焚烧电厂半干法脱除烟气中氯化氢的实验研究

2022-01-17广州环投南沙环保能源有限公司付振华杨元松

电力设备管理 2021年15期

广州环投南沙环保能源有限公司付振华杨元松

关键字：焚烧；氯化氢；半干法脱酸；影响因素

近些年来，我国很多城市开始采用焚烧发电的方式来处理生活垃圾，该方式具有减量化明显、无害化彻底和资源化利用的优势，成为了很多城市解决垃圾围城困局的主要手段之一。据统计，截止2020年6月我国内地建成并投入运营的生活垃圾焚烧发电厂约450座，按照“十三五”规划，到2020年底，大多数直辖市、计划单列市和省会城市要实现原生垃圾“零填埋”，设市城市生活垃圾焚烧处理能力占无害化处理总能力的50%以上[1]，与此同时，焚烧产生的二次污染问题也日益受到人们的广泛关注。

氯化氢是垃圾焚烧炉排放的大气污染物之一。排入大气中的氯化氢与水蒸气相遇，极易生成白色的盐酸雾，对人体和植物具有很强的刺激性和腐蚀性，甚至引发严重的呼吸道疾病，并且氯化氢对焚烧炉的焚烧设备本体有着很强的腐蚀作用[2]。我国最新颁布的焚烧电厂氯化氢污染物排放限值小时均值为60mg/m3[3]，目前比较成熟的脱除氯化氢技术有湿法、半干法和干法等，现有焚烧发电厂多数采用半干法脱酸反应塔来降低氯化氢的排放。随着国家环保督察和环保排放的日益严格，寻求更有效的控制方式，实现污染物超低排放，同时降低企业运营成本，成为了很多企业面临的新难题。

1 实验装置与方法

1.1 实验装置

以广州某垃圾焚烧发电厂一台焚烧炉为实验对象，该焚烧炉型号为SLC750-63.3-4.0/400，日均处理生活垃圾750吨，锅炉额定负荷为63.3t/h，为自然循环中温中压余热锅炉，炉排采用四级倾斜顺推式，采用室内布置，微负压运行。垃圾在炉排上燃烧后产生的烟气依次通过余热炉竖直第一通道、U 型第二、第三通道、水平第四通道、省煤器、再进入尾部烟气处理系统。其中烟气处理系统包括SNCR、脱酸反应塔、干法混合器和布袋除尘器，净化后的烟气经过CEMS 检测后排向大气。其烟气处理工艺流程示意图如下图1。

图1 烟气处理工艺流程示意图

本系统半干法脱酸系统为高速旋转喷雾反应塔，石灰浆制备系统将配制完成的石灰浆由输送管线送至半干反应塔，石灰浆由反应塔顶部的高速旋转雾化器雾化后，与含有氯化氢等酸性气体的热烟气发生化学反应，脱除酸性物质。其反应的主要化学式为：Ca（OH）2+2HCl=CaCl2+2H2O

1.2 实验方法

石灰浆制备系统可以生产出不同浓度的石灰浆，浓度由PLC 顺控控制，该脱酸反应塔配备有双流体喷枪，即带有压缩雾化的减温水，出口配有干法混合器，在雾化器异常情况下配合实现酸性污染物的短时控制。

实验中采取单一变量法来测试不同反应条件下脱除氯化氢的效果，主要影响因素包括化学摩尔比、反应温度、烟气氧量、锅炉负荷等。实验中通过调控石灰浆液浓度，来改变反应的化学摩尔比（α），通过双流体来调节反应塔反应温度（T），通过调整风机频率和风门挡板开度来调整烟气氧量（SR），通过调整燃烧工况来改变锅炉负荷D，并测试不同工况下的脱除氯化氢效果。烟气成分数据通过CEMS 检测系统测得，并通过计算程序折算成O2含量为11%的标况数据。

2 结果与讨论

2.1 化学摩尔比对脱除效果的影响

由于焚烧炉烟气中氯化氢气体的浓度是经常变化的，其大小主要受垃圾成分的影响，其初始浓度很难确保稳定。实际运行中发现，广州的垃圾焚烧发电厂氯化氢的初始排放浓度一般为80mg/m3～200mg/m3，本次实验中分别取初始浓度100mg/m3、140mg/m3和180mg/m3三个值，其反应温度及负荷均控制在日常运行规范内。图2是反应的不同化学摩尔比对氯化氢脱除效果的影响。

