一种流化床式半干法工艺的介绍

尘冠宏

（中国城市建设研究院有限公司，北京 100120）

0 引言

随着我国经济发展和基础设施建设规模的扩大，国内垃圾焚烧厂数量正在快速增加。“十三五”期间，全国城镇生活垃圾基本实现无害化处理。根据“十四五”规划要求，到2025年底，城市生活垃圾焚烧处理能力占比65%左右。垃圾焚烧发电将成为未来生活垃圾焚烧的主要处理方式[1]。因此不少省市出台了更为严格的地方标准来限制污染物排放浓度。

在这种发展趋势和大环境下，新的垃圾焚烧厂设备需要满足更高的排放标准，而旧的垃圾焚烧厂也需要进行升级改造，因此，必须开发并应用更多的烟气净化技术和设备。根据实际市场需求，高效节能便是其中的一项重要指标。

本文分析一种国外使用的流化床式半干法设备工艺，它在满足更为严格的欧盟标准的同时，也具有节能的优点。

1 流化床式半干法工艺原理及流程

这种半干法工艺采用了循环流化床原理：烟气从锅炉出口出来后，未脱酸的烟气通过反应塔底部的文丘里管加速，与一次喷入的脱酸剂、从布袋除尘器下循环过来的混合灰从该反应塔的下端一同进入反应塔，随后在其中发生化学反应。

在循环流化床中，烟气和其他反应物作为气固两相，由于反应塔形成湍流，使烟气与其他固相反应物在反应塔上升的过程中不断反应、混合形成絮状的反应生成物，再向下返回。而湍流流场将下降中的絮状物不断分解为小颗粒，颗粒因重量减轻而提升，形成类似循环流化床锅炉所特有的内循环颗粒流，流化床的床层颗粒浓度得到提升，反应时间也相较旧式半干法有很大延长，可极大地提升反应物的效率[1]。

此外，设备内还在反应塔烟道出口扩管段设一套喷雾装置，喷射水雾不仅可以将烟气温度调节至合适温度，还可以通过此手段使得烟气中酸性气体与脱酸剂（氢氧化钙）的反应转化为离子型反应。脱酸剂、循环混合灰在塔内进行第二步的充分反应。

反应过后的固体反应物和未反应完全的脱酸剂和活性炭将会随着烟气进入布袋除尘器，被布袋除尘器拦下，并在其表面进行再次反应。布袋除尘器下端收集到的固体残留物，将从反应塔下侧进入，重新跟随烟气在反应塔内进行二次反应，力求实现反应剂效率最大化。最终，多余的部分固体残留物将作为飞灰进行稳定化处理和填埋。

这种流化床式半干法工艺的设备和烟气、脱酸剂、活性炭等物质的反应流程如图1所示。

图1 脱酸剂为熟石灰的流化床式半干法流程

2 流化床式半干法工艺的优点

相较于传统的半干法，流化床式半干法有以下3个优点。

（1）与传统石灰浆半干式反应塔相比，流化床式半干法的反应物利用率高。反应塔内的降温水不仅可以在反应塔内将烟气温度调节至145℃左右[2]，提高脱酸剂的利用效率，还能在固体残余物循环进入反应塔时，重新激活再循环的残留物，从而进一步优化整体的反应效率。未反应完全的试剂被多次使用，从而最大限度地减少资源消耗[2]。

（2）该系统在污染物检测和加药控制系统下，可以最大限度地保证这种系统的低排放、低物料消耗和减少固体残留物（飞灰产生量），且该过程中不会产生废水，水耗低，能耗低，无须采购废水处理装置。

（3）这种半干法原理十分简单，操作简单，且容易压缩体积，实际安装后所占空间不大。因此，这种套设备基础设施成本偏低，后续运行过程中也没有过高的设备维护要求，经济价值高，适合改造。

但相较于传统反应塔，流化床式反应塔内对于反应温度的控制更加严格，温度过低时会产生物料粘壁，甚至运输管堵塞等现象，对流化床式半干法的设备带来的影响明显更大。因此排烟温度需要始终高于露点温度20℃[3]。

3 工程实例介绍

下文介绍两个国内外的运行中的工厂案例进一步验证流化床式半干法的可行性。

（1）国内案例为2018年上海宝钢股份电厂350 MW燃气锅炉的烟气净化工艺改造项目。

虽然该工厂并不是垃圾焚烧工厂，但为满足排放要求，改造后使用了流化床式半干法工艺，因此具有很高的参考性。该项目于2018年10月开始实施改造，并于2019年8月顺利投运，虽然改造条件要求较高，但运行稳定至今。

