生活垃圾焚燒發(fā)電廠全工藝煙氣凈化處理系統(tǒng)

孫艷紅，徐 源，王子琪

(1.中電國際新能源海南有限公司，海南 海口 571924；2.上海發(fā)電設備成套設計研究院有限責任公司，上海 200240)

0 引言

為加強海南省國際自貿(mào)島建設，促進海南省垃圾焚燒行業(yè)的環(huán)境管控和技術進步，海南省市場監(jiān)督管理局組織制定了海南省地方標準DB 46/484—2019《生活垃圾焚燒污染控制標準》，該地方標準比國家標準GB 18485—2014《生活垃圾焚燒污染控制標準》排放指標要求更嚴格，對海南省生活垃圾焚燒發(fā)電廠煙氣凈化工藝也提出了更高要求。因此，選擇適宜的煙氣凈化技術對生活垃圾焚燒發(fā)電廠十分關鍵。

1 全工藝煙氣凈化處理系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)簡介

海口市生活垃圾焚燒發(fā)電廠三期擴建項目處理能力為3×650 t/天，其煙氣凈化系統(tǒng)采取國內(nèi)領先的全工藝煙氣凈化處理技術，采用選擇性非催化還原(SNCR)、旋轉噴霧半干法、干法脫酸、活性炭噴射吸附、布袋除塵器、1號煙氣-煙氣換熱器(GGH)、濕法脫酸、蒸汽-煙氣換熱器(SGH)、選擇性催化還原(SCR)及2號GGH的組合工藝，反應劑為氨水和消石灰，吸附劑為活性炭。

該煙氣凈化處理系統(tǒng)主要由SNCR脫NOx系統(tǒng)、半干反應塔系統(tǒng)、石灰漿制備系統(tǒng)、消石灰儲存及噴射系統(tǒng)、活性炭儲存及噴射系統(tǒng)、袋式除塵器系統(tǒng)、飛灰輸送系統(tǒng)、飛灰穩(wěn)定化系統(tǒng)、濕式洗滌塔系統(tǒng)、GGH系統(tǒng)、SCR脫NOx系統(tǒng)、煙氣回流系統(tǒng)、引風機系統(tǒng)、煙氣管道、配電系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等組成。

1.2 工作原理

在全工藝煙氣凈化處理系統(tǒng)中，為了使煙氣中NOx的排放降至限值以下，采用選擇性非催化還原法(SNCR)工藝。選擇性非催化還原法脫除NOx技術是把含有NHx基的還原劑(如氨水)噴入爐膛溫度為850～1 000 ℃的區(qū)域，該還原劑迅速熱分解成NH3及其他副產(chǎn)品，隨后NH3與煙氣中的NOx進行SNCR反應生成N2。

從余熱鍋爐出來190～220 ℃的煙氣從半干反應塔頂部進入塔內(nèi)，同時配制好的石灰漿液經(jīng)高速旋轉的霧化器均勻噴入反應塔。石灰漿與熱煙氣流中的HCl，SOx，HF等酸性氣體發(fā)生反應。噴射的石灰漿液蒸發(fā)并將煙氣冷卻至150～160 ℃，同時生成干燥粉末狀反應物CaCl2，CaF2，CaSO3，CaSO4等。該冷卻過程還會使二噁英、呋喃和重金屬凝結，一部分反應生成物從反應塔底部灰斗排出，經(jīng)刮板機送入公用刮板輸送機，再經(jīng)斗提機和飛灰倉頂螺旋輸送機后進入飛灰儲倉，其余部分則隨煙氣離開半干反應塔。

在煙氣進入袋式除塵器前，直接向煙氣中噴射消石灰粉末和活性炭粉末。消石灰粉末與HCl，SOx等反應效果好，能有效去除煙氣中剩余的酸性氣體，而活性炭粉末能吸收煙氣中Hg等重金屬及二噁英、呋喃等污染物。

