哈爾濱垃圾焚燒發電廠是利用中日綠色援助計劃,在我國興建的一座垃圾焚燒余熱發電國家級示范工程。該工程采用日本先進的循環流化床焚燒技術,整個電廠實行電腦網絡平臺監控、自動添料和自動調溫調壓,準確高效。采用此種技術垃圾不必分揀,也不必破碎,比較適合目前我國垃圾不分類存放的實際情況。焚燒設備是日本荏原公司生產的雙回旋型循環流化床生活垃圾焚燒爐,汽機和電氣設備由中方配制。該焚燒爐采用干式噴消石灰+活性炭+布袋除塵器的煙氣凈化工藝,垃圾焚燒爐的排氣經過煙氣凈化設備后,煙氣中各種有害氣體的排放濃度符合GB2848522001國家規定的排放標準。同時,垃圾池內設有藥液噴灑裝置, 可根據需要向垃圾池噴藥消毒殺菌,減少垃圾臭氣,垃圾池內的污水噴入爐內進行高溫氧化處理,避免了垃圾焚燒電廠對周圍環境造成的污染。該工程于2000年 8月破土動工, 2002年3月26日焚燒爐正式啟動點火, 2002年10月22日全面竣工投產運行,到2003年底已累計焚燒垃圾11萬t,發電2700萬kWh時,實現了連續安全穩定運行[ 1 ] 。
1 HCl和SO2 的生成機理及來源
常溫下HCl為無色氣體,有刺激性氣味,極易溶于水而形成鹽酸。HCl對人體的危害很嚴重,并會導致植物葉子褪綠,進而出現變黃、棕、紅至黑色的壞死現象。 HCl對垃圾焚燒設備的危害也很大,會造成過熱器受熱面的高溫腐蝕和尾部受熱面的低溫腐蝕,例如深圳市垃圾焚燒爐過熱器曾經只運行100 d就被HCl高溫腐蝕損毀。
一般認為垃圾焚燒爐煙氣中HCl的來源有2個:
(1)垃圾中的有機氯,如PVC塑料、橡膠和皮革等燃燒時生成HCl;
( 2 ) 垃圾中的無機氯化物如NaCl(來自廚房垃圾) ,與其他物質反應生成HCl,化學反應為[ 2 ] :
H2O + 2NaCl + SO2 + 0. 5O2 -------Na2 SO4 + 2HCl↑
(1)
H2O + 2KCl + SO2 + 0. 5O2 -------K2 SO4 + 2HCl↑
(2)
2NaCl +m SiO2 +H2O---- 2HCl +Na2O·m SiO2
(3)
H2O +MgCl2 + SO2 + 0. 5O2------ MgSO4 + 2HCl↑
(4)
SO2 通常是由垃圾中含硫化物焚燒氧化時產生的,同時流化床垃圾焚燒爐需要燃煤以穩定燃燒,也生成部分SO2 , SO2 對大氣污染危害較大。垃圾焚燒尾氣中的這些有害氣體通常采用堿性介質吸收法,最常用的吸收劑為消石灰,該循環流化床垃圾焚燒爐就是采用噴消石灰來去除煙氣中的HCl和SO2 的。2 消石灰和活性炭噴入系統為了脫除排氣中的HCl和SO2 ,在布袋除塵器之前噴入消石灰,其反應如下:
Ca (OH) 2 + 2HCl ----------CaCl2 + 2H2O (5)
Ca (OH) 2 + SO2 -----------CaSO3 + 2H2O (6)
經反應后氯化氫氣體則變成無害的鹽類CaCl2 , SO2 氣體也變為無害鈣鹽CaSO3。為了降低煙塵中二惡英和重金屬的含量,又設置了活性炭噴入系統。消石灰和活性炭噴入系統的結構、位置基本相同,噴口都是布置在煙氣冷卻塔出口煙道的煙氣紊流片后,由注入風機輸送的消石灰、活性炭粉末與經過紊流片后的煙氣均勻混合,使它們和煙氣中有害物質充分反應,并與煙氣中的粉塵一起被布袋除塵器吸附在濾布上,當煙氣通過濾布時將進一步除去煙氣中的HCl、SO2、二惡英和重金屬等有害物質,并將最終產生的無害鹽類(CaCl2、CaSO3 )及失去活性的活性炭粉末與粉塵一起排出爐外,消石灰噴入系統如圖1所示。
圖1 消石灰噴入系統示意圖Fig. 1 Schematic diagram of lime injection system
正常運行時消石灰的噴入量是根據HCl排放濃度通過煙道上設置HCl檢測分析儀自動調整,通過計算轉數與HCl設定值比較結果來增減向煙道噴射消石灰的量,無須人為操作。干式吸收法脫酸要求Ca (OH) 2 粉末粒徑< 200 目,噴頭性能要求高,否則達不到除酸效果,干法除酸可緩解煙道、布袋除塵器、引風機等設備的腐蝕。