该工厂的烟气反应线路如图2所示。

图2 烟气反应线路

由图2可知，该工厂脱酸工艺改造后只采用了流化床式半干法的一级脱酸，而一般情况下，为满足高排放标准，一级脱酸（半干法或干法）很难使烟气数据达标。但此项目实际运行数据表明，原烟气经过一级脱酸后出口烟气中SO2浓度可降低至5.4 mg/m3，各项性能指标均满足设计要求（SO2浓度小于等于30 mg/m3）。

作为一个燃气锅炉改造项目，它的锅炉出口硫污染物质量浓度较低，其燃气锅炉项目和垃圾焚烧厂项目的锅炉出口硫化物浓度如表1所示。

表1 燃气锅炉项目和垃圾焚烧厂项目的锅炉出口硫化物浓度

从表1中可看出，燃气锅炉出口浓度稳定低于200 mg/Nm3，但垃圾焚烧锅炉出口浓度波动较大，从数据上看，该工艺满足了燃气锅炉的改造要求，但不一定能满足未来垃圾焚烧发电厂改造项目的排放标准。

但作为一个改建项目，它满足了燃气锅炉需要考虑的负荷事实变动大的要求。在实际改造中也体现了其改造、运行成本低、稳定性高的巨大优点。

目前国内流化床式半干法反应塔多应用于焦炉烟气，由于焦炉烟气的硫化物污染物浓度明显低于垃圾焚烧工厂污染物浓度，因此，不建设在烟气中硫含量高且排放要求严格的地区采用[4]。

但流化床式半干法反应塔并不是不能应用于垃圾焚烧厂，近些年来国外陆续有项目使用该流化床式半干法，并已稳定运行至今。

（2）国外使用流化床式半干法的垃圾焚烧厂工程案例分析如下。

英国诺廷莱的Ferrybridge Multifuel 2垃圾焚烧厂于2019年开始运营，共配置两条生产线，年处理量为566 000 t，热值为8.5～16.5 MJ/kg，每年向外供应电力，总输出功率为79.19 MW。烟气净化采用“SNCR+流化床式半干法+活性炭喷射+布袋除尘器”的工艺。Ferrybridge Multifuel 2垃圾焚烧厂烟气处理工艺流程如图3所示。

图3 Ferrybridge Multifuel 2垃圾焚烧厂烟气处理工艺流程

烟气从锅炉出口出来后进入流化床式半干法反应塔进行脱酸，反应介质为氢氧化钙干粉，同时喷入冷却水水雾将烟气温度降低至145℃左右。

在反应塔内进行酸碱中和的同时，喷入活性炭去除烟气的重金属与二噁英，之后烟气混杂着氢氧化钙、活性炭和酸碱中和反应物进入布袋除尘器，并在布袋除尘器中被拦下，进入除尘器下的固体残留物收集器。

固体残留物中的一部分通过反应塔和除尘器下的运输设备重新进入反应塔，并在冷却水的喷淋下再次与烟气中的酸性物质反应，未进入反应塔的残留物运至飞灰稳定化处理。本过程中不产生废水，且与传统的半干法工艺相比较，需要稳定化处理的飞灰量也有所减少[5]。

净化后的烟气通过烟囱高空排放。Ferrybridge Multifuel 2垃圾焚烧厂如图4所示。

图4 Ferrybridge Multifuel 2垃圾焚烧厂

英国作为欧洲国家，该项目为2019年开始运营，该垃圾焚烧工厂中硫化物污染物排放按照欧盟标准，其与我国排放标准的对比如表2所示。

表2 欧盟硫化物污染物排放标准与我国排放标准的对比

英国的Ferrybridge Multifuel 2垃圾焚烧工厂仅使用了一级脱酸（流化床式半干法脱酸）即可满足欧盟标准的要求，且稳定运行至今。欧洲在2019年又颁布了新的BAT 2019污染物排放标准，其中将已建成的旧厂硫化物排放标准要求定为3～40 mg/Nm3，本项目依然满足新标准的各项要求，证明了这种工艺在垃圾焚烧厂中的可行性和高效性。

4 结语

流化床式半干法脱酸工艺具有节能、节水的优点，并且由于其简单的设备组成和并不复杂的机械结构，因此建造与运营成本都很低。

随着经济发展，人们对环境卫生的要求逐步提升，各地对于烟气排放施行了更高要求的标准，在此背景下，高效节能的脱酸工艺将会广泛地应用到生活垃圾焚烧处理中。除了生活垃圾焚烧项目，还有很多烟气排放项目需要通过改造来满足新的地方排放标准，因此，需要有针对性地采用高效、低成本且操作简单稳定的新工艺。本文介绍了一种适用于垃圾焚烧等烟气排放项目的流化床式半干法，希望能为将来国内垃圾焚烧厂脱酸工艺的选择与改造提供一种参考。