垃圾焚燒煙氣超低排放工藝對(duì)比研究

高玉萍

(中國(guó)恩菲工程技術(shù)有限公司， 北京 100038)

0 前言

焚燒是一種可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)廢物的減量化、資源化、無害化的高溫?zé)崽幚砑夹g(shù)，也是我國(guó)目前生活垃圾處理的主流技術(shù)。自2007年以來，我國(guó)生活垃圾焚燒發(fā)電項(xiàng)目建設(shè)持續(xù)推進(jìn)，產(chǎn)能實(shí)現(xiàn)快速釋放[1]。以城市生活垃圾處理項(xiàng)目為例，截至2019年，我國(guó)城市生活垃圾焚燒無害化處理廠數(shù)量由2007年的僅66座增長(zhǎng)至389座，年復(fù)合增長(zhǎng)率達(dá)15.93%；城市生活垃圾焚燒處理能力由2007年的4.47萬t/d增長(zhǎng)至45.65萬t/d，年復(fù)合增長(zhǎng)率達(dá)21.37%[2]。

2016年12月，國(guó)家發(fā)改委、住建部發(fā)布《“十三五”全國(guó)城鎮(zhèn)生活垃圾無害化處理設(shè)施建設(shè)規(guī)劃》，從目標(biāo)、任務(wù)、保證措施等方面對(duì)生活垃圾進(jìn)行了全面規(guī)劃。規(guī)劃指出：到2020年底，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，其中東部地區(qū)達(dá)到60%以上，將垃圾焚燒處理設(shè)施建設(shè)作為維護(hù)公共安全、推進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)、提高政府治理能力和加強(qiáng)城市規(guī)劃建設(shè)管理工作的重點(diǎn)[3]。

2021年，國(guó)家發(fā)改委、住建部印發(fā)《“十四五”城鎮(zhèn)生活垃圾分類和處理設(shè)施發(fā)展規(guī)劃》，提出到2025年底，全國(guó)城市生活垃圾資源化利用率達(dá)到60%左右，全國(guó)城鎮(zhèn)生活垃圾焚燒處理能力達(dá)到80萬t/d，城市生活垃圾焚燒處理能力占比65%左右，對(duì)垃圾處理能力提出了更高的目標(biāo)[4]。

隨著垃圾焚燒技術(shù)在國(guó)內(nèi)的推廣及應(yīng)用，焚燒煙氣的處理也越來越受到大家的重視。垃圾焚燒產(chǎn)生的煙氣成分復(fù)雜，含有大量對(duì)人體和環(huán)境有危害的成分，因此對(duì)焚燒煙氣的有效處理成為防止生活垃圾焚燒二次污染的關(guān)鍵。

1 焚燒煙氣中主要污染物及其特性

由于生活垃圾成分復(fù)雜多變，焚燒煙氣成分復(fù)雜、種類多樣，且隨地域和時(shí)間的遷移表現(xiàn)出很大的不同。焚燒煙氣成分包含過量的空氣和二氧化碳，同時(shí)還含有大量污染物。而焚燒煙氣污染物主要包括以下幾個(gè)部分：1)顆粒物；2)酸性氣體(SO2、HCl、HF等)；3)NOx；4)重金屬類物質(zhì)(如Hg、Pb、Cr、Cd、As等)；5)二噁英類物質(zhì)(如PCDDs/PCDFs)。其成分[5]見表1。

表1 焚燒煙氣成分及其典型值

2 焚燒煙氣污染物超低排放控制技術(shù)