煙氣夾帶粉塵進入袋式除塵器后，煙氣中的酸性氣體繼續(xù)和消石灰反應，活性炭也繼續(xù)吸附煙氣中的重金屬、二噁英等。煙氣中的粉塵、凝結的重金屬、反應生成物、反應劑、吸附后的活性炭等各種顆粒附著在除塵器濾袋表面，經(jīng)壓縮空氣反吹排入除塵器灰斗，再經(jīng)除塵器刮板輸送機送入公用刮板輸送機，最后由斗提機及飛灰倉頂螺旋輸送機進入飛灰儲倉。

袋式除塵器出口溫度約150 ℃的煙氣從1號GGH下部原煙氣入口進入，經(jīng)過管程換熱后溫度降至約103.5 ℃，再從換熱器的下部原煙氣出口出來，進入到洗滌塔下半部煙氣入口并在塔內(nèi)向上運行。洗滌塔由下部的冷卻部和上部的吸收減濕部組成，冷卻液循環(huán)泵將塔底冷卻液送至冷卻部上方的噴嘴，向下噴入與逆流的煙氣充分接觸，將煙氣溫度從103.5 ℃逐漸降低其飽和溫度65～67 ℃(減濕部)。20 %的燒堿溶液通過燒堿輸送泵輸送至冷卻液循環(huán)管道中，將冷卻液的pH值維持在6左右。在此過程中，燒堿溶液與煙氣中的HCl，SO2等部分酸性氣體反應，生成NaCl，NaF，Na2SO3，Na2SO4等鹽類。另外，為使冷卻液中鹽的濃度保持在4 %，在冷卻液循環(huán)管道上設置了鹽濃度指示報警器，以便及時調(diào)整濕式洗滌塔底部出口的冷卻液排出量。

煙氣經(jīng)洗滌塔冷卻部冷卻和吸收后進入洗滌塔上部的吸收減濕部。從減濕液水箱來的減濕水由減濕水循環(huán)泵經(jīng)熱交換器降溫后，輸送至吸收減濕部上方噴嘴向下噴入，均勻地經(jīng)過填料床與煙氣充分接觸后，再回到減濕水槽形成循環(huán)。加入燒堿溶液可將減濕水pH值維持在7左右。在吸收減濕部，煙氣溫度進一步下降，煙氣含水量隨之降低。這樣可在減少煙囪冒“白煙”的同時，借助低溫有利于堿液對酸性氣體吸收的特點，使煙氣中的酸性氣體含量進一步降低。凈化后約63 ℃的煙氣經(jīng)塔頂除霧器進入煙氣換熱器殼程，加熱至約112 ℃。

煙氣經(jīng)1號GGH加熱后進入2號GGH，加熱至150 ℃，再經(jīng)SGH加熱到180 ℃后進入SCR反應塔。煙氣中的NOx在低溫催化劑作用下與NH3反應，凈化后的煙氣經(jīng)2號GGH換熱升溫后通過引風機排入大氣。

1.3 系統(tǒng)特點

(1) 設置有防止煙囪冒“白煙”的監(jiān)測功能。

(2) 采用煙氣再循環(huán)系統(tǒng)。為降低焚燒爐出口煙氣中的NOx濃度，通過煙氣再循環(huán)系統(tǒng)從布袋除塵器出口引入部分煙氣，回流至焚燒爐注入，降低煙氣的氧含量，減少NOx生成。為此，設置3條煙氣凈化線，與3條焚燒線對應。消石灰、活性炭噴射系統(tǒng)、氫氧化鈉溶液制備系統(tǒng)等公共設施的設置能滿足3條煙氣凈化線的要求。

(3) 多點在線監(jiān)測控制。煙氣脫酸、除塵系統(tǒng)中各種藥劑和冷卻水流量分別由袋式除塵器出口煙氣在線分析儀、半干反應塔出口溫度測點進行控制。

(4) 飛灰輸送、儲存與排出控制。飛灰輸送及儲存系統(tǒng)的飛灰部分由反應塔底部灰斗排出，其余由除塵器灰斗排出，經(jīng)輸送機送入公用刮板輸送機，由斗提機及飛灰倉頂螺旋輸送機進入飛灰儲倉。

