一種流化床式半干法工藝的介紹

塵冠宏

（中國城市建設研究院有限公司，北京 100120）

0 引言

隨著我國經濟發展和基礎設施建設規模的擴大，國內垃圾焚燒廠數量正在快速增加。“十三五”期間，全國城鎮生活垃圾基本實現無害化處理。根據“十四五”規劃要求，到2025年底，城市生活垃圾焚燒處理能力占比65%左右。垃圾焚燒發電將成為未來生活垃圾焚燒的主要處理方式[1]。因此不少省市出臺了更為嚴格的地方標準來限制污染物排放濃度。

在這種發展趨勢和大環境下，新的垃圾焚燒廠設備需要滿足更高的排放標準，而舊的垃圾焚燒廠也需要進行升級改造，因此，必須開發并應用更多的煙氣凈化技術和設備。根據實際市場需求，高效節能便是其中的一項重要指標。

本文分析一種國外使用的流化床式半干法設備工藝，它在滿足更為嚴格的歐盟標準的同時，也具有節能的優點。

1 流化床式半干法工藝原理及流程

這種半干法工藝采用了循環流化床原理：煙氣從鍋爐出口出來后，未脫酸的煙氣通過反應塔底部的文丘里管加速，與一次噴入的脫酸劑、從布袋除塵器下循環過來的混合灰從該反應塔的下端一同進入反應塔，隨后在其中發生化學反應。

在循環流化床中，煙氣和其他反應物作為氣固兩相，由于反應塔形成湍流，使煙氣與其他固相反應物在反應塔上升的過程中不斷反應、混合形成絮狀的反應生成物，再向下返回。而湍流流場將下降中的絮狀物不斷分解為小顆粒，顆粒因重量減輕而提升，形成類似循環流化床鍋爐所特有的內循環顆粒流，流化床的床層顆粒濃度得到提升，反應時間也相較舊式半干法有很大延長，可極大地提升反應物的效率[1]。

此外，設備內還在反應塔煙道出口擴管段設一套噴霧裝置，噴射水霧不僅可以將煙氣溫度調節至合適溫度，還可以通過此手段使得煙氣中酸性氣體與脫酸劑（氫氧化鈣）的反應轉化為離子型反應。脫酸劑、循環混合灰在塔內進行第二步的充分反應。

反應過后的固體反應物和未反應完全的脫酸劑和活性炭將會隨著煙氣進入布袋除塵器，被布袋除塵器攔下，并在其表面進行再次反應。布袋除塵器下端收集到的固體殘留物，將從反應塔下側進入，重新跟隨煙氣在反應塔內進行二次反應，力求實現反應劑效率最大化。最終，多余的部分固體殘留物將作為飛灰進行穩定化處理和填埋。

這種流化床式半干法工藝的設備和煙氣、脫酸劑、活性炭等物質的反應流程如圖1所示。

圖1 脫酸劑為熟石灰的流化床式半干法流程

2 流化床式半干法工藝的優點

相較于傳統的半干法，流化床式半干法有以下3個優點。

（1）與傳統石灰漿半干式反應塔相比，流化床式半干法的反應物利用率高。反應塔內的降溫水不僅可以在反應塔內將煙氣溫度調節至145℃左右[2]，提高脫酸劑的利用效率，還能在固體殘余物循環進入反應塔時，重新激活再循環的殘留物，從而進一步優化整體的反應效率。未反應完全的試劑被多次使用，從而最大限度地減少資源消耗[2]。

（2）該系統在污染物檢測和加藥控制系統下，可以最大限度地保證這種系統的低排放、低物料消耗和減少固體殘留物（飛灰產生量），且該過程中不會產生廢水，水耗低，能耗低，無須采購廢水處理裝置。

（3）這種半干法原理十分簡單，操作簡單，且容易壓縮體積，實際安裝后所占空間不大。因此，這種套設備基礎設施成本偏低，后續運行過程中也沒有過高的設備維護要求，經濟價值高，適合改造。

但相較于傳統反應塔，流化床式反應塔內對于反應溫度的控制更加嚴格，溫度過低時會產生物料粘壁，甚至運輸管堵塞等現象，對流化床式半干法的設備帶來的影響明顯更大。因此排煙溫度需要始終高于露點溫度20℃[3]。

3 工程實例介紹

下文介紹兩個國內外的運行中的工廠案例進一步驗證流化床式半干法的可行性。

（1）國內案例為2018年上海寶鋼股份電廠350 MW燃氣鍋爐的煙氣凈化工藝改造項目。

雖然該工廠并不是垃圾焚燒工廠，但為滿足排放要求，改造后使用了流化床式半干法工藝，因此具有很高的參考性。該項目于2018年10月開始實施改造，并于2019年8月順利投運，雖然改造條件要求較高，但運行穩定至今。

