发电厂烟气净化系统工艺和设备优化的探索

周建富 ，李海英

（1.华北理工大学冶金与能源学院，河北唐山 063000；2.光大环保能源（苏州）有限公司，江苏苏州 215101）

引言

20世纪90年代以来，随着人们对垃圾焚烧废气中的有害物质，特别是二恶英给人体造成危害的进一步认识，各国开始致力于焚烧废气排放控制及污染治理研究，2010年中国垃圾焚烧炉约为300台，到2017年已经超过1000台，垃圾焚烧炉增速较快，中国市场成为垃圾焚烧炉市场的重要推动力量，垃圾焚烧的烟气净化处理也是各垃圾焚烧行业共同研究探索的问题。

1 典型工艺概述

1.1 流程简述

垃圾在焚烧炉中燃烧，焚烧炉部分由进料系统、炉排、燃烧系统、落灰输送系统等组成。焚烧产生的烟气开始进入余热锅炉部分，余热锅炉由一级烟道、二级烟道的水冷壁部分以及三级、四级烟道的过热器、省煤器部分组成。经过余热锅炉的烟气进入脱酸反应塔，经过脱酸处理后进入布袋除尘器，最后的烟气经引风机随烟囱排出。如图1所示。

1.2 垃圾焚烧产物成分

生活垃圾焚烧烟气的主要成分是N2、O2、CO2和H2O，还包括其他一些污染物，如：

（1）SOx、NOx、HCL、HF、H2S等酸性气体污染物；（2）惰性物质、无燃烧物质、粉尘等颗粒物；

（3）锌、铅、锰、铬、汞、镉、砷、钛等残留重金属物质；

（4）残余有机物，包括未完全燃烧有机物与反应生成物，如二恶英类。

1.3 烟气净化采用的控制工艺

为防止垃圾焚烧产生的污染物对环境造成二次污染，采用的典型控制工艺为：SNCR脱硝+半干法脱酸+干法+活性炭脱重金属及二恶英+布袋除尘+烟气排放。

图1 垃圾焚烧工艺流程

2 烟气脱硝系统的工艺和设备优化探索

2.1 工艺流程

浓度为25%的氨水注入脱硝枪的喷枪管内，在注入过程中按比例2:1配置除盐水稀释溶液，混合液进入脱硝枪管后，在枪管外有套管，接压缩空气侧，在枪最末端，经压缩空气吹入炉膛内部形成雾化进入炉膛与烟气混合反应。如图2示意。

图2 烟气脱硝系统工艺流程

2.2 脱硝枪布置和喷口方向的优化

2.2.1 脱硝枪位置布置优化

脱硝机理，在烟气温度850～1100℃，在O2共存的条件下，向炉膛中直接加入氨液（NH3）或是尿素（（NH2）2CO）等脱硝剂，将氮氧化物还原成为氮气与水。经过实际摸索，温度场在850～950℃脱硝效果最佳，此时在达到排放合格的同时，氨水流量最低。基于此，重点对运行锅炉的温度场进行摸索，锅炉最初设计炉膛出口烟温858℃，因此设计的脱硝枪位置设置接近炉膛喉口处，而实际垃圾的热值比理论计算值要高，实际运行中，炉膛出口温度达到了1120℃，远高于设计的850℃，因此原设计的脱硝枪位置在较高的温度场下，如图1中脱硝枪1的位置，不利于节省消耗。

基于此问题，我们重新测量了温度场区间，在侧墙两边上方2.5 m位置处，重新增加了脱硝枪管，将脱硝枪位置更改为图1所示的脱硝枪2位置，该温度场更接近于效率最高的950℃温度场，改造完毕后试运行效果良好。

2.2.2 脱硝枪喷嘴喷口方向的优化

脱硝枪由外部套管和内部喷枪组成，外部套管与压缩空气相连，内芯与氨水相连，喷射头位置在末端端面45°方向，如图3所示。

图3 脱硝枪喷嘴喷口方向示意图

原布置方向，喷枪全部朝着斜上方45°角方向，实际运行中，氨水喷射方向与烟气流动方向相同，为考虑充分混合，增加氨水停留反应时间，根据烟道的流向不同，脱硝枪方向进行了重新调整，将喷嘴喷射方向与烟气流动方向相反布置，增加了接触面积。如图4所示。

