超低排放趨勢(shì)下垃圾焚燒發(fā)電廠(chǎng)煙氣凈化工藝探討

滕葉

（上海浦東環(huán)保發(fā)展有限公司，上海 200127）

引言

焚燒發(fā)電是目前較為有效的垃圾無(wú)害化、減量化處置方式，在我國(guó)大中型城市有著廣泛的應(yīng)用。近年來(lái)，生活垃圾焚燒發(fā)電行業(yè)已從快速發(fā)展階段逐漸向精細(xì)化運(yùn)營(yíng)轉(zhuǎn)變，強(qiáng)化對(duì)污染物排放指標(biāo)的管理，通過(guò)技術(shù)提升及工藝改進(jìn)，降低焚燒過(guò)程的污染物排放，為經(jīng)濟(jì)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展提供支持。

1 焚燒發(fā)電廠(chǎng)超低排放研究現(xiàn)狀

垃圾焚燒發(fā)電曾是以高效、無(wú)害化處置城市生活垃圾為主要目的，其大氣污染物控制指標(biāo)并不嚴(yán)苛，煙氣經(jīng)過(guò)“SNCR ＋半干法（氫氧化鈣溶液）＋干法（氫氧化鈣粉末）＋活性炭噴射＋布袋除塵器”的常規(guī)凈化工藝即可滿(mǎn)足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中的排放要求[1]。隨著環(huán)境問(wèn)題的日益嚴(yán)峻，為貫徹落實(shí)“十四五”規(guī)劃有關(guān)深入開(kāi)展污染物防治的精神，多地已陸續(xù)發(fā)布了新的污染物控制地方標(biāo)準(zhǔn)。

倡導(dǎo)綠色發(fā)展、減少污染物排放，對(duì)保障我國(guó)社會(huì)、經(jīng)濟(jì)與環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展具有積極意義[2]。但在超低排放趨勢(shì)下，垃圾焚燒發(fā)電廠(chǎng)現(xiàn)有的常規(guī)工藝已無(wú)法達(dá)標(biāo)，若NOx排放值低于80mg/Nm3，還需采用SCR 脫硝技術(shù)才能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。為了減少煙氣加熱的能耗，垃圾焚燒發(fā)電廠(chǎng)通常選用低溫SCR 催化劑，但需要在SO2濃度低于50mg/Nm3、顆粒物濃度低于10mg/Nm3的環(huán)境下，SCR催化劑才能運(yùn)行。

程永新等[3]針對(duì)垃圾焚燒發(fā)電廠(chǎng)超低排放工藝，從技術(shù)和經(jīng)濟(jì)方面對(duì)比分析了濕法布置于SCR前、濕法布置于SCR后2種工藝方案，認(rèn)為“半干法＋干法”工藝的脫酸效果不佳（氫氧化鈣作為脫酸劑），易造成SCR 催化劑中毒，推薦采用濕法前置于SCR 的布置方式，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。楊春琳[4]分析比較了3 種超低排放煙氣處理工藝特點(diǎn)，認(rèn)為濕法前置工藝中，需要布置多級(jí)煙氣加熱器，設(shè)備占地大、系統(tǒng)復(fù)雜，增加了建設(shè)投資。因此，以往的研究主要是在氫氧化鈣為脫酸劑的基礎(chǔ)上進(jìn)行，為保證SCR 反應(yīng)溫度，需要消耗大量蒸汽，不僅運(yùn)營(yíng)成本增加而且能效較低，亟需對(duì)煙氣凈化系統(tǒng)進(jìn)一步優(yōu)化并在滿(mǎn)足超低排放要求的前提下降低運(yùn)營(yíng)成本。

2 污染物控制標(biāo)準(zhǔn)及去除技術(shù)

2.1 主要大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)

預(yù)計(jì)到2025 年，我國(guó)縣市生活垃圾的焚燒總量將達(dá)到2.64 億t，約占清運(yùn)量的60%[5]，因此推進(jìn)垃圾焚燒行業(yè)超低排放對(duì)改善大氣環(huán)境的意義重大。我國(guó)歷年的生態(tài)環(huán)境統(tǒng)計(jì)年報(bào)均將顆粒物、SO2、NOx列為重點(diǎn)統(tǒng)計(jì)調(diào)查的廢氣污染物，表明這3 項(xiàng)污染物是我國(guó)最主要的大氣污染源。表1 列出了部分地區(qū)生活垃圾焚燒主要污染物控制標(biāo)準(zhǔn)，與現(xiàn)行國(guó)標(biāo)相比，顆粒物、SO2、NOx的限值有了大幅提升。

表1 生活垃圾焚燒主要污染控制標(biāo)準(zhǔn)（單位：mg/Nm3）

2.2 主要污染物去除技術(shù)