目前國(guó)內(nèi)垃圾焚燒執(zhí)行《生活垃圾焚燒污染控制標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18485—2014)要求，部分項(xiàng)目執(zhí)行歐盟2010/75/EU標(biāo)準(zhǔn)。隨著環(huán)保要求的日益提高，國(guó)內(nèi)很多城市制定了更為嚴(yán)格的生活垃圾焚燒煙氣污染控制的地方標(biāo)準(zhǔn)及要求。深圳、海南等地方標(biāo)準(zhǔn)全面高于現(xiàn)行國(guó)標(biāo)和歐盟2010/75/EU標(biāo)準(zhǔn)，河北、天津、河南等地方標(biāo)準(zhǔn)也都對(duì)SO2、NOx、煙塵等排放指標(biāo)制定了更為嚴(yán)格要求，達(dá)到超低排放標(biāo)準(zhǔn)。

為實(shí)現(xiàn)煙氣超低排放標(biāo)準(zhǔn)要求，焚燒煙氣污染物控制技術(shù)及處理方案不斷完善，目前部分已建成的符合超低排放要求的垃圾焚燒發(fā)電項(xiàng)目主要采用以下兩種煙氣處理工藝方案：方案1，SNCR爐內(nèi)脫硝 +機(jī)械旋轉(zhuǎn)噴霧半干法脫酸+輔助干法脫酸+活性炭吸附+袋式除塵器+濕法脫酸+SCR脫硝；方案2，SNCR爐內(nèi)脫硝 +機(jī)械旋轉(zhuǎn)噴霧半干法脫酸+輔助干法脫酸+活性炭吸附+袋式除塵器+SCR脫硝+濕法脫酸。其中“SNCR爐內(nèi)脫硝 +機(jī)械旋轉(zhuǎn)噴霧半干法脫酸+輔助干法脫酸+活性炭吸附+袋式除塵器”是目前國(guó)內(nèi)已經(jīng)成熟運(yùn)用的工藝。上述兩種工藝的主要區(qū)別在于濕法脫酸和SCR的位置不同，因此本文主要論述這兩種工藝的不同之處，進(jìn)而從技術(shù)可靠性、經(jīng)濟(jì)性等方面對(duì)比上述兩種方案。

2.1 濕法脫酸+SCR的處理工藝

方案1“濕法脫酸+SCR脫硝”的工藝流程如圖1所示。除塵器來煙氣(溫度150 ℃)先經(jīng)過煙氣/煙氣換熱器1(GGH1)，與濕法脫酸裝置出口的低溫?zé)煔膺M(jìn)行換熱，溫度降至大約100 ℃后進(jìn)入濕法脫酸裝置，經(jīng)濕法脫酸處理后的煙氣(溫度約60 ℃)進(jìn)入GGH1與除塵器來煙氣進(jìn)行換熱，溫度升至110 ℃后進(jìn)入SCR前的煙氣/煙氣換熱器2(GGH2)，與脫硝后的熱煙氣再次進(jìn)行熱交換，溫度升至150 ℃后進(jìn)入蒸汽加熱器(SGH)加熱，煙氣溫度進(jìn)一步上升至脫硝所需的180 ℃，而后煙氣進(jìn)入SCR反應(yīng)器進(jìn)行脫硝反應(yīng)，反應(yīng)后的高溫?zé)煔馀cGGH2出口的煙氣進(jìn)行熱交換，待溫度降至140 ℃后經(jīng)引風(fēng)機(jī)和煙囪排入大氣中。

圖1 濕法脫酸+SCR脫硝工藝流程圖

由圖1可知，濕法脫酸+SCR脫硝工藝的煙氣經(jīng)過濕法脫酸裝置、SCR反應(yīng)器以及兩級(jí)GGH(GGH1、GGH2)和一級(jí)SGH，煙氣經(jīng)歷路徑為①-②-③-④-⑤-⑥-⑦-⑧，其溫度變化為150 ℃-100 ℃-60 ℃-110 ℃-150 ℃-180 ℃-140 ℃。煙氣共經(jīng)歷3次升溫過程，其中前兩次升溫過程(60 ℃-110 ℃-150 ℃)主要由高溫段煙氣和低溫段煙氣通過GGH換熱實(shí)現(xiàn)，最后一次升溫過程(150 ℃-180 ℃)由SGH采用蒸汽加熱實(shí)現(xiàn)。