該工廠的煙氣反應線路如圖2所示。

圖2 煙氣反應線路

由圖2可知，該工廠脫酸工藝改造后只采用了流化床式半干法的一級脫酸，而一般情況下，為滿足高排放標準，一級脫酸（半干法或干法）很難使煙氣數據達標。但此項目實際運行數據表明，原煙氣經過一級脫酸后出口煙氣中SO2濃度可降低至5.4 mg/m3，各項性能指標均滿足設計要求（SO2濃度小于等于30 mg/m3）。

作為一個燃氣鍋爐改造項目，它的鍋爐出口硫污染物質量濃度較低，其燃氣鍋爐項目和垃圾焚燒廠項目的鍋爐出口硫化物濃度如表1所示。

表1 燃氣鍋爐項目和垃圾焚燒廠項目的鍋爐出口硫化物濃度

從表1中可看出，燃氣鍋爐出口濃度穩定低于200 mg/Nm3，但垃圾焚燒鍋爐出口濃度波動較大，從數據上看，該工藝滿足了燃氣鍋爐的改造要求，但不一定能滿足未來垃圾焚燒發電廠改造項目的排放標準。

但作為一個改建項目，它滿足了燃氣鍋爐需要考慮的負荷事實變動大的要求。在實際改造中也體現了其改造、運行成本低、穩定性高的巨大優點。

目前國內流化床式半干法反應塔多應用于焦爐煙氣，由于焦爐煙氣的硫化物污染物濃度明顯低于垃圾焚燒工廠污染物濃度，因此，不建設在煙氣中硫含量高且排放要求嚴格的地區采用[4]。

但流化床式半干法反應塔并不是不能應用于垃圾焚燒廠，近些年來國外陸續有項目使用該流化床式半干法，并已穩定運行至今。

（2）國外使用流化床式半干法的垃圾焚燒廠工程案例分析如下。

英國諾廷萊的Ferrybridge Multifuel 2垃圾焚燒廠于2019年開始運營，共配置兩條生產線，年處理量為566 000 t，熱值為8.5～16.5 MJ/kg，每年向外供應電力，總輸出功率為79.19 MW。煙氣凈化采用“SNCR+流化床式半干法+活性炭噴射+布袋除塵器”的工藝。Ferrybridge Multifuel 2垃圾焚燒廠煙氣處理工藝流程如圖3所示。

圖3 Ferrybridge Multifuel 2垃圾焚燒廠煙氣處理工藝流程

煙氣從鍋爐出口出來后進入流化床式半干法反應塔進行脫酸，反應介質為氫氧化鈣干粉，同時噴入冷卻水水霧將煙氣溫度降低至145℃左右。

在反應塔內進行酸堿中和的同時，噴入活性炭去除煙氣的重金屬與二噁英，之后煙氣混雜著氫氧化鈣、活性炭和酸堿中和反應物進入布袋除塵器，并在布袋除塵器中被攔下，進入除塵器下的固體殘留物收集器。

固體殘留物中的一部分通過反應塔和除塵器下的運輸設備重新進入反應塔，并在冷卻水的噴淋下再次與煙氣中的酸性物質反應，未進入反應塔的殘留物運至飛灰穩定化處理。本過程中不產生廢水，且與傳統的半干法工藝相比較，需要穩定化處理的飛灰量也有所減少[5]。

凈化后的煙氣通過煙囪高空排放。Ferrybridge Multifuel 2垃圾焚燒廠如圖4所示。

圖4 Ferrybridge Multifuel 2垃圾焚燒廠

英國作為歐洲國家，該項目為2019年開始運營，該垃圾焚燒工廠中硫化物污染物排放按照歐盟標準，其與我國排放標準的對比如表2所示。

表2 歐盟硫化物污染物排放標準與我國排放標準的對比

英國的Ferrybridge Multifuel 2垃圾焚燒工廠僅使用了一級脫酸（流化床式半干法脫酸）即可滿足歐盟標準的要求，且穩定運行至今。歐洲在2019年又頒布了新的BAT 2019污染物排放標準，其中將已建成的舊廠硫化物排放標準要求定為3～40 mg/Nm3，本項目依然滿足新標準的各項要求，證明了這種工藝在垃圾焚燒廠中的可行性和高效性。

4 結語

流化床式半干法脫酸工藝具有節能、節水的優點，并且由于其簡單的設備組成和并不復雜的機械結構，因此建造與運營成本都很低。

隨著經濟發展，人們對環境衛生的要求逐步提升，各地對于煙氣排放施行了更高要求的標準，在此背景下，高效節能的脫酸工藝將會廣泛地應用到生活垃圾焚燒處理中。除了生活垃圾焚燒項目，還有很多煙氣排放項目需要通過改造來滿足新的地方排放標準，因此，需要有針對性地采用高效、低成本且操作簡單穩定的新工藝。本文介紹了一種適用于垃圾焚燒等煙氣排放項目的流化床式半干法，希望能為將來國內垃圾焚燒廠脫酸工藝的選擇與改造提供一種參考。