极其复杂，相对传统燃煤发电，生活垃圾焚烧过程中产生的酸性气体除了SO2，还有大量HCl，因此酸性气体的脱除是生活垃圾焚烧烟气净化工艺中极为重要的一环。脱酸工艺按照脱酸过程是否有水加入和产物干湿形态可分为干法、半干法和湿法3种［3-4］。从生活垃圾焚烧行业脱酸工艺应用情况来看，干法脱酸工艺脱酸效率不高，但投资运行成本较低，一般作为辅助脱酸手段；半干法工艺基本可以满足GB 18485—2014生活垃圾焚烧污染控制标准的排放要求［5］，且投资运行成本较低，但设备维护费用较昂贵，是目前生活垃圾焚烧烟气脱酸最常用的工艺［6］；随着垃圾焚烧烟气排放标准的日趋严格，尽管湿法脱酸工艺的投资运行成本较高，但因反应速率快、脱除效率高［7］、吸收剂利用率高、运行稳定同时兼具除尘效果等优点［8］，是未来我国城市生活垃圾焚烧烟气净化的重要方式，可满足目前最严格的排放标准。

影响湿法脱酸效率的因素众多，除了液气比、烟气温度等之外，浆液的状况对脱酸效率也有重要的影响。脱酸浆液通常是指不同浓度NaOH溶液及其对应盐溶液的混合溶液，在实际脱酸过程中，随着脱酸浆液循环次数的增加，浆液中的脱酸剂与烟气中的SO2、HCl等污染物发生反应，生成NaCl、Na2SO4、Na2SO3等盐在浆液中不断富集，造成浆液中盐的浓度增加，同时浆液的pH也发生了相应的变化。Seo等［9］以生石灰为脱酸剂进行脱硫研究时发现脱酸浆液的pH是影响SO2溶解和吸附的关键因素之一，在高pH下SO2的溶解和吸附均增加，而在低pH下SO2的溶解和吸附均降低。Guo等［10］通过数值模拟的方法研究了湿法脱酸过程中HCl的存在对SO2脱除效率的影响，发现在湿法脱酸过程中，HCl会抑制SO2的脱除。采用NaOH为吸收剂可以避免填料及管道堵塞，同时NaOH与酸性气体污染物反应速率高、吸收效果好且吸收剂用量小［11-12］，目前生活垃圾焚烧烟气的湿法工艺多采用NaOH。本研究以NaOH为脱酸剂，通过实验研究，重点分析了浆液pH、浆液盐浓度以及脱酸剂为水时对脱酸效率的影响，为实际工程的优化运行提供理论依据。

2 实验设计与方法

湿法脱酸实验由焚烧烟气预混系统和烟气净化处理系统两部分组成，如图2所示。湿法脱酸塔采用逆流喷淋塔［11］形式，脱酸吸收剂采用NaOH，烟气采用液化气燃烧产生。脱酸塔高2.3 m（吸收部分有效高度1.5 m），塔直径0.55 m。高温预混烟气由脱酸塔下侧切向进入，在塔内旋转上升，经喷淋层净化后由引风机从塔顶引出。烟气流速由毕托管测量，喷淋量由水泵与喷嘴控制，预混烟气内污染物浓度由流量计控制，塔内均匀布置3根热电偶用于测量烟气温度。实验中烟气污染物浓度由Gasmet（FTIR DX400，芬兰）实时监测，分辨率为8 cm-1，红外光源的波长范围是900～4 200 cm-1。实验中使用多路温度曲线记录仪（MT-X，深圳深华轩科技有限公司）实时记录脱酸塔内的烟气温度变化，该温度记录仪的温度记录范围为-99.9 ～1999.9 ℃，准确度0.1 ℃。

图2 湿法烟气脱酸系统示意Figure2 Schematic of acid removal system of wet flue gas

实验时首先根据Gasmet调节SO2、HCl的浓度，根据温度记录仪调节燃烧器（FS10，RIEL⁃LO）控制烟气温度，当烟气温度和污染物浓度达到设定值时，开启喷嘴喷入脱酸剂，待出口处SO2、HCl浓度稳定时进行数据记录。气体分析记录仪每1 s记录1次脱酸塔出口的污染物浓度，当出口处酸性气体浓度稳定后记录5min内污染物浓度的平均值作为出口浓度并计算脱酸效率。