图4 脱硝枪方向调整示意图

布置方式的调整，使烟气充分与氨水进行混合，促进氨水与氮氧化物的反应，降低氨水的使用量，提高经济效益。

2.2.3 脱硝枪常见设备问题及优化方案

脱硝枪因为直接插入炉膛内，造成脱硝枪长期在炉膛中承受高温的辐射热，枪头外套管极其容易烧毁，寿命较短，枪嘴套管烧坏后，雾化效果差，因采购枪头费用高，因此需要优化设备结构，延长枪管寿命。烧坏的枪头如图5所示，在锅炉墙上的安装方式如图6所示。

图5 烧坏的枪头

图6 在锅炉墙上安装方式

经过运行摸索，因脱硝枪喷嘴方向为向前45°角方向，脱硝枪插入炉膛的深度与脱硝效果影响不大，因此，在脱硝枪安装过程中，制定了脱硝枪的插入标准，即脱硝枪插入炉膛的深度为50 mm，同时在脱硝枪管与炉枪护套间引入了一条冷却风管，风管通过外侧环形风道进入炉膛内，冷却风进入炉膛后，风量喷射的距离对脱硝枪外围形成保护，降低喷头温度。改造方案示意图如图7所示。

图7 优化改造方案示意图

经过对脱硝枪的布置和喷嘴方向的优化，使锅炉的每吨垃圾燃烧的氨水消耗由原来的3.2 kg/t，降低至2.5 kg/t。通过对脱硝枪的冷却风的改造，枪管的寿命较原来的布置方式，由原来的每6个月更换1只降低为每9个月更换一只，8台炉共计有32只枪，每只价值3000元。每年可节约枪管备件费用6.4万元。

3 烟气脱酸系统的工艺优化和设备维护探索

3.1 工艺流程

从锅炉内出来的脱硝后的烟气开始进入脱酸反应塔系统，烟气首先进入脱酸塔的蜗壳分配器，经导流板后，烟气向四周均匀分布，并作下旋运动，紊流状态烟气与旋转方向相反的石灰浆液充分接触反应。

脱酸反应过程是酸性气体和碱性石灰浆液雾滴之间的气液反应，即离子反应。经过大约18～20 s，石灰浆液滴蒸发，形成固态反应产物，较大颗粒落入底部锥体排口，占5%～15%。其他随烟气进入布袋除尘器。如图8所示。

图8 烟气脱酸工艺

3.2 脱酸反应工序的控制要点和系统优化

决定半干式烟气净化装置净化效率的两个关键参数是烟气停留时间和温差，前者决定了反应效果、水分的蒸发和烟气流速，后者决定了加入液体量和反应生成物的状态。根据国内外的经验，烟气停留时间应该保证在8 s以上，喷雾干燥反应塔进、出口温差应达到40℃。锅炉设计排烟温度为190℃，由于运行中积灰或者管壁结焦等原因，实际运行锅炉的排烟温度达到了220℃左右。脱酸反应的最佳温度为140～160℃之间，经过运行期间的经验摸索，温度控制在150℃时，烟气脱酸效果最佳，因此，运行中脱酸反应塔重点监控的指标就是温度场，基于此，运行的脱酸塔进行了升级，增加了温度控制喷水减温系统。通过反应塔内温度的变化，温度信号传给PLC系统，经过系统分析运算，随时调整喷入的减温水的温度，采用闭环控制系统，实现烟汽温度控制。

3.3 脱酸塔设备维护经验的探索

烟气依次经过水冷壁、过热器、省煤器等换热面，在炉膛中经过脱硝处理后的烟气在锅炉尾部流出进入脱酸反应塔，通过雾化器喷水对烟气进行冷却。HCI、SO2、HF等酸性物质与雾化器系统喷入的石灰浆发生中和反应。雾化器是一种稳定并且精密的设备，可以在负荷很重（高速旋转和恶劣的环境）的情况下正常工作。雾化器的最高转速可达到12000 r/min，如此高转速下才能将石灰浆液雾化后与烟气进行充分混合。如何保证雾化器的运行稳定，是脱酸塔设备维护的核心。