摩尔比在化学反应中是一个很重要的指标，对于氢氧化钙和氯化氢的反应摩尔比来说，摩尔比过小，氯化氢的脱除效达不到排放要求，而摩尔比过大，不仅增加了物料的浪费，其反应产物也需要进行填埋处置，相应的运行成本也会增加不少。从图2中可以看出，随着化学摩尔比α 的增加，氯化氢的排放值不断降低，脱除效率不断升高，随着α 增大到4以后，氯化氢的排放值基本能够降低到60mg/m3以下的国家排放标准，而随着α 增大到6以后，氯化氢的脱除效果曲线下降变得很平缓，反应效率增加不明显，这与深圳垃圾焚烧的实验室数据较为一致[4]，因此在实际运行中控制α在5～6左右，就可以取得很好的脱除效果，基本能够实现20mg/m3以下的超低排放，明显优于国家排放标准。

图2 不同化学摩尔比对氯化氢去除效果影响

2.2 反应温度对脱除效果的影响

此次试验中保持反应塔入口烟温恒定，分别取230℃和205℃，α 选择5左右，通过调节双流体的流量来调节反应温度，并以反应塔出口烟温作为温度指标，图3是反应塔出口不同烟温工况下氯化氢的排放值。

图3 不同反应温度对氯化氢去除效果的影响

从图中可以看出，随着反应塔出口烟温的升高，氯化氢的排放监测值也相应的增高，说明反应温度的升高不利于氯化氢的脱除。出口烟温从140℃逐渐升高到165℃，氯化氢的排放值依然在国标值以下，但当出口烟温超过170℃，其瞬时值就有可能超过国标值。并且在相同出口烟温的工况下，入口烟温230℃的排放数据逐渐高于205℃的工况，说明在实际运行中尽量要把入口烟温和出口烟温控制的低一些，但为了避免布袋除尘器糊袋和反应塔出湿灰，一般应控制反应塔出口烟温在150℃以上。

2.3 烟气氧量对脱除效果影响

烟气氧量主要反映炉内燃料的燃烧情况。实际运行时，为了保证垃圾得到充分燃烧，避免出现未燃尽的生料，一般要求控制省煤器出口的氧量在6%～10%之间。本次实验主要通过调整一、二次风机频率和风门开度来改变燃烧区域的氧量供应，并通过省煤器出口的氧量不同测量值，来观察反应塔出口氯化氢的排放值。实验结果图4所示。

图4 不同出口氧量对氯化氢去除效果的影响

在对广州生活垃圾的模化研究中发现，垃圾焚烧过程中烟气中的氯化氢主要来源为垃圾中有机氯化物含氯取代基在燃烧脱除出来的，随着温度的升高，氯向氯化氢转化呈现线性增加，氯的转化率也越高[5]。实验中证明，HCl 的析出能力会随着含氧量的增加而增加[6]。从图4中可以看出，随着氧量从2%逐渐增到10%，HCl 排放整体呈现上升的趋势，并且在8%以后出现拐点，排放量趋于稳定或者有所下降，分析拐点原因为空气的大量给入，导致燃烧中心火焰不稳定，在一定程度上抑制了燃烧的发生。实际运行中，氧量过低，会造成燃烧不充分，可能造成CO 排放超标，长期还会造成炉膛水冷壁的结焦，严重时出现爆管故障；氧量太高，虽然会在一定程度上抑制HCl 的产生，但会增加能耗，同时对炉温的影响较大，可能出现低于850℃的工况，严重的还会触发国家环保监管平台的督办核查。综合考虑，一般控制炉膛出口氧量在4%～7%，可以较好的控制HCl 的产生和脱除。

2.4 锅炉负荷对脱除效果的影响

垃圾焚烧炉由于其燃料成分的多变性，锅炉负荷很难在较长时间内保持稳定，污染物的排放也会出现剧烈波动，如调整不及时，极易出现环保事故，因此研究负荷变化对脱除氯化氢效果的影响，做到提前研判，对于焚烧炉实际运行有着重要的意义。在燃烧相对稳定的前提下，逐渐调整锅炉负荷，测定不同负荷下氯化氢的脱除排放值。

从图5可以看出，在石灰浆流量不变的情况下，随着锅炉负荷的升高，氯化氢脱除后的排放值也是升高的。负荷从55t/h 升到65t/h，排放值依然在国标限值范围内，超过65t/h 之后，排放值有明显的上升，在未调整浆流量等因素的前提下，排放量已经很难控制在国标限值范围内了。特别是现在城市生活垃圾的热值逐年上升，很难按照当初设计量来完成焚烧任务，在一定程度上降低了焚烧厂的经济收入。企业在实际运行中为了提高垃圾的处理量，增加发电量和售电量，经常让锅炉处于超负荷运行状态，这对锅炉的安全稳定运行是不利的。在实际运行中，控制锅炉负荷在58t/h～65t/h 之间，即额定负荷的90%～103%之间，既能实现锅炉热负荷率保持经济稳定运行，又能让氯化氢污染物的排放值在监管范围以下。