实验烟气模拟垃圾焚烧不同工况下烟气设计值，分别为：①SO2选取50mg/m3，HCl选取20 mg/m3；②SO2选取600mg/m3，HCl选取1 200mg/m3；③SO2选取1 600 mg/m3，HCl选取400 mg/m3，分别对应一般垃圾焚烧烟气、部分掺烧其他垃圾或污泥的垃圾焚烧烟气和满足垃圾焚烧烟气欧盟2010排放标准的烟气理论值。烟气量为100 m3/h，烟气温度90～110℃。

3 实验结果与讨论

3.1 吸收剂为水时的脱酸效率

SO2和HCl都是可溶于水的气体，为了研究水的脱酸效率，首先以水作为脱酸剂进行实验。图3和图4分别给出了不同烟气温度时吸收剂为水时的脱硫效率和脱氯效率，从图中可以看出，在液气比为4 L/m3，吸收剂为水时，HCl的脱除效率远大于SO2，这是由于HCl在水中的溶解度远远大于SO2，100℃时HCl在水中的溶解度为40 g/mL，SO2在水中的溶解度仅为3.7 g/mL。当SO2和HCl的浓度分别为600mg/m3和1 200mg/m3时，随着烟气温度从100℃升高至110℃，SO2的脱除效率从29.9%增加至3 1.8%，而HC l的脱除效率从9 5.2%降低为94.2%。这是由于随着烟气温度的升高，SO2的扩散性增强，促进了SO2向H2SO3的转变，而HCl溶于水生成的盐酸由于挥发性较强，在温度升高时又重新释放出来。

图3 吸收剂为水时的脱硫效率（液气比4 L/m3，SO2 600mg/m3，HCl1 200mg/m3）Figure3 Desulfurization efficiency when the absorbent is water（liquid gas ratio4 L/m3，SO2 600mg/m3，HCl1 200mg/m3）

图4 吸收剂为水时的脱氯效率（液气比4 L/m3，SO2 600mg/m3，HCl1 200mg/m3）Figure 4 Dechlorination efficiency when the absorbent is water（liquid gas ratio4 L/m3，SO2 600mg/m3，HCl1 200mg/m3）

3.2 吸收浆液pH对脱酸效率的影响

图5表示烟气温度为100℃，不同液气比时，脱酸浆液pH对脱硫效率的影响。从图中可以看出，随着脱酸浆液pH的增加，脱硫效率逐渐增加。在SO2和HCl的浓度分别为600mg/m3和1 200 mg/m3，液气比为8 L/m3时，当脱酸浆液pH=7时，脱硫效率约为37.5%，pH=9时，脱硫效率为60.2%，比p H=7时提高6 0.5%。在SO2和HCl的浓度分别为1 600mg/m3和400mg/m3，液气比为8 L/m3时，当脱酸浆液pH=7时，脱硫效率约为21.8%，p H=9时，脱硫效率为3 1.1%，比pH=7时提高42.6%。图中同时给出了不同pH时液气比对脱硫效率的影响。在实验所研究的工况条件下，当SO2和HCl的浓度分别为50mg/m3和20mg/m3时，出口处SO2基本可以实现完全脱除。随着液气比的增加，脱硫效率有所增加，在脱酸浆液pH=9，SO2和HCl的浓度分别为600mg/m3和1 200mg/m3的工况下，当液气比从4 L/m3增加至8 L/m3时，脱硫效率从41.3%增加至6 0.2%，提高了4 5.7%。

图5 不同脱酸浆液pH时的脱硫效率（烟气温度100℃）Figure 5 Desulfurization efficiency at different slurry pH values（flue gas temperature100℃）