該焚燒爐在布袋除塵器出口配有先進的在線“氯化氫煙氣分析儀(Model HL236 Hydrogen Chlo2ride GasAnalyzer) ”和“NOx、SO2、CO在線測定儀”,在試驗過程中,先將消石灰噴射泵暫停,待布袋除塵器上吸附的消石灰通過壓縮空氣吹掃脫除后,記錄HCl、SO2 濃度作為消石灰噴射量為零時的HCl、SO2濃度,之后增加消石灰噴射量,消石灰脫除HCl、SO2的試驗結果如表1、表2所示[ 3 ] 。
消石灰噴入量與HCl排放濃度的關系如圖2所示,可見當消石灰噴入量為0時,煙氣中未經處理的HCl量較高,達到315 mg/m3 ,隨著消石灰量的增加, HCl排放濃度迅速下降,直至穩定在63 mg/m3時消石灰量為325 kg/h左右。HCl去除率與Ca /Cl摩爾比如圖3所示,可見當Ca /Cl摩爾比為9時,相應消石灰耗量為325 kg/h, HCl去除率達到80%。SO2 排放濃度與噴消石灰量的關系如圖4 所示, 可見, 當不噴消石灰時, SO2 濃度為29014 mg/m3 ,隨著消石灰量的增加, SO2 濃度下降非常緩慢,說明噴消石脫除SO2 效果不佳。如圖5所示,在Ca /Cl摩爾比為9時,對應消石灰消耗量為325 kg/h, SO2 去除率僅為20%。
由此可見,干法脫除酸性氣體消石灰利用率不高,宜采用半干法加以改進,以提高吸收劑的利用率。因為半干法在Ca /Cl摩爾比為2 左右時, HCl和SO2 去除率分別可達到90%和60%以上。
圖2 HCl濃度與消石灰噴射量變化關系Fig. 2 Change of HCl emission with lime consump tion
圖3 HCl去除率與Ca /Cl摩爾比的關系Fig. 3 Change of HCl removal efficiency with Ca /Clmole ratio
圖4 噴消石灰量與SO2 濃度的關系Fig. 4 Change of SO2 emission with lime consump tion
圖5 SO2 去除率與Ca /Cl摩爾比的關系Fig. 5 Change of SO2 removal rate with Ca /Clmole ratio
3 消石灰噴射系統的運行
由于垃圾焚燒后HCl和SO2 濃度隨垃圾成分的變化而變化,所以實驗時以消石灰噴射量為零時HCl、SO2 濃度為基準計算HCl、SO2 去除率會帶來一定的誤差。實際運行時24 h內消石灰吹入量與排氣中酸性氣體HCl和SO2排放濃度隨時間的變化關系如圖6所示,可見,當排氣中HCl濃度增加時,消石灰的量也隨著增加,這是因為當排氣中HCl濃度增加時,通過煙道上設置氯化氫煙氣檢測儀的輸出信號,自動控制消石灰給料機的轉數來增加消石灰的噴射量,反之減少消石灰的噴射量。由圖6可見,垃圾焚燒爐排氣中HCl濃度基本上在75 mg/m3左右, SO2 濃度大約在210～250 mg/m3 ,滿足國家排放標準。
圖6 酸性氣體HCl、SO2 排放濃度及消石灰消耗量與時間的關系Fig. 6 Changes of HCl and SO2 emissionsand lime consump tion with time
4 結 論
采用煙氣降溫以及噴消石灰干粉去除垃圾焚燒過程中產生的HCl、SO2 ,試驗結果表明, HCl和SO2的去除率在Ca /Cl摩爾比等于9時分別為80%和20% ,說明干法消石灰利用率不高,宜改為半干法去除HCl、SO2 ,可以提高去除率,降低吸收劑用量,進而提高運行的經濟性。
參考文獻
[ 1 ] 陶麗娟. 循環流化床垃圾焚燒技術及NOx 排放特性研究[碩士學位論文]. 哈爾濱:哈爾濱工業大學, 2004
[ 2 ] 李詩媛, 別如山. 城市生活垃圾焚燒過程中二次污染物的生成與控制. 環境污染治理技術與設備, 2003, 4(3) : 65～66
[ 3 ] 王國慶. 循環流化床垃圾焚燒爐中污染物的排放與控制研究[碩士學位論文]. 哈爾濱: 哈爾濱工業大學,
