垃圾焚燒爐排爐HCl脫除影響與應(yīng)用

陳尼青，阮徐均，萬(wàn)金雄，鄭志秀

（浙江千堯環(huán)境工程有限公司，杭州 311215）

在環(huán)保技術(shù)發(fā)展日新月異的今天，機(jī)械爐排爐因具有技術(shù)成熟、運(yùn)行穩(wěn)定、適應(yīng)性強(qiáng)、經(jīng)濟(jì)性好等優(yōu)點(diǎn)，成為垃圾焚燒發(fā)電廠的首選爐型[1]。垃圾焚燒爐排爐HCl 的脫除通常采用爐后煙氣處理技術(shù)，主要分為干法、半干法和濕法三種工藝。

以旋轉(zhuǎn)噴霧干燥法（SDA）為代表的半干法工藝，占地面積小、脫酸效率高、能耗少、投資及運(yùn)行費(fèi)用低、無(wú)廢水排放，并且對(duì)有機(jī)物及重金屬也具有良好的去除效果[2]。干法工藝作為對(duì)半干法工藝的補(bǔ)充，與半干法組合成為垃圾焚燒發(fā)電廠脫除HCl 的基本工藝，SDA 半干法+干法組合工藝廣泛應(yīng)用于垃圾焚燒發(fā)電廠爐排爐HCl 的脫除。

本文通過(guò)研究垃圾焚燒爐排爐SDA 的工藝原理及脫除HCl 的影響因素，提出了提高爐排爐HCl 脫除率的建議。

1 SDA 工藝介紹

SDA 采用CaO 或Ca(OH)2為原料，制備成Ca(OH)2漿液作為吸收劑，經(jīng)高速旋轉(zhuǎn)的霧化器霧化，均勻噴入SDA 反應(yīng)塔，用于去除煙氣中的酸性氣體[3]。

Ca(OH)2與HCl 的反應(yīng)是中和反應(yīng)，反應(yīng)方程式如下：

Ca(OH)2+2HCl=CaCl2·2H2O

2Ca(OH)2+2HCl=CaCl2·Ca(OH)2·2H2O

Ca(OH)2漿液從制漿站來(lái)，由漿液泵送入SDA 反應(yīng)塔頂部霧化器，進(jìn)入塔內(nèi)進(jìn)行霧化；煙氣由鍋爐省煤器來(lái)，進(jìn)入SDA 反應(yīng)塔與漿液反應(yīng)后流入布袋除塵器。在反應(yīng)塔出口設(shè)置干法脫酸裝置，可作為半干法脫酸的補(bǔ)充及事故狀態(tài)下緊急處理的手段。SDA 半干法+干法組合工藝流程見(jiàn)圖1。在SDA 反應(yīng)塔入口煙道及煙囪上各安裝一套煙氣在線檢測(cè)系統(tǒng)（CEMS），用于監(jiān)測(cè)HCl 等的初始濃度和排放濃度。

圖1 SDA 半干法+干法組合工藝流程

SDA 的核心設(shè)備為SDA 反應(yīng)塔，漿液的霧化與酸性氣體的中和反應(yīng)都在塔內(nèi)進(jìn)行。SDA 反應(yīng)塔由霧化器、頂部蝸殼（煙氣分布器）、塔體及出口煙道組成，SDA 反應(yīng)塔結(jié)構(gòu)及煙氣流向見(jiàn)圖2。煙氣從鍋爐省煤器出來(lái)時(shí)的溫度為190℃～250℃，自SDA 反應(yīng)塔頂部蝸殼切向進(jìn)入蝸殼，沿著蝸殼及導(dǎo)向葉片旋流軌跡流至塔內(nèi)，與霧化器噴出的漿液霧滴逆流反應(yīng)，并在SDA 反應(yīng)塔內(nèi)停留一段時(shí)間，以便與漿液充分反應(yīng)。一定高度的反應(yīng)塔提供了充足的化學(xué)中和反應(yīng)時(shí)間和水分蒸發(fā)吸熱時(shí)間。

