垃圾焚燒廠反應塔雙流體固定噴嘴優化改進

曲文龍

（威海環境再生能源有限公司，山東威海 264200）

0 引言

近年來，隨著城市的建設加快，市民的生活水平及人口數量不斷增加，生活垃圾產生量越來越多。以前采用垃圾填埋的處置方式不僅占用大量土地，而且容易造成大氣、水源以及土壤的二次污染。目前大多城市主要采用垃圾焚燒的模式處理垃圾。垃圾在焚燒過程中產生的煙氣，若不經過有效處理同樣具有較大污染，因此國家環保相關部門對垃圾焚燒的煙氣處理提出了高標準的規范要求。

酸性氣體是環保排放重點監督的污染物之一，去除酸性氣體主要的工藝有濕法、半干法、干法，垃圾發電行業多采用半干法工藝。半干法工藝的脫酸劑通常采用消石灰或者氫氧化鈉溶液，經過霧化器噴射與反應塔內的酸性氣體產生化學反應，生成產物排出，從而去除煙氣中的酸性氣體。霧化器是半干法工藝的關鍵設備，目前多使用旋轉霧化器和雙流體固定噴嘴。旋轉霧化器霧化效果較好，但投入成本高，結構復雜，是當前垃圾焚燒主流的脫酸工藝設備；缺點是容易堵塞和磨損，維護成本偏高。雙流體固定噴嘴相比旋轉霧化噴嘴，霧化顆粒偏大，霧化效果略差，優點是結構簡單，維護方便。

1 案例背景

威海環境再生能源有限公司（以下簡稱“公司”）煙氣處理工藝：SNCR+半干法+干法+活性炭噴射+布袋除塵。半干法設計為石灰漿噴射系統，漿液霧化采用雙流體固定噴嘴。煙氣凈化半干法工藝描述：脫酸劑（消石灰）從消石灰貯倉輸送到石灰漿制備槽，制備濃度約10%的石灰漿液，進入石灰漿給料槽。由石灰漿噴射泵送到反應塔頂部，與壓縮空氣在雙流體固定噴嘴內混合，石灰漿液霧化成霧滴，再與鍋爐出口含酸性成份的煙氣（溫度約190～240 ℃）充分接觸混合。煙氣的溫度降低到約160 ℃，同時煙氣中的酸性氣體（SO2、HCL、HF）與石灰霧滴發生化學反應，形成固體反應物顆粒排出。冷卻后的煙氣從反應塔進入布袋除塵器。未反應的Ca（OH）2粉末進入布袋除塵器后，吸附在布袋表面，可繼續與煙氣中的酸性氣體（SO2、HCL、HF）反應，從而提高脫酸效率。

公司垃圾焚燒半干法工藝由于在前期設計上存在較大的缺陷，運行期間石灰漿系統始終處于失效狀態，多次投運試驗，系統始終無法穩定運行，嚴重影響煙氣的正常環保排放。原設計選用的雙流體固定噴嘴由于材料、結構的原因只適用于噴射工藝水，不能長時間噴射石灰漿液，實際運行中去除煙氣中酸性氣體主要依靠干法噴射石灰粉，脫酸效率低。隨著國家環保形勢日益嚴峻，環境影響評價報告書中有關煙氣凈化的半干法工藝必須切實投入使用，為此，公司對整套石灰漿液噴霧系統進行一系列優化改進。

2 存在問題及原因

原雙流體固定噴嘴采用美國某公司生產的FM10 系列，實際運行中主要存在以下問題。

（1）噴嘴沖刷磨損嚴重（圖1 和圖2），更換頻繁，使用周期3～5 d，最長為7 d。

圖1 噴嘴噴孔磨損嚴重

圖2 噴嘴內部沖刷嚴重

（2）噴嘴霧化顆粒大，霧化效果差，易導致飛灰潮濕，板結掛壁。

（3）潮濕的飛灰導致飛灰倉下灰不暢，飛灰穩定化整套系統運行不穩定。

（4）噴嘴故障率高，易堵塞、破裂，檢修工作量大。

（5）漿液系統運行不穩定，環保風險大。

3 改進方案

從成本經濟的角度，結合現場實際情況，綜合分析考慮，漿液霧化不更換為旋轉霧化器，仍選用雙流體固定噴嘴。但是這種型式的雙流體噴嘴必須要經過優化改進后才能滿足生產實際要求。因此本改進方案著重從噴嘴材料和霧滴顆粒、霧滴速度、漿液噴入量、霧化角度和噴孔孔徑等多方面研究分析，并配合工藝系統參數的調整，從而滿足生產需要。優化改進方案如下：

