發(fā)電廠煙氣凈化系統(tǒng)工藝和設(shè)備優(yōu)化的探索

周建富 ，李海英

（1.華北理工大學(xué)冶金與能源學(xué)院，河北唐山 063000；2.光大環(huán)保能源（蘇州）有限公司，江蘇蘇州 215101）

引言

20世紀(jì)90年代以來，隨著人們對垃圾焚燒廢氣中的有害物質(zhì)，特別是二惡英給人體造成危害的進一步認(rèn)識，各國開始致力于焚燒廢氣排放控制及污染治理研究，2010年中國垃圾焚燒爐約為300臺，到2017年已經(jīng)超過1000臺，垃圾焚燒爐增速較快，中國市場成為垃圾焚燒爐市場的重要推動力量，垃圾焚燒的煙氣凈化處理也是各垃圾焚燒行業(yè)共同研究探索的問題。

1 典型工藝概述

1.1 流程簡述

垃圾在焚燒爐中燃燒，焚燒爐部分由進料系統(tǒng)、爐排、燃燒系統(tǒng)、落灰輸送系統(tǒng)等組成。焚燒產(chǎn)生的煙氣開始進入余熱鍋爐部分，余熱鍋爐由一級煙道、二級煙道的水冷壁部分以及三級、四級煙道的過熱器、省煤器部分組成。經(jīng)過余熱鍋爐的煙氣進入脫酸反應(yīng)塔，經(jīng)過脫酸處理后進入布袋除塵器，最后的煙氣經(jīng)引風(fēng)機隨煙囪排出。如圖1所示。

1.2 垃圾焚燒產(chǎn)物成分

生活垃圾焚燒煙氣的主要成分是N2、O2、CO2和H2O，還包括其他一些污染物，如：

（1）SOx、NOx、HCL、HF、H2S等酸性氣體污染物；（2）惰性物質(zhì)、無燃燒物質(zhì)、粉塵等顆粒物；

（3）鋅、鉛、錳、鉻、汞、鎘、砷、鈦等殘留重金屬物質(zhì)；

（4）殘余有機物，包括未完全燃燒有機物與反應(yīng)生成物，如二惡英類。

1.3 煙氣凈化采用的控制工藝

為防止垃圾焚燒產(chǎn)生的污染物對環(huán)境造成二次污染，采用的典型控制工藝為：SNCR脫硝+半干法脫酸+干法+活性炭脫重金屬及二惡英+布袋除塵+煙氣排放。

圖1 垃圾焚燒工藝流程

2 煙氣脫硝系統(tǒng)的工藝和設(shè)備優(yōu)化探索

2.1 工藝流程

濃度為25%的氨水注入脫硝槍的噴槍管內(nèi)，在注入過程中按比例2:1配置除鹽水稀釋溶液，混合液進入脫硝槍管后，在槍管外有套管，接壓縮空氣側(cè)，在槍最末端，經(jīng)壓縮空氣吹入爐膛內(nèi)部形成霧化進入爐膛與煙氣混合反應(yīng)。如圖2示意。

圖2 煙氣脫硝系統(tǒng)工藝流程

2.2 脫硝槍布置和噴口方向的優(yōu)化

2.2.1 脫硝槍位置布置優(yōu)化

脫硝機理，在煙氣溫度850～1100℃，在O2共存的條件下，向爐膛中直接加入氨液（NH3）或是尿素（（NH2）2CO）等脫硝劑，將氮氧化物還原成為氮氣與水。經(jīng)過實際摸索，溫度場在850～950℃脫硝效果最佳，此時在達到排放合格的同時，氨水流量最低?；诖耍攸c對運行鍋爐的溫度場進行摸索，鍋爐最初設(shè)計爐膛出口煙溫858℃，因此設(shè)計的脫硝槍位置設(shè)置接近爐膛喉口處，而實際垃圾的熱值比理論計算值要高，實際運行中，爐膛出口溫度達到了1120℃，遠高于設(shè)計的850℃，因此原設(shè)計的脫硝槍位置在較高的溫度場下，如圖1中脫硝槍1的位置，不利于節(jié)省消耗。

基于此問題，我們重新測量了溫度場區(qū)間，在側(cè)墻兩邊上方2.5 m位置處，重新增加了脫硝槍管，將脫硝槍位置更改為圖1所示的脫硝槍2位置，該溫度場更接近于效率最高的950℃溫度場，改造完畢后試運行效果良好。

2.2.2 脫硝槍噴嘴噴口方向的優(yōu)化

脫硝槍由外部套管和內(nèi)部噴槍組成，外部套管與壓縮空氣相連，內(nèi)芯與氨水相連，噴射頭位置在末端端面45°方向，如圖3所示。

圖3 脫硝槍噴嘴噴口方向示意圖

原布置方向，噴槍全部朝著斜上方45°角方向，實際運行中，氨水噴射方向與煙氣流動方向相同，為考慮充分混合，增加氨水停留反應(yīng)時間，根據(jù)煙道的流向不同，脫硝槍方向進行了重新調(diào)整，將噴嘴噴射方向與煙氣流動方向相反布置，增加了接觸面積。如圖4所示。