(5) 飛灰穩(wěn)定化工藝提升。飛灰穩(wěn)定化系統(tǒng)選用“飛灰+螯合劑+水”的飛灰穩(wěn)定化工藝，技術成熟、工藝簡單、成本較低，飛灰穩(wěn)定化后性質(zhì)穩(wěn)定，完全能滿足國家標準GB 16889—2008《生活垃圾填埋場污染控制標準》的要求，可進入生活垃圾填埋場填埋。

(6) 鍋爐煙氣量、粉塵及污染物濃度作為額定工況進行設備設計和選型。計算脫酸設備的煙氣量時，總體要求排煙溫度在190～220 ℃波動時必須保證設備正常運行，污染物排放符合海南省地方標準，每條焚燒線各有一套獨立完整的煙氣處理系統(tǒng)，且各系統(tǒng)的運行互不影響，同時在煙氣凈化部分發(fā)生設備故障時，不得影響焚燒線正常運行。

(7) 采用先進的DCS控制系統(tǒng)。工程范圍內(nèi)所有監(jiān)控對象全部納入全廠DCS系統(tǒng)監(jiān)控。

2 主要分系統(tǒng)設計要求

2.1 SNCR系統(tǒng)

SNCR系統(tǒng)主要包括氨水溶液儲存系統(tǒng)、氨水溶液稀釋系統(tǒng)和噴射系統(tǒng)，其中氨水溶液儲存系統(tǒng)用于氨水儲存，然后根據(jù)鍋爐運行情況和NOx排放情況，由輸送泵及在線稀釋系統(tǒng)稀釋成所需的濃度后送入噴射系統(tǒng)，由噴射系統(tǒng)實現(xiàn)各噴射單元的氨水溶液分配、霧化和計量。該系統(tǒng)設計時應特別關注以下幾個方面。

(1) 為了提高脫NOx的效率并實現(xiàn)NH3泄漏最小化，應滿足以下3個條件。

① 氨水溶液噴入的位置無火焰。

② 反應區(qū)域維持合適的溫度(850～1 000 ℃)。

③ 反應區(qū)域達到50 % (可調(diào))脫硝效果的停留時間(0.8 s，900 ℃)。

(2) SNCR系統(tǒng)應根據(jù)NOx和氨逃逸的設定值全自動調(diào)節(jié)噴量來滿足排放要求。氨逃逸值小于8 mg/m3(11 % O2含量，干煙氣)。

(3) 氨水溶液噴嘴應選擇耐腐蝕、耐高溫、霧化性能優(yōu)異的產(chǎn)品，具有根據(jù)氨水溶液噴霧運行/停止或爐內(nèi)溫度連鎖而實現(xiàn)插拔的功能。

2.2 石灰漿制備系統(tǒng)

石灰漿制備系統(tǒng)包括石灰儲倉、石灰定量給料機、石灰漿制備槽、石灰漿儲漿罐、石灰漿泵及連接各設備的管道、閥門和清洗設施等。該系統(tǒng)設計時應特別關注以下幾個方面。

(1) 制漿罐入口水管設流量指示及控制；儲漿罐設液位指示和低位報警；石灰漿泵出口管路設壓力指示；噴霧反應器入口管路設流量指示和調(diào)節(jié)，流量根據(jù)煙氣分析儀中HCl，SO2含量自動調(diào)節(jié)。

(2) 石灰漿溶液管道接頭應采用法蘭或其他機械連接，設清掃口或反沖洗接口；管道設置必要的控制閥門和測量儀表。

(3) 考慮石灰漿管路堵塞時的影響，應設置過負荷電流保護裝置以及防止石灰漿管路發(fā)生堵塞和固著的設施。

2.3 脫酸反應塔系統(tǒng)

脫酸反應塔系統(tǒng)采用半干式反應塔，旋轉霧化器位于噴霧反應器上部，從石灰漿配制系統(tǒng)來的石灰漿進入旋轉霧化器，被霧化成平均約50 μm的微小液滴，該液滴與呈螺旋狀向下運動的煙氣形成順流，并被巨大的煙氣流裹帶著向下運動，在此過程中，石灰漿與煙氣中的HCl，HF，SO2等酸性氣體充分接觸并發(fā)生中和反應。該系統(tǒng)設計時應特別關注以下幾個方面。

