廣州環(huán)投南沙環(huán)保能源有限公司 付振華 楊元松

關(guān)鍵字：焚燒；氯化氫；半干法脫酸；影響因素

近些年來，我國很多城市開始采用焚燒發(fā)電的方式來處理生活垃圾，該方式具有減量化明顯、無害化徹底和資源化利用的優(yōu)勢，成為了很多城市解決垃圾圍城困局的主要手段之一。據(jù)統(tǒng)計(jì)，截止2020年6月我國內(nèi)地建成并投入運(yùn)營的生活垃圾焚燒發(fā)電廠約450座，按照“十三五”規(guī)劃，到2020年底，大多數(shù)直轄市、計(jì)劃單列市和省會城市要實(shí)現(xiàn)原生垃圾“零填埋”，設(shè)市城市生活垃圾焚燒處理能力占無害化處理總能力的50%以上[1]，與此同時(shí)，焚燒產(chǎn)生的二次污染問題也日益受到人們的廣泛關(guān)注。

氯化氫是垃圾焚燒爐排放的大氣污染物之一。排入大氣中的氯化氫與水蒸氣相遇，極易生成白色的鹽酸霧，對人體和植物具有很強(qiáng)的刺激性和腐蝕性，甚至引發(fā)嚴(yán)重的呼吸道疾病，并且氯化氫對焚燒爐的焚燒設(shè)備本體有著很強(qiáng)的腐蝕作用[2]。我國最新頒布的焚燒電廠氯化氫污染物排放限值小時(shí)均值為60mg/m3[3]，目前比較成熟的脫除氯化氫技術(shù)有濕法、半干法和干法等，現(xiàn)有焚燒發(fā)電廠多數(shù)采用半干法脫酸反應(yīng)塔來降低氯化氫的排放。隨著國家環(huán)保督察和環(huán)保排放的日益嚴(yán)格，尋求更有效的控制方式，實(shí)現(xiàn)污染物超低排放，同時(shí)降低企業(yè)運(yùn)營成本，成為了很多企業(yè)面臨的新難題。

1 實(shí)驗(yàn)裝置與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

以廣州某垃圾焚燒發(fā)電廠一臺焚燒爐為實(shí)驗(yàn)對象，該焚燒爐型號為SLC750-63.3-4.0/400，日均處理生活垃圾750噸，鍋爐額定負(fù)荷為63.3t/h，為自然循環(huán)中溫中壓余熱鍋爐，爐排采用四級傾斜順推式，采用室內(nèi)布置，微負(fù)壓運(yùn)行。垃圾在爐排上燃燒后產(chǎn)生的煙氣依次通過余熱爐豎直第一通道、U 型第二、第三通道、水平第四通道、省煤器、再進(jìn)入尾部煙氣處理系統(tǒng)。其中煙氣處理系統(tǒng)包括SNCR、脫酸反應(yīng)塔、干法混合器和布袋除塵器，凈化后的煙氣經(jīng)過CEMS 檢測后排向大氣。其煙氣處理工藝流程示意圖如下圖1。

圖1 煙氣處理工藝流程示意圖

本系統(tǒng)半干法脫酸系統(tǒng)為高速旋轉(zhuǎn)噴霧反應(yīng)塔，石灰漿制備系統(tǒng)將配制完成的石灰漿由輸送管線送至半干反應(yīng)塔，石灰漿由反應(yīng)塔頂部的高速旋轉(zhuǎn)霧化器霧化后，與含有氯化氫等酸性氣體的熱煙氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，脫除酸性物質(zhì)。其反應(yīng)的主要化學(xué)式為：Ca（OH）2+2HCl=CaCl2+2H2O

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

石灰漿制備系統(tǒng)可以生產(chǎn)出不同濃度的石灰漿，濃度由PLC 順控控制，該脫酸反應(yīng)塔配備有雙流體噴槍，即帶有壓縮霧化的減溫水，出口配有干法混合器，在霧化器異常情況下配合實(shí)現(xiàn)酸性污染物的短時(shí)控制。

實(shí)驗(yàn)中采取單一變量法來測試不同反應(yīng)條件下脫除氯化氫的效果，主要影響因素包括化學(xué)摩爾比、反應(yīng)溫度、煙氣氧量、鍋爐負(fù)荷等。實(shí)驗(yàn)中通過調(diào)控石灰漿液濃度，來改變反應(yīng)的化學(xué)摩爾比（α），通過雙流體來調(diào)節(jié)反應(yīng)塔反應(yīng)溫度（T），通過調(diào)整風(fēng)機(jī)頻率和風(fēng)門擋板開度來調(diào)整煙氣氧量（SR），通過調(diào)整燃燒工況來改變鍋爐負(fù)荷D，并測試不同工況下的脫除氯化氫效果。煙氣成分?jǐn)?shù)據(jù)通過CEMS 檢測系統(tǒng)測得，并通過計(jì)算程序折算成O2含量為11%的標(biāo)況數(shù)據(jù)。