2.2 SCR+濕法脫酸的處理工藝

方案2“SCR脫硝+濕法脫酸”工藝流程如圖2所示。除塵器來煙氣(溫度約150 ℃)先經(jīng)過蒸汽加熱器(SGH)，溫度提高至180 ℃后進(jìn)入SCR反應(yīng)器進(jìn)行脫硝反應(yīng)，脫硝后煙氣進(jìn)入煙氣/煙氣換熱器(GGH)，與濕法脫酸裝置出口的低溫?zé)煔膺M(jìn)行換熱，溫度降至120 ℃左右后進(jìn)入濕法脫酸裝置，經(jīng)濕法脫酸處理后的煙氣(溫度約60 ℃)進(jìn)入GGH，與SCR出口的熱煙氣進(jìn)行換熱，溫度升至120 ℃后經(jīng)引風(fēng)機(jī)和煙囪排入大氣中。

圖2 SCR脫硝+濕法脫酸工藝流程圖

由圖2可知，SCR脫硝+濕法脫酸工藝的煙氣經(jīng)過SCR反應(yīng)器、濕法脫酸裝置以及一級(jí)SGH和一級(jí)GGH，路徑為①-②-③-④-⑤-⑥，其溫度變化為150 ℃-180 ℃-120 ℃-60 ℃-120 ℃。煙氣共經(jīng)歷兩次升溫過程，第一次升溫過程(150 ℃-180 ℃)由SGH采用蒸汽加熱實(shí)現(xiàn)，第二次升溫過程(60 ℃-120 ℃)主要由高溫段煙氣和低溫段煙氣通過GGH換熱實(shí)現(xiàn)。

3 工藝對(duì)比

表2為國(guó)內(nèi)已投運(yùn)的分別采用“濕法脫酸+SCR脫硝”和“”SCR脫硝+濕法脫酸”工藝的垃圾焚燒發(fā)電廠的運(yùn)行數(shù)據(jù)。

由表2可知，以上兩種工藝均能滿足焚燒煙氣的超低排放要求(SO2<35 mg/Nm3，顆粒物<10 mg/Nm3，NOx<100 mg/Nm3)。由圖1和圖2對(duì)比可知，濕法脫酸+SCR脫硝工藝的煙氣共經(jīng)歷3次升溫過程，需設(shè)置兩級(jí)GGH和一級(jí)SGH；SCR脫硝+濕法脫酸工藝的煙氣共經(jīng)歷2次升溫過程，需設(shè)置一級(jí)GGH和一級(jí)SGH。這兩種工藝的特點(diǎn)見表3。

表2

表3 兩種工藝設(shè)置特點(diǎn)比較

3.1 技術(shù)可靠性對(duì)比

方案1與方案2兩種工藝均能夠滿足焚燒煙氣污染物超低排放的要求，兩種工藝的濕法脫酸系統(tǒng)基本設(shè)置相同，均能夠達(dá)到理想的污染物脫除效果。但是這兩種工藝中SCR系統(tǒng)的前置條件不同，導(dǎo)致系統(tǒng)設(shè)置及催化劑使用量及使用壽命并不相同。

方案1“濕法脫酸+SCR”的工藝方案中，由于SCR系統(tǒng)設(shè)置在濕法脫酸之后，其入口的SO2濃度能夠穩(wěn)定保持在較低水平(通常低于10 mg/Nm3)，對(duì)催化劑影響較小，催化劑壽命通常在5年左右，系統(tǒng)可靠性高。