图6给出了不同液气比时，脱酸浆液pH对脱氯效率的影响。从图中可以看出，在当前研究工况下，SO2和HCl的浓度分别为600mg/m3、1 200 mg/m3和1 600mg/m3、400mg/m3时，不同液气 比及脱酸浆液pH下，HCl的脱出效率均可达95%以上；当SO2和HCl的浓度为50mg/m3和20mg/m3时，出口处HCl基本可以实现完全脱除。这是由于HCl本身极易溶于水，随着pH的增加，浆液中OH-浓度增加，酸碱中和反应加强了HCl的脱除效率。相同液气比时，随着浆液pH的增加，HCl的脱除效率仅有小幅增加；随着HCl浓度的增加，脱氯效率略有降低。

图6 不同浆液pH时的脱氯效率（烟气温度100℃）Figure 6 Dechlorination efficiency at different slurry pH values（flue gas temperature100℃）

综合比较，pH增加，单位体积浆滴内部的OH-浓度增加，使得吸附于浆滴表面且溶于水的SO2和HCl快速发生酸碱中和反应，利于气体中的SO2和HCl快速不断地向浆滴表面扩散；液气比增加，使得单位体积的气体接触浆滴的概率增加，从而促进了SO2和HCl吸附于浆滴表面，大量吸附于浆滴表面的SO2和HCl，通过溶于水及溶于水后与OH-发生反应两个途径，最终都会实现脱除的目的。

3.3 吸收浆液盐浓度对脱酸效率的影响

图7和图8给出了不同浆液盐浓度时的脱硫效率和脱氯效率，其中盐的浓度为浆液中Na2SO4的质量分数。从图中可以看出，浆液中盐的浓度提高时，脱酸效率下降。在液气比为4 L/m3，pH=6.5 ，SO2和HCl的浓度分别为400mg/m3和800mg/m3的工况下，盐的浓度从5%增加到7%时，脱硫效率从34.9%下降至2 6.1%，脱硫效率下降25.2%。这可能是由于SO浓度的增加，影响SO与SO之间的转化，进而影响了SO2在浆滴表面的吸附和在浆滴内的溶解平衡，最终影响SO2的吸收。浆液中Na2SO4的浓度对脱氯效率的影响不大，Na2SO4的浓度从5%增加至7%时，脱氯效率从91.2%下降至8 9.9%，脱氯效率下降1.4%。

图7 不同浆液盐浓度时的脱硫效率（SO2 400mg/m3，HCl800mg/m3）Figure 7 Desulfurization efficiency at different slurry salt concentrations（SO2 400mg/m3，HCl800mg/m3）

图8 不同浆液盐浓度时的脱氯效率（SO2 400mg/m3，HCl800mg/m3）Figure8 Dechlorination efficiency at different slurry salt concentrations（SO2 400mg/m3，HCl800mg/m3）

4 结论

通过实验，研究了湿法脱酸过程中浆液的pH、盐浓度等参数对SO2和HCl脱除效率的影响，主要结论如下：

1）水对SO2和HCl都有一定的脱除效率，随着烟气温度的升高，SO2的脱除效率增加，而HCl的脱除效率略有降低。

2）提高吸收浆液pH可提高脱酸塔的脱硫效率，当液气比为8 L/m3，SO2和HCl的浓度为600mg/m3和1 200mg/m3，脱酸剂pH=9时的脱硫效率比pH=7时提高60.5%，而SO2和HCl的浓度为1 600mg/m3和400mg/m3，脱酸剂pH=9时的脱硫效率比pH=7时提高42.6%。

3）吸收浆液盐浓度增加，SO2和HCl的脱除效率均有降低。在液气比为4 L/m3，pH=6.5 ，SO2和HCl的浓度为400mg/m3和800mg/m3时，盐的浓度从5%增加到7%时，脱硫效率下降25.2%，脱氯效率下降1.4%。相同的浆液盐浓度时，随着液气比的增加，SO2和HCl的脱除效率均增加。

4）根据实验结果，建议湿法脱酸实际运行中定期排出吸收浆液中的盐溶液，补充吸收剂以稳定脱酸浆液pH，保证酸性气体的脱除效果。