2 結(jié)果與討論

2.1 化學(xué)摩爾比對脫除效果的影響

由于焚燒爐煙氣中氯化氫氣體的濃度是經(jīng)常變化的，其大小主要受垃圾成分的影響，其初始濃度很難確保穩(wěn)定。實(shí)際運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)，廣州的垃圾焚燒發(fā)電廠氯化氫的初始排放濃度一般為80mg/m3～200mg/m3，本次實(shí)驗(yàn)中分別取初始濃度100mg/m3、140mg/m3和180mg/m3三個(gè)值，其反應(yīng)溫度及負(fù)荷均控制在日常運(yùn)行規(guī)范內(nèi)。圖2是反應(yīng)的不同化學(xué)摩爾比對氯化氫脫除效果的影響。

摩爾比在化學(xué)反應(yīng)中是一個(gè)很重要的指標(biāo)，對于氫氧化鈣和氯化氫的反應(yīng)摩爾比來說，摩爾比過小，氯化氫的脫除效達(dá)不到排放要求，而摩爾比過大，不僅增加了物料的浪費(fèi)，其反應(yīng)產(chǎn)物也需要進(jìn)行填埋處置，相應(yīng)的運(yùn)行成本也會增加不少。從圖2中可以看出，隨著化學(xué)摩爾比α 的增加，氯化氫的排放值不斷降低，脫除效率不斷升高，隨著α 增大到4以后，氯化氫的排放值基本能夠降低到60mg/m3以下的國家排放標(biāo)準(zhǔn)，而隨著α 增大到6以后，氯化氫的脫除效果曲線下降變得很平緩，反應(yīng)效率增加不明顯，這與深圳垃圾焚燒的實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)較為一致[4]，因此在實(shí)際運(yùn)行中控制α在5～6左右，就可以取得很好的脫除效果，基本能夠?qū)崿F(xiàn)20mg/m3以下的超低排放，明顯優(yōu)于國家排放標(biāo)準(zhǔn)。

圖2 不同化學(xué)摩爾比對氯化氫去除效果影響

2.2 反應(yīng)溫度對脫除效果的影響

此次試驗(yàn)中保持反應(yīng)塔入口煙溫恒定，分別取230℃和205℃，α 選擇5左右，通過調(diào)節(jié)雙流體的流量來調(diào)節(jié)反應(yīng)溫度，并以反應(yīng)塔出口煙溫作為溫度指標(biāo)，圖3是反應(yīng)塔出口不同煙溫工況下氯化氫的排放值。

圖3 不同反應(yīng)溫度對氯化氫去除效果的影響

從圖中可以看出，隨著反應(yīng)塔出口煙溫的升高，氯化氫的排放監(jiān)測值也相應(yīng)的增高，說明反應(yīng)溫度的升高不利于氯化氫的脫除。出口煙溫從140℃逐漸升高到165℃，氯化氫的排放值依然在國標(biāo)值以下，但當(dāng)出口煙溫超過170℃，其瞬時(shí)值就有可能超過國標(biāo)值。并且在相同出口煙溫的工況下，入口煙溫230℃的排放數(shù)據(jù)逐漸高于205℃的工況，說明在實(shí)際運(yùn)行中盡量要把入口煙溫和出口煙溫控制的低一些，但為了避免布袋除塵器糊袋和反應(yīng)塔出濕灰，一般應(yīng)控制反應(yīng)塔出口煙溫在150℃以上。

2.3 煙氣氧量對脫除效果影響

煙氣氧量主要反映爐內(nèi)燃料的燃燒情況。實(shí)際運(yùn)行時(shí)，為了保證垃圾得到充分燃燒，避免出現(xiàn)未燃盡的生料，一般要求控制省煤器出口的氧量在6%～10%之間。本次實(shí)驗(yàn)主要通過調(diào)整一、二次風(fēng)機(jī)頻率和風(fēng)門開度來改變?nèi)紵齾^(qū)域的氧量供應(yīng)，并通過省煤器出口的氧量不同測量值，來觀察反應(yīng)塔出口氯化氫的排放值。實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖4所示。