（1）優化噴嘴內部結構，進一步提高耐磨性能和霧化性能。現場通過射流靶板試驗得出，在保證足夠的漿液噴入量情況下，噴嘴孔徑由6 mm 改進為5 mm 時，霧化效果更好。為有效延長噴嘴使用壽命，提高耐磨性能，采用鈦合金、316L、碳化硅和哈氏合金等各種材料反復試驗。本著低成本、高效能的改進目標，噴嘴主體材料最終確定為316L。噴嘴孔處及噴嘴混合沖擊區域內鑲襯耐磨、耐酸性腐蝕且可更換的哈氏合金襯套；槍桿部分增加不銹鋼保護套管，從整體上提高噴槍的使用壽命。

（2）雙流體固定噴嘴的霧化角度非常關鍵，角度過大，石灰漿液會穿過煙氣直接噴射到反應塔的四壁，造成積灰板結，甚至濕灰；霧化角度過小，則漿液不足以與煙氣充分接觸反應，不能有效去除煙氣中酸性氣體，煙氣排放不達標。改進后調整噴嘴噴霧角度，擴大角度到55～60°，噴霧覆蓋直徑達到2.5 m 左右。在直徑7.5 m 的反應塔內，大大提高漿液與煙氣的接觸混合，更加充分進行脫酸反應，可以進一步降低排放煙氣中的酸性氣體。

（3）工藝系統的參數優化調整，對于同一孔徑噴嘴，隨著工作壓力的增大，霧化粒徑減小，但過高壓力會造成噴霧流場的不穩定，霧滴運動均勻性較差，不穩定。現場試驗對比分析，將壓縮空氣壓力調整到0.4～0.45 MPa，最為合適（改進前噴嘴壓縮空氣壓力為0.6 MPa 以上），同時滿足反應塔不濕底的工藝要求。壓縮空氣壓力調整后，可以節約空氣消耗量。降低氣壓更便于調節漿液量，滿足煙氣工況變化，使出口煙氣酸性氣體含量穩定達標。降低氣壓還可以在一定程度上減輕噴嘴的磨損，延長使用壽命。

4 經濟及社會效益

（1）雙流體霧化噴嘴從結構和材料上改進后，結構簡單、適應性好。對于漿液濃度的高低都具有良好的霧化效果，并且可以在保證霧化效果的基礎上，通過調節壓縮空氣和漿液流量，控制噴射距離、噴射量等性能參數，更好滿足焚燒鍋爐各種工況下的煙氣脫酸要求。

（2）雙流體噴嘴改進后，使用壽命在5～6 月，最長周期可達7 個月，節能效益顯著。雙流體固定噴嘴改進前，一個月需要更換噴嘴16 套/2 臺爐，一年需要更換192 套/2 臺爐；雙流體固定噴嘴改進后，6 個月需要更換噴嘴4 套/2 臺爐，一年需要更換8套/2 臺爐。原進口美國噴霧公司生產的噴嘴為1.5 萬元/套，改進后制作成本降到1 萬元/套。改進后每年噴嘴用量減少184套，每年節約成本276 萬元。

（3）改進前采用干法石灰單耗10.5 kg/t，改進后采用半干法石灰單耗910.5 kg/t。按照年入爐垃圾24 萬噸計算，每年可節省生產耗材成本29 萬元。

（4）雙流體固定噴嘴的改進，結合工藝系統參數的優化調整，實現了在較低氣壓條件下可以微細霧化，壓縮空氣消耗量明顯降低，風機電耗相應降低。霧化效果穩定、耐磨，抗堵塞、檢修維護量減輕，能夠充分保證系統設備的穩定運行，煙氣排放達標，社會和環保效益明顯。

5 結論

經過2 年多運行實踐證明，雙流體固定噴嘴通過在材料、霧化角度、噴嘴孔徑，以及工藝壓力調整的改進后，噴嘴損耗量減少184 套/a，節省石灰用量360 t/a，共計節約生產成本305 萬元/a，節能顯著。改進后噴嘴霧化效果良好，煙氣與石灰漿液混合均勻，反應更加充分，進一步降低了煙氣中酸性氣體的含量，環保效益十分明顯。改進后整套設備系統運行穩定，檢修人工成本明顯降低，能夠達到降本增效，環保超低排放的目的。改進取得了實質性成功，值得在行業內進行推廣。