(1) 設計反應塔時考慮煙氣在反應塔中有足夠的滯留時間，保證出口煙氣中的固態(tài)顆粒完全干燥、不貼壁。

(2) 灰斗出口配置破碎機及星型卸灰閥，下連刮板機，保證飛灰正常排出；灰斗應有足夠的傾角(≥60°)以獲得較好的流動性，應設置人孔、料位控制和防堵設施。為防止灰和鹽結塊，灰斗需設置電伴熱，且應確保伴熱設施能使錐體溫度不低于110 ℃。

2.4 活性炭儲存與噴射系統(tǒng)

為了更好地去除垃圾焚燒過程中產(chǎn)生的重金屬及二噁英，通過向半干式反應塔與除塵器之間的煙氣管道內(nèi)噴入活性炭，吸附重金屬及二噁英以保證二者排放濃度達到項目排放指標。該系統(tǒng)設計時應特別關注以下兩個方面。

(1) 貯倉底部均設有貯倉破拱裝置，以防止物料搭橋。

(2) 為防止管路堵塞，給料機應設定只有在噴射風機運轉后才能啟動(或提前停止)的啟停吹掃管路聯(lián)鎖程序；應制定防止活性炭管路發(fā)生堵塞和固著的對策，設置管路過負荷保護裝置及壓力表以判斷管道堵塞情況。

2.5 SCR脫硝系統(tǒng)

SCR反應器系統(tǒng)布置在濕法洗滌塔出口1號GGH之后、引風機之前，需脫硝的煙氣經(jīng)1號GGH，2號GGH加熱至150 ℃后，進入SGH進行加熱，使其溫度達到180 ℃，再進入SCR反應器以確保其能與催化劑的使用溫度窗口相吻合。該系統(tǒng)設計和運行應關注以下幾個方面。

(1) SCR反應器入口煙氣均布裝置宜進行CFD模擬，確保氣流分布均勻，避免局部沖刷催化劑影響效率及催化劑壽命。

(2) 脫硝效率隨NSR升高而增大，但影響有限；NSR實測值遠大于理論值，約為后者的10倍。過量氨噴射不會造成氨逃逸量顯著增大，但富余的氨最終將以溶液形式占據(jù)活性位而降低催化劑性能。

(3) 催化劑選型、用量應考慮氨逃逸的設計值，部分地區(qū)對此有所限制，如北京強制性規(guī)定氨逃逸排放限值為2.5 mg/m3，在未做出強制性排放要求的地區(qū)，可參考行業(yè)標準DL/T 1967—2019《垃圾發(fā)電站煙氣凈化系統(tǒng)技術規(guī)范》，選擇5 mg/m3的逃逸值進行設計。

(4) 在低溫環(huán)境下，通過增加催化劑供應量來保證脫硝效率和延長使用壽命是一種可行的方法。

(5) 在擋板門的選型和設計時，一定要確保其性能；在SCR系統(tǒng)運行和切換時，一定要避免長時間切換至旁路運行以防止SCR反應器內(nèi)腐蝕。

3 全工藝煙氣凈化處理系統(tǒng)應用效果

海口市生活垃圾焚燒發(fā)電廠三期擴建項目煙氣凈化系統(tǒng)已投運一年，煙氣凈化系統(tǒng)運行正常。該項目煙氣排放值與國標及海南省地標排放對照情況可參考表1。

從表1中可看出，該項目采用的煙氣凈化處理系統(tǒng)效果良好，HCl，CO，NOx等煙氣排放環(huán)保指標明顯優(yōu)于國家標準GB 18485—2014及海南省地方標準DB 46/484—2019，處于國內(nèi)領先水平。

表1 煙氣排放值與標準值 單位：mg/m3

4 結束語

結合海口市生活生活垃圾焚燒發(fā)電廠三期擴建項目系統(tǒng)投運一年后的應用效果來看，采用全工藝煙氣凈化處理系統(tǒng)后，相關煙氣排放環(huán)保指標明顯優(yōu)于相關國家標準和地方標準，滿足了海南省對于垃圾焚燒、環(huán)境管控和技術進步要求。