方案2 “SCR脫硝+濕法脫酸”工藝方案中，SCR裝置位于半干法+干法脫酸之后、濕法脫酸系統(tǒng)之前，其催化劑受前端脫酸工藝影響大。半干法+干法工藝的脫酸效果受煙氣負(fù)荷波動(dòng)和旋轉(zhuǎn)霧化器霧化效果影響，SO2排放濃度會(huì)有一定的波動(dòng)，通常穩(wěn)定在50 mg/Nm3以下，瞬時(shí)值可達(dá)100 mg/Nm3左右。在這種情況下，SO2容易與SCR系統(tǒng)噴入的還原劑NH3反應(yīng)生成NH4HSO4，而NH4HSO4極易附著在催化劑表面導(dǎo)致催化劑失效，從而影響脫硝效果。因此，在設(shè)計(jì)SCR系統(tǒng)時(shí)，SCR脫硝+濕法脫酸工藝的催化劑用量通常為濕法脫酸+SCR工藝方案的1.2倍，同時(shí)需設(shè)置催化劑再生裝置。當(dāng)催化劑活性降低時(shí)，利用風(fēng)機(jī)從除塵器出口抽取一定量的煙氣(溫度約150 ℃)，并利用電加熱器將這部分煙氣加熱至350～450 ℃后通入SCR反應(yīng)器中，在此溫度下保持72～96 h，通過加熱使附著在催化劑表面的NH4HSO4分解，從而恢復(fù)催化劑活性，完成催化劑的再生過程。催化劑再生時(shí)間一般為3～4 d，且通常為離線再生，即催化劑再生過程中要求整條生產(chǎn)線處于停運(yùn)狀態(tài)，因此方案2中催化劑的再生對(duì)于整條生產(chǎn)線影響較大。

此外，方案1的最終排煙溫度較高，為140 ℃，基本不產(chǎn)生白煙(個(gè)別沿海地區(qū)冬季會(huì)有短時(shí)間白煙現(xiàn)象)；方案2的排煙溫度相對(duì)較低，為120 ℃，會(huì)產(chǎn)生白煙現(xiàn)象，對(duì)于一些敏感地區(qū)的項(xiàng)目，方案2還要采取煙氣冷凝再熱等措施以消除白煙。

綜上所述，從技術(shù)可靠性方面分析，方案1優(yōu)于方案2。

3.2 經(jīng)濟(jì)性對(duì)比

以處理能力750 t/d的生活垃圾焚燒處理線為例，對(duì)上述兩種工藝方案進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性分析。由于兩種工藝方案的濕法脫酸系統(tǒng)處理效果相當(dāng)，設(shè)備投資及運(yùn)行費(fèi)用相當(dāng)，因此主要對(duì)SCR脫硝系統(tǒng)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性分析。

表4 兩種工藝SCR系統(tǒng)煙氣參數(shù)及設(shè)備選型對(duì)比

3.2.1 設(shè)備投資成本對(duì)比

由表3可知，方案1與方案2的主要區(qū)別在于方案1需多設(shè)置一級(jí)GGH，方案2需增加催化劑再生裝置，其余設(shè)備組成基本一樣。

經(jīng)計(jì)算，方案1中GGH2換熱面積約4 500 m2，換熱管徑φ57 mm×2.5 mm，換熱管材質(zhì)為ND鋼，單臺(tái)設(shè)備及連接煙道等投資約210萬元。

方案2的催化劑再生裝置需設(shè)置1臺(tái)流量28 000 m3/h、風(fēng)壓2 500 Pa的再生風(fēng)機(jī)，1臺(tái)功率300 kW電加熱器及再生系統(tǒng)閥門、管道，再生裝置總投資約60萬元。

方案1的催化劑初期用量為55 m3，方案2為66 m3，180 ℃催化劑價(jià)格為9萬～10萬元/m3，因此方案2的催化劑初期投資較方案1高110萬元左右。

由以上分析可知，方案1的總體設(shè)備投資較方案2高約40萬元，折合噸垃圾投資增加0.53萬元，占整套SCR系統(tǒng)設(shè)備投資的4%左右，占整個(gè)煙氣凈化處理生產(chǎn)線(SNCR+半干法+干法+濕法+SCR)設(shè)備總投資的1%左右。從總體投資成本方面考慮，方案1略高于方案2，但兩者相差不大。