圖2 SDA 反應(yīng)器結(jié)構(gòu)及煙氣流向

在SDA 反應(yīng)塔塔頂，水通過(guò)旋轉(zhuǎn)霧化器霧化后噴入反應(yīng)塔，用來(lái)給煙氣降溫，使反應(yīng)塔出口溫度維持在140℃～180℃。煙氣中的HCl、SOx、HF 等酸性氣體經(jīng)過(guò)與Ca(OH)2漿液及水霧滴的逆流接觸，溫度降低、濕度增加，并發(fā)生中和反應(yīng)生成干燥粉末狀反應(yīng)物CaCl2、CaF2、CaSO3、CaSO4等鹽類，該冷卻過(guò)程還使二噁英、呋喃和重金屬產(chǎn)生凝結(jié)[4]。而Ca(OH)2漿液則溫度升高、水分蒸發(fā)，與酸性氣體反應(yīng)后的生成物和未反應(yīng)完全的Ca(OH)2顆粒物，隨著煙氣被除塵器收集并送入公用刮板輸送機(jī)。少部分顆粒物掉落至SDA 反應(yīng)塔底部灰斗排出，經(jīng)過(guò)螺旋輸送機(jī)送入公用刮板輸送機(jī)。再與除塵器收集的物料一起通過(guò)公用刮板輸送機(jī)，經(jīng)過(guò)斗提機(jī)及飛灰倉(cāng)頂螺旋輸送機(jī)送入飛灰儲(chǔ)倉(cāng)[5]。若除塵設(shè)備采用袋式除塵器，部分Ca(OH)2未反應(yīng)物將附著于濾袋上，與通過(guò)濾袋的酸氣再次反應(yīng)，使脫酸效率進(jìn)一步提高，也相應(yīng)提高了Ca(OH)2漿液的利用率。

2 HCl 脫除影響因素

2.1 Ca/Cl 摩爾比對(duì)HCl 脫除效果的影響

反應(yīng)摩爾比是吸收劑反應(yīng)用量的化學(xué)比量關(guān)系，應(yīng)用在工程實(shí)際中是對(duì)Ca(OH)2耗量的衡量[6]。也就是說(shuō)，如果Ca(OH)2漿液投入量過(guò)小，則HCl 的脫除率不夠，HCl 排放值不達(dá)標(biāo)；如果Ca(OH)2漿液投入量過(guò)大，不僅增加吸收劑的費(fèi)用，而且增加霧化器與除塵器運(yùn)行負(fù)擔(dān)，運(yùn)行費(fèi)用也隨之增加。研究表明，HCl脫除效率并不隨摩爾比的增加而成比例的增加。因此，合理確定摩爾比值的范圍是非常重要的。

以嘉興某垃圾焚燒發(fā)電廠為例，該廠擁有3×880t/d 機(jī)械爐排垃圾焚燒鍋爐，初始HCl 濃度≤800mg/Nm3（干基，標(biāo)態(tài)，11%O2），出口HCl 排放濃度要求≤10mg/Nm3，脫酸采用SDA[Ca(OH)2]+干法（CaO 干粉）工藝，在SDA 反應(yīng)塔入口煙道及煙囪處設(shè)置SICK 的煙氣在線檢測(cè)系統(tǒng)，型號(hào)為MCS100FT。在SDA 反應(yīng)塔出口溫度為160℃時(shí)，HCl 與10%濃度的Ca(OH)2漿液反應(yīng)，通過(guò)霧化器入口漿液調(diào)節(jié)閥來(lái)調(diào)節(jié)投入的漿液量，利用CEMS 監(jiān)測(cè)SDA 反應(yīng)塔入口及煙囪出口的HCl 濃度，得出HCl 脫除效率隨Ca/Cl摩爾比的變化關(guān)系（見(jiàn)圖3）。

圖3 HCl 脫除率與Ca/Cl 摩爾比的關(guān)系

該曲線表明，當(dāng)Ca/Cl 摩爾比≤1 時(shí)，HCl 脫除率隨著Ca/Cl 摩爾比的增加而增大；當(dāng)Ca/Cl 摩爾比＞1 時(shí)，HCl 脫除率不再明顯增加。在實(shí)際運(yùn)行中，當(dāng)Ca(OH)2漿液用量達(dá)到一定程度時(shí)，即Ca/Cl 摩爾比＞1 時(shí)，用提高摩爾比來(lái)提高HCl 脫除率是沒(méi)有意義的。所以電廠需根據(jù)HCl 脫除率要求，控制Ca(OH)2漿液用量，使Ca/Cl 摩爾比≤1，則可有效提高系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。