（1）油系统的维护

①每班次两次运行巡检，检查油位是否正常，是否有油泄漏，油位低于报警值，及时补油。

②每班次检查一次空气过滤器是否正常，保证空气干净，空气压差大了要及时更换。

③油箱必须一年清空一次，油箱清空后必须用面团粘干净，不能有杂质残留，换下的油禁止重复利用。

④给油箱注入新油，新油按说明书规定的牌号进行。

⑤可以采用滤油机对系统进行补油，既提高注油压力，又能保证油质清洁。

⑥给油箱注油要达到上限位置。

（2）雾化盘的手动清洗,每周一次。

①将雾化器支撑座放在雾化器顶部，顶部配置专用吊雾化器的电葫芦。

②用吊装带将吊具挂在雾化器上，调整电葫芦位置，保证吊装垂直。

③缓慢提升电葫芦，提升过程中要轻轻晃动吊具，避免有卡涩位置强行拉起吊具，磕碰雾化器。

④用呢绒棒或其他硬塑料材质类的东西制作清理工具，轻敲雾化盘上的结垢，用工具轻铲结垢，避免损坏雾化器，效果不佳的话，用清洁剂进行冲洗。

（3）雾化盘的药剂清洗，每月一次。

①使用高浓度的磷酸和水进行配制30%的磷酸溶液作为清洁剂。

②视石灰质量而定，也可以使用别的化学试剂。

③将雾化器吊出放在专用支架上。

④将雾化盘吊到清洗水箱上方。将清洁剂至上而下注入清洗水箱，直到药剂顺着雾化盘流出。

⑤药剂清洗要用循环流动的药剂，可以将清洗装置做成小型循环系统，以便于清洗雾化盘内的药剂能够随时将清洗下来的杂质带出。必要时需要辅助以毛刷等。

（4）雾化盘的运行中反冲洗，每班一次。

为防止雾化盘结垢迅速，每班次，由运行人员进行一次水洗，即停运石灰浆输送，雾化盘只喷清水运行3～5 min，保持高速运行，这样利用清水达到清洗雾化盘的效果。然后再恢复石灰浆运行。

（5）雾化盘的定期离线动平衡，每月一次。

每月一次将雾化盘取下，在线下做在线动平衡，以实现雾化盘的定期切换备用。

4 活性炭吸附和布袋烟气除尘系统工艺简介

干法脱酸系统采用熟石灰作为干性脱酸药剂。该设计可以与石灰浆制备系统相配合，系统简单，方便维护，对系统辅助脱酸效果明显，能保证系统正常运行的需求量以及达到烟气辅助脱酸的要求。

每次起炉时，为防止布袋除尘器结露糊袋，需对除尘器进行预喷涂，采用该系统进行预喷涂方便快捷。

活性炭喷射系统的目的是为了脱除二恶英和重金属，干法和活性炭的喷入点均在半干法反应塔和除尘器之间的烟道上。

烟气中携带的颗粒物被布袋除尘器的滤布阻留而形成滤层，当烟气经过由颗粒物形成的滤层，气态污染物仍能与滤层中未反应的石灰及活性炭发生反应而得到进一步净化。除尘器捕捉下来的灰由清灰装置定期清除，经处理后的烟气再被引风机引入烟囱排放。

该环节暂不做详细叙述。

5 公司排放最终指标

公司排放最终指标情况见表1。

表1 污染物排放指标及标准

苏州垃圾焚烧发电项目各项指标均达到了欧盟标准，更优于国标。

6 结束语

随着运行中的不断探索，发电厂烟气净化系统的运行和设备维护将朝着更优质更高效的方向发展，新的技术也在不断引入，下一步的超低氮排放将是烟气治理工作的新目标。