圖4 脫硝槍方向調(diào)整示意圖

布置方式的調(diào)整，使煙氣充分與氨水進行混合，促進氨水與氮氧化物的反應(yīng)，降低氨水的使用量，提高經(jīng)濟效益。

2.2.3 脫硝槍常見設(shè)備問題及優(yōu)化方案

脫硝槍因為直接插入爐膛內(nèi)，造成脫硝槍長期在爐膛中承受高溫的輻射熱，槍頭外套管極其容易燒毀，壽命較短，槍嘴套管燒壞后，霧化效果差，因采購槍頭費用高，因此需要優(yōu)化設(shè)備結(jié)構(gòu)，延長槍管壽命。燒壞的槍頭如圖5所示，在鍋爐墻上的安裝方式如圖6所示。

圖5 燒壞的槍頭

圖6 在鍋爐墻上安裝方式

經(jīng)過運行摸索，因脫硝槍噴嘴方向為向前45°角方向，脫硝槍插入爐膛的深度與脫硝效果影響不大，因此，在脫硝槍安裝過程中，制定了脫硝槍的插入標(biāo)準(zhǔn)，即脫硝槍插入爐膛的深度為50 mm，同時在脫硝槍管與爐槍護套間引入了一條冷卻風(fēng)管，風(fēng)管通過外側(cè)環(huán)形風(fēng)道進入爐膛內(nèi)，冷卻風(fēng)進入爐膛后，風(fēng)量噴射的距離對脫硝槍外圍形成保護，降低噴頭溫度。改造方案示意圖如圖7所示。

圖7 優(yōu)化改造方案示意圖

經(jīng)過對脫硝槍的布置和噴嘴方向的優(yōu)化，使鍋爐的每噸垃圾燃燒的氨水消耗由原來的3.2 kg/t，降低至2.5 kg/t。通過對脫硝槍的冷卻風(fēng)的改造，槍管的壽命較原來的布置方式，由原來的每6個月更換1只降低為每9個月更換一只，8臺爐共計有32只槍，每只價值3000元。每年可節(jié)約槍管備件費用6.4萬元。

3 煙氣脫酸系統(tǒng)的工藝優(yōu)化和設(shè)備維護探索

3.1 工藝流程

從鍋爐內(nèi)出來的脫硝后的煙氣開始進入脫酸反應(yīng)塔系統(tǒng)，煙氣首先進入脫酸塔的蝸殼分配器，經(jīng)導(dǎo)流板后，煙氣向四周均勻分布，并作下旋運動，紊流狀態(tài)煙氣與旋轉(zhuǎn)方向相反的石灰漿液充分接觸反應(yīng)。

脫酸反應(yīng)過程是酸性氣體和堿性石灰漿液霧滴之間的氣液反應(yīng)，即離子反應(yīng)。經(jīng)過大約18～20 s，石灰漿液滴蒸發(fā)，形成固態(tài)反應(yīng)產(chǎn)物，較大顆粒落入底部錐體排口，占5%～15%。其他隨煙氣進入布袋除塵器。如圖8所示。

圖8 煙氣脫酸工藝

3.2 脫酸反應(yīng)工序的控制要點和系統(tǒng)優(yōu)化

決定半干式煙氣凈化裝置凈化效率的兩個關(guān)鍵參數(shù)是煙氣停留時間和溫差，前者決定了反應(yīng)效果、水分的蒸發(fā)和煙氣流速，后者決定了加入液體量和反應(yīng)生成物的狀態(tài)。根據(jù)國內(nèi)外的經(jīng)驗，煙氣停留時間應(yīng)該保證在8 s以上，噴霧干燥反應(yīng)塔進、出口溫差應(yīng)達到40℃。鍋爐設(shè)計排煙溫度為190℃，由于運行中積灰或者管壁結(jié)焦等原因，實際運行鍋爐的排煙溫度達到了220℃左右。脫酸反應(yīng)的最佳溫度為140～160℃之間，經(jīng)過運行期間的經(jīng)驗摸索，溫度控制在150℃時，煙氣脫酸效果最佳，因此，運行中脫酸反應(yīng)塔重點監(jiān)控的指標(biāo)就是溫度場，基于此，運行的脫酸塔進行了升級，增加了溫度控制噴水減溫系統(tǒng)。通過反應(yīng)塔內(nèi)溫度的變化，溫度信號傳給PLC系統(tǒng)，經(jīng)過系統(tǒng)分析運算，隨時調(diào)整噴入的減溫水的溫度，采用閉環(huán)控制系統(tǒng)，實現(xiàn)煙汽溫度控制。