2.2.1 顆粒物的去除

垃圾焚燒煙氣中的顆粒物主要包括灰分、無(wú)機(jī)鹽類(lèi)、可凝結(jié)的氣體污染物質(zhì)及有害的重金屬氧化物，煙氣中的顆粒物含量與燃燒型式有關(guān)，其含量一般在450～20000mg/Nm3之間。顆粒物通過(guò)布袋除塵器去除，濾袋對(duì)耐溫性、耐磨性、耐水解性、耐腐蝕性和抗氧化性等方面有較高的要求，目前通常選用“PTFE ＋ePTFE 覆膜”的濾料材質(zhì)。

2.2.2 酸性氣體去除

垃圾焚燒過(guò)程中產(chǎn)生的酸性氣體主要為SOx、HCl、HF。SOx來(lái)源于生活垃圾中含硫化合物的焚燒氧化，大部分為SO2；HCl 來(lái)源于生活垃圾中的有機(jī)氯化物和無(wú)機(jī)氯化物的分解；HF 來(lái)源于生活垃圾中的含氟塑料燃燒。酸性氣體的去除技術(shù)可分為干法、半干法和濕法3 種方式。

干法脫酸技術(shù)工藝簡(jiǎn)單、脫酸產(chǎn)物無(wú)需二次處理，但去除效率較低，垃圾焚燒廠(chǎng)常用的脫酸藥劑為氫氧化鈣粉末，其脫酸反應(yīng)原理如下所示。

SO2+ Ca(OH)2→ CaSO3+ H2O

SO3+ Ca(OH)2→ CaSO4+ H2O

2HCl + Ca(OH)2→ CaCl2+ 2H2O

2HF + Ca(OH)2→ CaF2+ 2H2O

若用碳酸氫鈉粉末作為脫酸藥劑，其脫酸反應(yīng)原理如下所示。

2SO2+ 4NaHCO3+ O2→ 2Na2SO4+ 4CO2+ 2H2O

SO3+ 2NaHCO3→ Na2SO4+ 2CO2+ H2O

HCl + NaHCO3→ NaCl + CO2+ H2O

HF + NaHCO3→ NaF + CO2+ H2O

半干法脫酸技術(shù)的脫酸效率較高、無(wú)廢水等二次污染物產(chǎn)生，但該工藝的設(shè)計(jì)很關(guān)鍵，控制反應(yīng)塔進(jìn)出口溫差、石灰漿液蒸發(fā)速率、脫酸反應(yīng)時(shí)間等參數(shù)對(duì)脫酸效果影響顯著。

濕法脫酸技術(shù)的脫酸效率最高，但工藝流程復(fù)雜、能耗偏高，脫酸過(guò)程中產(chǎn)生的洗煙廢水需進(jìn)一步處置，存在二次污染風(fēng)險(xiǎn)。垃圾焚燒發(fā)電廠(chǎng)常用氫氧化鈉溶液作為濕法脫酸藥劑，其反應(yīng)原理如下所示。

SO2+ 2NaOH → Na2SO3+ H2O

SO3+ 2NaOH → Na2SO4+ H2O

HCl + NaOH → NaCl + H2O

HCl + NaOH → NaF + H2O

2.2.3 氮氧化物去除

煙氣中的NOx主要來(lái)源于垃圾中含氮化合物分解轉(zhuǎn)換、空氣中的氮在燃燒過(guò)程中高溫氧化生成，常用的NOx去除技術(shù)可分為燃燒中脫硝和燃燒后脫硝2 類(lèi)。

燃燒中脫硝是通過(guò)調(diào)節(jié)助燃空氣投入量，降低局部區(qū)域氧量，控制燃燒溫度以減少NOx的生成，并能在爐內(nèi)局部區(qū)域形成還原性氣氛將NOx還原成N2，技術(shù)成熟且投資及運(yùn)行成本低，但脫硝效率不高，約為20%～40%。燃燒后脫硝通常采用SNCR、SCR 工藝，其中SNCR 工藝是在煙溫為800～1000℃的范圍內(nèi)不使用催化劑直接將NOx還原成N2，SCR工藝則是在有催化劑的條件下將NOx還原成N2，但不同類(lèi)型催化劑的反應(yīng)溫度不相同，SCR 技術(shù)脫硝效率可高達(dá)到80%～90%。一般SNCR/SCR 聯(lián)合脫硝工藝會(huì)采用氨水作為還原劑，其反應(yīng)原理如下所示。

4NO + 4NH3+ O2→ 4N2+ 6H2O

2NO2+ 4NH3+ O2→ 3N2+ 6H2O

3 超低排放工藝方案

以處理量為500t/d 的爐排爐型式垃圾焚燒線(xiàn)為例，為滿(mǎn)足超低排放標(biāo)準(zhǔn)的要求，增加了濕法和SCR 工藝。按照不同的濕法及SCR 系統(tǒng)布置方式、采用不同種類(lèi)的脫酸劑，提出了2 種煙氣凈化工藝方案。