2.2 吸收劑粒徑對(duì)HCl 脫除效果的影響

吸收劑粒徑越小，與酸性氣體接觸面積越大，接觸反應(yīng)效率越高，HCl 脫除效率就越高[7]。在SDA 工藝中，漿液粒徑大小與噴霧器的轉(zhuǎn)速所產(chǎn)生的離心力大小和漿液濃度有直接關(guān)系。根據(jù)王鵬程[8]等的實(shí)驗(yàn)研究，噴霧器的轉(zhuǎn)速越大，其產(chǎn)生的離心力越大，漿液通過(guò)霧化盤噴射的霧滴粒徑就越小，而漿液濃度越小則霧滴粒徑越小。當(dāng)旋轉(zhuǎn)霧化器轉(zhuǎn)速在13 500rpm時(shí)，漿液霧化粒徑為60～80μm；當(dāng)轉(zhuǎn)速在15 000rpm時(shí)，漿液霧化粒徑可達(dá)30～40μm。旋轉(zhuǎn)霧化器可以通過(guò)變頻調(diào)節(jié)、調(diào)整運(yùn)轉(zhuǎn)速度,使運(yùn)行轉(zhuǎn)速在8000～15 000rpm 范圍內(nèi)。研究表明，在漿液流量發(fā)生很大變化時(shí)，霧化霧滴的粒徑分布不發(fā)生顯著改變。

綜上所述，吸收劑粒徑越小，HCl 脫除效率越高。通過(guò)適當(dāng)調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)霧化器的頻率來(lái)增加轉(zhuǎn)速，從而減小漿液霧化的粒徑，可以提高HCl 的脫除效率；通過(guò)降低漿液濃度可以減小霧滴粒徑，但同時(shí)也會(huì)降低Ca/Cl 摩爾比，對(duì)提高HCl 脫除效率的作用有限。一般建議旋轉(zhuǎn)霧化器選取霧化粒徑60～80μm（轉(zhuǎn)速13 500rpm），且Ca(OH)2漿液濃度配置為10%～15%[9]，對(duì)HCl 脫除有較好的效果。

2.3 反應(yīng)塔出口溫度對(duì)HCl 脫除效果的影響

在SDA 工藝中，HCl 與Ca(OH)2漿液在SDA 反應(yīng)塔內(nèi)的反應(yīng)溫度為140℃～250℃，HCl 與Ca(OH)2漿液的反應(yīng)雖為酸堿中和反應(yīng)，但是在SDA 反應(yīng)塔內(nèi)，HCl 的去除率隨溫度不同會(huì)有明顯變化。

SDA 反應(yīng)塔出口溫度可通過(guò)反應(yīng)塔出口煙道設(shè)置的熱電偶測(cè)得，溫度變化則可以通過(guò)調(diào)節(jié)霧化器入口工藝水流量來(lái)控制。嘉興某垃圾焚燒發(fā)電廠在設(shè)置煙氣含濕量22%、投入一定量10%濃度的Ca(OH)2漿液的條件下，可通過(guò)調(diào)節(jié)霧化器工藝水流量來(lái)改變SDA 反應(yīng)塔出口溫度，監(jiān)測(cè)HCl 濃度，從而得出HCl脫除率與SDA 反應(yīng)塔出口溫度和煙氣含濕量的關(guān)系（見(jiàn)圖4）。