3.3 脫酸塔設(shè)備維護經(jīng)驗的探索

煙氣依次經(jīng)過水冷壁、過熱器、省煤器等換熱面，在爐膛中經(jīng)過脫硝處理后的煙氣在鍋爐尾部流出進入脫酸反應(yīng)塔，通過霧化器噴水對煙氣進行冷卻。HCI、SO2、HF等酸性物質(zhì)與霧化器系統(tǒng)噴入的石灰漿發(fā)生中和反應(yīng)。霧化器是一種穩(wěn)定并且精密的設(shè)備，可以在負荷很重（高速旋轉(zhuǎn)和惡劣的環(huán)境）的情況下正常工作。霧化器的最高轉(zhuǎn)速可達到12000 r/min，如此高轉(zhuǎn)速下才能將石灰漿液霧化后與煙氣進行充分混合。如何保證霧化器的運行穩(wěn)定，是脫酸塔設(shè)備維護的核心。

（1）油系統(tǒng)的維護

①每班次兩次運行巡檢，檢查油位是否正常，是否有油泄漏，油位低于報警值，及時補油。

②每班次檢查一次空氣過濾器是否正常，保證空氣干凈，空氣壓差大了要及時更換。

③油箱必須一年清空一次，油箱清空后必須用面團粘干凈，不能有雜質(zhì)殘留，換下的油禁止重復(fù)利用。

④給油箱注入新油，新油按說明書規(guī)定的牌號進行。

⑤可以采用濾油機對系統(tǒng)進行補油，既提高注油壓力，又能保證油質(zhì)清潔。

⑥給油箱注油要達到上限位置。

（2）霧化盤的手動清洗,每周一次。

①將霧化器支撐座放在霧化器頂部，頂部配置專用吊霧化器的電葫蘆。

②用吊裝帶將吊具掛在霧化器上，調(diào)整電葫蘆位置，保證吊裝垂直。

③緩慢提升電葫蘆，提升過程中要輕輕晃動吊具，避免有卡澀位置強行拉起吊具，磕碰霧化器。

④用呢絨棒或其他硬塑料材質(zhì)類的東西制作清理工具，輕敲霧化盤上的結(jié)垢，用工具輕鏟結(jié)垢，避免損壞霧化器，效果不佳的話，用清潔劑進行沖洗。

（3）霧化盤的藥劑清洗，每月一次。

①使用高濃度的磷酸和水進行配制30%的磷酸溶液作為清潔劑。

②視石灰質(zhì)量而定，也可以使用別的化學(xué)試劑。

③將霧化器吊出放在專用支架上。

④將霧化盤吊到清洗水箱上方。將清潔劑至上而下注入清洗水箱，直到藥劑順著霧化盤流出。

⑤藥劑清洗要用循環(huán)流動的藥劑，可以將清洗裝置做成小型循環(huán)系統(tǒng)，以便于清洗霧化盤內(nèi)的藥劑能夠隨時將清洗下來的雜質(zhì)帶出。必要時需要輔助以毛刷等。

（4）霧化盤的運行中反沖洗，每班一次。

為防止霧化盤結(jié)垢迅速，每班次，由運行人員進行一次水洗，即停運石灰漿輸送，霧化盤只噴清水運行3～5 min，保持高速運行，這樣利用清水達到清洗霧化盤的效果。然后再恢復(fù)石灰漿運行。

（5）霧化盤的定期離線動平衡，每月一次。

每月一次將霧化盤取下，在線下做在線動平衡，以實現(xiàn)霧化盤的定期切換備用。

4 活性炭吸附和布袋煙氣除塵系統(tǒng)工藝簡介

干法脫酸系統(tǒng)采用熟石灰作為干性脫酸藥劑。該設(shè)計可以與石灰漿制備系統(tǒng)相配合，系統(tǒng)簡單，方便維護，對系統(tǒng)輔助脫酸效果明顯，能保證系統(tǒng)正常運行的需求量以及達到煙氣輔助脫酸的要求。

每次起爐時，為防止布袋除塵器結(jié)露糊袋，需對除塵器進行預(yù)噴涂，采用該系統(tǒng)進行預(yù)噴涂方便快捷。

活性炭噴射系統(tǒng)的目的是為了脫除二惡英和重金屬，干法和活性炭的噴入點均在半干法反應(yīng)塔和除塵器之間的煙道上。

煙氣中攜帶的顆粒物被布袋除塵器的濾布阻留而形成濾層，當(dāng)煙氣經(jīng)過由顆粒物形成的濾層，氣態(tài)污染物仍能與濾層中未反應(yīng)的石灰及活性炭發(fā)生反應(yīng)而得到進一步凈化。除塵器捕捉下來的灰由清灰裝置定期清除，經(jīng)處理后的煙氣再被引風(fēng)機引入煙囪排放。

該環(huán)節(jié)暫不做詳細敘述。

5 公司排放最終指標(biāo)

公司排放最終指標(biāo)情況見表1。

表1 污染物排放指標(biāo)及標(biāo)準(zhǔn)

蘇州垃圾焚燒發(fā)電項目各項指標(biāo)均達到了歐盟標(biāo)準(zhǔn)，更優(yōu)于國標(biāo)。

6 結(jié)束語

隨著運行中的不斷探索，發(fā)電廠煙氣凈化系統(tǒng)的運行和設(shè)備維護將朝著更優(yōu)質(zhì)更高效的方向發(fā)展，新的技術(shù)也在不斷引入，下一步的超低氮排放將是煙氣治理工作的新目標(biāo)。