3.2.2 運(yùn)營(yíng)成本對(duì)比

由于污染物初始濃度及污染物最終排放水平相當(dāng)，方案1與方案2運(yùn)行過程中脫酸及脫硝藥劑消耗量基本一致，其運(yùn)營(yíng)成本差異主要在于因系統(tǒng)阻力不同導(dǎo)致的引風(fēng)機(jī)電耗量的差異，以及因催化劑壽命不同導(dǎo)致催化劑年消耗量的差異。

3.2.2.1 引風(fēng)機(jī)電耗成本

由表3可知，方案1引風(fēng)機(jī)功率為2 100 kW，方案2引風(fēng)機(jī)功率為2 000 kW，這兩種方案的引風(fēng)機(jī)功率相差100 kW。生活垃圾焚燒發(fā)電廠一般年運(yùn)行時(shí)間為8 000 h，因此方案1的年運(yùn)行電耗較方案2高100×8 000=8×105kW·h，按垃圾發(fā)電廠補(bǔ)貼電價(jià)0.65元/(kW·h)計(jì)，引風(fēng)機(jī)年電耗折合成本為8×105×0.65=52萬元。

3.2.2.2 催化劑成本

受SCR入口SO2濃度影響，方案1的催化劑壽命一般為5年，方案2的催化劑壽命一般為3年，催化劑單價(jià)為9萬～10萬元/m3。由此計(jì)算，方案1催化劑年成本為11×10=110萬元，方案2催化劑年成本為22×10=220萬元。方案2催化劑消耗年成本較方案1高110萬元。

由于方案2中SCR入口SO2濃度相對(duì)較高，因此需設(shè)置催化劑再生裝置，再生頻率為1次/a。按規(guī)模750 t/d生產(chǎn)線設(shè)計(jì)，催化劑再生風(fēng)機(jī)功率20 kW，再生系統(tǒng)電加熱器功率300 kW，可以計(jì)算方案2催化劑再生成本為：(300+20)×96×0.65≈2萬元。

因此，方案2年運(yùn)行成本較方案1高約60萬元/a，方案2折合噸垃圾運(yùn)行費(fèi)用比方案1高2.4元，占垃圾發(fā)電廠總運(yùn)行成本的1.5%左右。從運(yùn)行成本方面分析，方案1優(yōu)于方案2。

綜合上述分析，方案1的總體設(shè)備投資比方案2高約40萬元，但方案2運(yùn)行成本比方案1高60萬元/a。按垃圾焚燒廠30年運(yùn)行年限計(jì)算，方案1總計(jì)可節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用約1 800萬元。因此從投資和運(yùn)行成本綜合分析，方案1優(yōu)于方案2。

4 結(jié)論

由上述分析可知，在技術(shù)可靠性方面，方案1和方案2均能滿足煙氣污染物超低排放要求，方案1相比方案2催化劑用量較少且不需要設(shè)置催化劑再生裝置，系統(tǒng)可靠性高，但其較方案2需多設(shè)一級(jí)GGH，系統(tǒng)投資成本略高，阻力較大導(dǎo)致運(yùn)行電耗高。方案2催化劑用量較大且催化劑堵塞、中毒風(fēng)險(xiǎn)較大，需要設(shè)置再生裝置，定期對(duì)催化劑進(jìn)行再生，其再生只能離線進(jìn)行，對(duì)整條生產(chǎn)線影響較大。在投資和運(yùn)行成本方面，方案1投資成本略高于方案2，但方案2運(yùn)行成本較高。在垃圾廠整個(gè)運(yùn)行周期內(nèi)，方案1可節(jié)省運(yùn)行成本約1 800萬元。

因此從長(zhǎng)期運(yùn)行的穩(wěn)定性、可靠性以及運(yùn)行成本方面考慮，建議在工程實(shí)踐中優(yōu)先考慮方案1即SCR工藝設(shè)置在濕法脫酸工藝之后的方案。