3.1 SCR 后置布置

煙氣凈化工藝方案1，即SCR 后置布置，工藝為“SNCR ＋半干法（氫氧化鈣溶液）＋干法（氫氧化鈣粉末）＋活性炭噴射＋布袋除塵＋GGH1 ＋濕法洗煙塔（氫氧化鈉溶液）＋GGH2 ＋SGH ＋SCR”，流程如圖1 所示。該方案將SCR 脫硝裝置布置于濕法洗煙塔后部，采用氫氧化鈣作為脫酸劑，“半干法＋干法”工藝的脫酸效率約80%，需要通過(guò)濕法工藝進(jìn)一步脫除SO2，避免SCR 催化劑中毒。煙氣經(jīng)過(guò)濕法洗煙塔溫度降致62℃，而低溫SCR 的反應(yīng)溫度為180℃，煙氣需要經(jīng)過(guò)2 組GGH 和1 組SGH 加熱后才能達(dá)到反應(yīng)溫度要求，加熱過(guò)程消耗蒸汽約2.2t/h。

圖1 煙氣凈化方案1 工藝流程

3.2 SCR 前置布置

煙氣凈化工藝方案2，即SCR 前置布置，工藝為“SNCR ＋干法（碳酸氫鈉粉末）＋活性炭噴射＋布袋除塵＋SCR ＋GGH ＋濕法洗煙塔（氫氧化鈉溶液）”，流程如圖2 所示。該方案將SCR 脫硝裝置布置于濕法洗煙塔前部，煙氣經(jīng)過(guò)低溫省煤器降低至185℃后進(jìn)入布袋除塵器。干法藥劑采用碳酸氫鈉粉末，其SO2的去除率可達(dá)95%以上[6]，能滿(mǎn)足SCR催化劑的運(yùn)行要求，并且通過(guò)濕法工藝可以進(jìn)一步降低污染物濃度。該方案通過(guò)1 組GGH完成高、低溫?zé)煔獾膿Q熱，不消耗蒸汽。

圖2 煙氣凈化方案2 工藝流程

4 結(jié)果與討論

4.1 污染物超低排放技術(shù)可行性

余熱鍋爐出口煙氣主要成分為（MCR 工況下）顆粒物1500～2500mg/Nm3、SO2200～600mg/Nm3、NOx150～200mg/Nm3（經(jīng)SNCR 系統(tǒng)處理）。通過(guò)精細(xì)化運(yùn)行管理、控制濾袋品質(zhì)，垃圾焚燒發(fā)電項(xiàng)目布袋除塵器出口顆粒物濃度可控制在5mg/Nm3以?xún)?nèi)[7]。余熱鍋爐出口各污染物濃度取上限值，計(jì)算結(jié)果分別在表2 和表3 中列出。

表2 煙氣凈化方案1 各節(jié)點(diǎn)污染物濃度（單位：mg/Nm3）

表3 煙氣凈化方案2 各節(jié)點(diǎn)污染物濃度（單位：mg/Nm3）

2 種方案都可以實(shí)現(xiàn)垃圾焚燒大氣污染物的超低排放，在顆粒物和NOx去除上均是通過(guò)布袋除塵器將顆粒物控制在5mg/Nm3以?xún)?nèi)、通過(guò)SCR 將NOx控制在50mg/Nm3以?xún)?nèi)，主要差異體現(xiàn)在SO2的去除過(guò)程。煙氣凈化方案1濕法布置在SCR 前端，經(jīng)氫氧化鈣半干法和干法脫酸，SO2濃度降至120mg/Nm3，再由濕法進(jìn)一步脫酸，SCR 進(jìn)口處SO2的濃度已達(dá)到20mg/Nm3，但煙氣經(jīng)過(guò)濕法洗滌，溫度僅為62℃，需要額外消耗2.2t/h 的蒸汽將煙溫加熱至180℃，以滿(mǎn)足SCR 的運(yùn)行要求，該方案煙氣凈化工藝雖可靠性更好但系統(tǒng)更為復(fù)雜。煙氣凈化方案2 濕法布置在SCR 后端，用低溫省煤器替代半干式反應(yīng)塔，將煙溫降至185℃，經(jīng)碳酸氫鈉干法脫酸后SO2的濃度降至30mg/Nm3，雖高于煙氣凈化方案1，但仍滿(mǎn)足SCR 催化劑的運(yùn)行要求，再由濕法將SO2降至20mg/Nm3，煙氣凈化方案2系統(tǒng)相對(duì)簡(jiǎn)單，煙氣余熱利用更為合理、能源利用效率高，不需要額外的蒸汽加熱，發(fā)電效益更好。