圖4 不同出口氧量對氯化氫去除效果的影響

在對廣州生活垃圾的模化研究中發(fā)現(xiàn)，垃圾焚燒過程中煙氣中的氯化氫主要來源為垃圾中有機(jī)氯化物含氯取代基在燃燒脫除出來的，隨著溫度的升高，氯向氯化氫轉(zhuǎn)化呈現(xiàn)線性增加，氯的轉(zhuǎn)化率也越高[5]。實(shí)驗(yàn)中證明，HCl 的析出能力會隨著含氧量的增加而增加[6]。從圖4中可以看出，隨著氧量從2%逐漸增到10%，HCl 排放整體呈現(xiàn)上升的趨勢，并且在8%以后出現(xiàn)拐點(diǎn)，排放量趨于穩(wěn)定或者有所下降，分析拐點(diǎn)原因?yàn)榭諝獾拇罅拷o入，導(dǎo)致燃燒中心火焰不穩(wěn)定，在一定程度上抑制了燃燒的發(fā)生。實(shí)際運(yùn)行中，氧量過低，會造成燃燒不充分，可能造成CO 排放超標(biāo)，長期還會造成爐膛水冷壁的結(jié)焦，嚴(yán)重時(shí)出現(xiàn)爆管故障；氧量太高，雖然會在一定程度上抑制HCl 的產(chǎn)生，但會增加能耗，同時(shí)對爐溫的影響較大，可能出現(xiàn)低于850℃的工況，嚴(yán)重的還會觸發(fā)國家環(huán)保監(jiān)管平臺的督辦核查。綜合考慮，一般控制爐膛出口氧量在4%～7%，可以較好的控制HCl 的產(chǎn)生和脫除。

2.4 鍋爐負(fù)荷對脫除效果的影響

垃圾焚燒爐由于其燃料成分的多變性，鍋爐負(fù)荷很難在較長時(shí)間內(nèi)保持穩(wěn)定，污染物的排放也會出現(xiàn)劇烈波動，如調(diào)整不及時(shí)，極易出現(xiàn)環(huán)保事故，因此研究負(fù)荷變化對脫除氯化氫效果的影響，做到提前研判，對于焚燒爐實(shí)際運(yùn)行有著重要的意義。在燃燒相對穩(wěn)定的前提下，逐漸調(diào)整鍋爐負(fù)荷，測定不同負(fù)荷下氯化氫的脫除排放值。

從圖5可以看出，在石灰漿流量不變的情況下，隨著鍋爐負(fù)荷的升高，氯化氫脫除后的排放值也是升高的。負(fù)荷從55t/h 升到65t/h，排放值依然在國標(biāo)限值范圍內(nèi)，超過65t/h 之后，排放值有明顯的上升，在未調(diào)整漿流量等因素的前提下，排放量已經(jīng)很難控制在國標(biāo)限值范圍內(nèi)了。特別是現(xiàn)在城市生活垃圾的熱值逐年上升，很難按照當(dāng)初設(shè)計(jì)量來完成焚燒任務(wù)，在一定程度上降低了焚燒廠的經(jīng)濟(jì)收入。企業(yè)在實(shí)際運(yùn)行中為了提高垃圾的處理量，增加發(fā)電量和售電量，經(jīng)常讓鍋爐處于超負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)，這對鍋爐的安全穩(wěn)定運(yùn)行是不利的。在實(shí)際運(yùn)行中，控制鍋爐負(fù)荷在58t/h～65t/h 之間，即額定負(fù)荷的90%～103%之間，既能實(shí)現(xiàn)鍋爐熱負(fù)荷率保持經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定運(yùn)行，又能讓氯化氫污染物的排放值在監(jiān)管范圍以下。

圖5 不同鍋爐負(fù)荷對氯化氫去除效果的影響

3 結(jié)語

隨著反應(yīng)化學(xué)摩爾比α 的增加，氯化氫的排放值不斷降低，在實(shí)際運(yùn)行中控制α 在5～6左右，就可以取得很好的脫除效果，基本能夠?qū)崿F(xiàn)20mg/m3以下的超低排放，明顯優(yōu)于國家排放標(biāo)準(zhǔn)。

氯化氫的排放值隨著反應(yīng)煙溫的升高而增加，在實(shí)際運(yùn)行中控制反應(yīng)塔出口煙溫在150℃～165℃之間，氯化氫的脫除效果比較好。

隨著煙氣氧量的增加，HCl 排放整體呈現(xiàn)上升的趨勢，在實(shí)際運(yùn)行中，一般控制煙氣氧量在4%～7%，可以較好的控制HCl 的產(chǎn)生和脫除，爐溫及其它污染物排放也較為穩(wěn)定。

在實(shí)際運(yùn)行中，控制鍋爐負(fù)荷在58t/h～65t/h之間，即額定負(fù)荷的90%～103%之間，既有利于鍋爐的安全穩(wěn)定運(yùn)行，又能保證經(jīng)濟(jì)效益，污染物的排放值也在監(jiān)管范圍以下。