圖4 HCl 脫除率與SDA 反應(yīng)塔出口溫度的關(guān)系

該曲線表明HCl 脫除率隨SDA 反應(yīng)塔出口溫度升高而有所下降，需要根據(jù)電廠HCl 脫除率情況選擇最佳溫度區(qū)間。如嘉興某垃圾焚燒發(fā)電廠HCl 脫除率要求為98.8%，則SDA 反應(yīng)塔出口最佳溫度區(qū)間為140℃～170℃。但是當(dāng)布袋除塵器下料灰輸送采用氣力輸送系統(tǒng)時(shí)，煙氣經(jīng)過(guò)反應(yīng)器后如進(jìn)入布袋除塵器脫除煙塵及部分固體顆粒物，則溫度過(guò)低會(huì)使煙氣含濕量過(guò)高，導(dǎo)致物料黏濕不易流化，不利于氣力輸送，所以最佳反應(yīng)溫度需要控制在160℃～170℃，這就增加了操作難度。

所以為了操作方便及運(yùn)行穩(wěn)定，一般建議布袋除塵器及SDA 反應(yīng)塔下料灰輸送采用刮板機(jī)輸送系統(tǒng)。此時(shí)調(diào)節(jié)工藝水量，控制SDA 反應(yīng)塔出口溫度在140℃～170℃的最佳溫度區(qū)間內(nèi)，便可以達(dá)到較好的脫除效果，

2.4 反應(yīng)時(shí)間對(duì)HCl 脫除效果的影響

煙氣在SDA 反應(yīng)塔內(nèi)的停留時(shí)間會(huì)影響Ca(OH)2漿液與酸性氣體的充分反應(yīng)以及未反應(yīng)完全的Ca(OH)2漿液的充分蒸干。反應(yīng)塔的尺寸設(shè)計(jì)應(yīng)保證在煙氣流量變化的整個(gè)范圍內(nèi)有足夠的煙氣停留時(shí)間，煙氣在反應(yīng)塔中的額定停留時(shí)間不得小于20s，使Ca(OH)2漿液與酸性氣體充分反應(yīng)。

同時(shí)，煙氣流速也會(huì)直接影響Ca(OH)2漿液霧滴與酸性氣體在反應(yīng)塔的停留時(shí)間。在其他因素恒定的情況下，煙氣流速越小，停留時(shí)間越長(zhǎng)，反應(yīng)時(shí)間越長(zhǎng)，HCl 脫除效率也就越高。但煙氣流速增加可以增加氣液兩相湍動(dòng)，減小阻力，一定程度上也有利于HCl脫除效率的提高[10]。所以，SDA 反應(yīng)塔內(nèi)的煙氣流速需要在一個(gè)合理的范圍內(nèi)。

SDA 反應(yīng)塔內(nèi)的煙氣流速一般建議為0.8～1m/s，煙氣在塔內(nèi)的停留時(shí)間不小于20s，所以反應(yīng)塔的尺寸應(yīng)根據(jù)煙氣流量、流速和停留時(shí)間計(jì)算，并保證提供足夠的反應(yīng)時(shí)間。

3 結(jié)語(yǔ)

SDA 工藝中，HCl 的脫除效果受以下因素影響：

（1）當(dāng)Ca/Cl 摩爾比≤1 時(shí)，HCl 脫除率隨著Ca/Cl 摩爾比的增加而增大；當(dāng)Ca/Cl 摩爾比＞1 時(shí)，HCl 脫除率不再明顯增加。

（2）吸收劑粒徑越小，HCl 脫除效率就越高。霧化器轉(zhuǎn)速為13 500rpm 時(shí)，霧化粒徑為60～80μm。

（3）HCl 脫除率隨SDA 反應(yīng)塔出口溫度升高而下降。一般最佳溫度區(qū)間為140℃～170℃。

（4）煙氣在反應(yīng)塔中應(yīng)有足夠的反應(yīng)時(shí)間，額定停留時(shí)間不小于20s。

綜合以上影響因素，在實(shí)際運(yùn)行中建議：控制Ca(OH)2漿液用量，使Ca/Cl 摩爾比≤1；旋轉(zhuǎn)霧化器轉(zhuǎn)速宜為13 500rpm；Ca(OH)2漿液濃度配置宜為10%～15%；輸灰系統(tǒng)采用刮板機(jī)輸送系統(tǒng)，SDA 反應(yīng)塔出口溫度控制在140℃～170℃；煙氣在SDA 反應(yīng)塔內(nèi)流速為0.8～1m/s，停留時(shí)間保證不小于20s。