脫酸藥劑選擇也是2 種方案的一項(xiàng)重要差異，碳酸氫鈉及其反應(yīng)產(chǎn)物（硫酸鈉、氯化鈉）都不含結(jié)晶水，且碳酸氫鈉反應(yīng)溫度更高約為180℃左右，可以防止除塵器的結(jié)露和粘灰問(wèn)題，也無(wú)需在飛灰貯倉(cāng)、輸送機(jī)上設(shè)置加熱器。此外，碳酸氫鈉反應(yīng)活性高、當(dāng)量比遠(yuǎn)低于氫氧化鈣，藥劑的利用效率大幅提升。

4.2 運(yùn)營(yíng)成本比較

煙氣凈化方案2以碳酸氫鈉作為脫酸劑，雖然耗材成本有所增加，但脫酸效率顯著提高，并且可以降低約90%的濕法系統(tǒng)負(fù)荷[8]，減少了洗煙廢水的處理成本。低溫SCR 脫硝成本高貴，近幾年才開(kāi)始在新建項(xiàng)目上有應(yīng)用，結(jié)合項(xiàng)目運(yùn)行數(shù)據(jù)，在SCR 后置情形下，催化劑仍需要定期再生、更換，使用壽命為3～4a[9]，因而認(rèn)為2 種方案催化劑運(yùn)營(yíng)成本相同。表4 對(duì)比了2 種方案主要的經(jīng)營(yíng)指標(biāo)。

表4 經(jīng)營(yíng)指標(biāo)對(duì)比

煙氣凈化方案2 采用碳酸氫鈉作為脫酸劑，其脫酸效率高于氫氧化鈣，因此在濕法工藝段的藥劑消耗及洗煙廢水的產(chǎn)生量遠(yuǎn)低于煙氣凈化方案1，但方案2 對(duì)酸劑的消耗量更多。在電耗方面，煙氣凈化方案1 的系統(tǒng)更為復(fù)雜能耗較高，并且SGH 消耗的蒸汽使得發(fā)電量有一定的損失，經(jīng)測(cè)算煙氣凈化方案1 的電量消耗約為煙氣凈化方案2 的2 倍。

為評(píng)估2 種方案的經(jīng)濟(jì)性，測(cè)算主要差異指標(biāo)對(duì)運(yùn)營(yíng)成本的影響（見(jiàn)表5），各項(xiàng)單價(jià)為氫氧化鈣600 元/t、碳酸氫鈉2400 元/t、30%氫氧化鈉溶液1500 元/t、洗煙廢水處置成本60 元/t、上網(wǎng)電價(jià)0.65 元/kWh。

表5 主要運(yùn)營(yíng)成本比較（單位：萬(wàn)元/a）

由表5 可知，煙氣凈化方案2 年運(yùn)營(yíng)成本低于煙氣凈化方案1。煙氣凈化方案1 的優(yōu)勢(shì)是脫酸劑費(fèi)用低，但整個(gè)煙氣凈化工藝復(fù)雜、設(shè)備多、能耗高，年均電量損耗高于煙氣凈化方案2，且濕法洗滌塔的洗煙廢水易造成二次污染。煙氣凈化方案2 的脫酸劑采購(gòu)成本雖然較高，但可以?xún)?yōu)化煙氣凈化工藝流程、能耗較低，碳酸氫鈉脫酸效率優(yōu)異，且濕法系統(tǒng)可以低負(fù)荷運(yùn)行，總體上的環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效益更好。

結(jié)語(yǔ)

為應(yīng)對(duì)垃圾焚燒超低排放的要求，以處理量500t/d 垃圾焚燒線(xiàn)為例，提出了2 種煙氣凈化方案，通過(guò)技術(shù)和經(jīng)濟(jì)分析比較，推薦采用煙氣凈化方案2。該方案能達(dá)到顆粒物濃度5mg/Nm3、SO2濃度20mg/Nm3、NOx濃度50mg/Nm3的排放標(biāo)準(zhǔn)，利用碳酸氫鈉干法脫酸效率高的特點(diǎn)，取代半干法脫酸、無(wú)需蒸汽加熱器，煙氣凈化工藝流程簡(jiǎn)潔，運(yùn)行中不耗費(fèi)蒸汽，每年節(jié)省4578MWh 的電量，并能降低濕法系統(tǒng)90%的運(yùn)行負(fù)荷，減少洗煙廢水的二次污染風(fēng)險(xiǎn)。煙氣凈化方案2 的年運(yùn)營(yíng)成本較煙氣凈化方案1 低53.17 萬(wàn)元，不僅具有更好的環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效益，還能提升項(xiàng)目的整體效益。