生活垃圾焚燒煙氣脫硫技術應用分析

梁 梅

(中國恩菲工程技術有限公司, 北京 100038)

0 前言

根據2020年6月《第二次全國污染源普查公報》數據，2019年全國生活垃圾焚燒處理量達1.2×108t/a； 2019—2020年，我國已投產垃圾焚燒廠由401座增至455座。2021年5月，國家發展改革委、住房城鄉建設部日前發布《“十四五”城鎮生活垃圾分類和處理設施發展規劃》(發改環資〔2021〕642號)提出，到2025年底，全國城鎮生活垃圾焚燒處理能力達到80萬t/d左右，城市生活垃圾焚燒處理能力約占65%。由此可見，垃圾焚燒作為無害化最徹底、減容化最顯著、可資源化利用程度最高的一種處理技術，已成為我國生活垃圾處理的主要方式[1]。近些年，生活垃圾組分中可燃物含量提高，根據現有項目煙氣產生量分析，每噸垃圾焚燒產生的煙氣量達5 300 Nm3，垃圾焚燒煙氣特性復雜，所含污染物種類較多，含水率較高(約20%)，是垃圾焚燒不容忽視的問題。

生活垃圾焚燒煙氣中含有1%左右的有害污染物，主要包括酸性氣體、粉塵(顆粒物)、重金屬和有機劇毒性污染物(二噁英、呋喃等)等幾大類。原始焚燒煙氣中SO2典型含量為200～800 mg/Nm3，HCl典型含量為600～1 200 mg/Nm3，HF典型含量為1～20 mg/Nm3[2]。考慮到HCl和HF相對容易去除，而SO2較難去除，同時SO2含量也是大氣污染物總量控制指標，故文章以SO2為對象進行分析。按《生活垃圾焚燒污染控制標準》(GB18485—2014)(以下簡稱《標準》)中污染物的排放日均值計算，2025年每日生活垃圾焚燒產生的SO2排放量達339.2 t，年排放量為11.29萬t，數量十分可觀，會對環境造成很大的污染。因此，經濟適用的脫硫工藝在生活垃圾焚燒項目上的應用研究，具有十分重要的意義。

本文基于國內垃圾焚燒煙氣產生情況，對比各地垃圾焚燒煙氣排放標準、國家標準和國際標準，以及各地采用的脫硫工藝，介紹半干法脫硫、干法脫硫以及濕法脫硫的方法原理、脫硫影響因素、設備、優缺點以及項目中存在的問題。

1 生活垃圾焚燒污染控制標準分析

目前國內已建成運營的生活垃圾焚燒發電廠煙氣排放均執行《標準》，部分項目要求執行歐盟2010/75/EU要求。2020年第十三屆全國人大三次會議上，政府報告指出生態環境方面要持續推進污染防治，鞏固擴大藍天保衛戰成果，SO2、NOx排放量要下降3%。為了滿足日益提高的環保要求以及相關政策要求，國內很多城市已出臺生活垃圾焚燒污染控制方面的地方標準及要求,詳見表1。

表1 各地垃圾焚燒污染控制標準指標對比

從表1可以看出，國內大部分重要城市對于SO2、NOx及粉塵三項大氣污染物總量控制指標的排放限值進一步降低。以SO2為例，上海2013年已提出SO2日均排放值需與歐盟2010/75/EU一致(SO2≤50 mg/Nm3)，隨后深圳、海南、河北以及天津對新建項目的SO2日均排放限值提出更為嚴格的要求，甚至低于燃煤電廠的超低排放限值(SO2≤35 mg/Nm3)。

《RISN- TGO22—2016生活垃圾清潔焚燒指南》[3]中明確提出煙氣污染物總體控制的三道線，即現行國標、環境影響評價批復的污染物排放指標、按切實保證達標排放的工程余量即排放指標+工程余量。

按各地標準要求，上海、深圳、海南以及河北等地的地方標準中的SO2排放濃度要求均比現行國家標準嚴格。

2 煙氣脫硫技術分析

垃圾焚燒行業煙氣中SO2的脫除技術主要包括半干法脫硫、干法脫硫以及濕法脫硫三種，三種工藝區別在于中和劑和產物的形態不同以及最終的處理效果不同[13]，各有利弊。

2.1 半干法脫硫技術

在生活垃圾焚燒煙氣凈化工藝中，半干法通常利用噴嘴或高速旋轉的旋轉霧化器將石灰漿形成粒徑極細的液滴，通過導流裝置使煙氣在反應塔內分布均勻，強化煙氣與霧滴的混合和接觸，使高溫煙氣和石灰漿霧滴之間進行熱交換及反應，在有限的時間段內獲得干燥反應物。半干法脫硫具有脫硫效率高(90%左右)、流程短、運行成本低等優點，不足之處在于漿液制備系統工序相對復雜，由于中和劑品質不一，許多項目出現霧化器磨損、堵塞等問題，對石灰品質要求較高。

2.1.1 機械旋轉噴霧半干法

機械旋轉噴霧半干法脫硫是國內垃圾焚燒行業普遍認可的主流技術。經處理后，煙氣中酸性污染物濃度指標可達到歐盟2010/75/EU要求。機械旋轉霧化器屬于高速旋轉設備，轉速高達8 000～15 000 r/min,霧滴粒徑為30～50 μm，霧化器容易出現堵塞、磨損等問題。目前普遍采用國外進口設備，如丹麥NIRO旋轉霧化器、比利時SEGHERS旋轉霧化器及美國K- S(Komline- Sanderson)旋轉霧化器，三種霧化器性能比較見表2。

表2 三種進口旋轉霧化器的性能表

2.1.2 固定噴嘴半干法脫硫

固定噴嘴法煙氣脫硫技術采用雙流體噴嘴，與機械旋轉霧化器相比，霧化效果稍差，但其設備簡單，投資低。該系統選用純度大于90%的Ca(OH)2粉末調制成低濃度的石灰漿(8%左右)，霧滴粒徑80 μm左右，脫硫效率約90%。該技術適用于單條線垃圾處理量為300 t/d的小型煙氣處理系統。

2.2 干法脫硫技術

干法脫硫技術主要有兩種方式，一種設置干式反應塔，如傳統的循環流化床脫硫工藝(CFB)、改進后的增濕灰循環脫硫工藝(NID)以及增強干法工藝(IDR)，在火電廠以及循環流化床鍋爐的煙氣處理應用較多；另一種是在袋式除塵器前煙道上設置噴射點，噴入中和劑，主要反應在濾袋表面完成，這種方式作為半干法脫硫的輔助手段在目前的垃圾焚燒行業應用最廣泛。干法脫硫技術優勢在于工藝簡單，設備投資和維護量較低，但脫硫效率相對較低，為70%～80%，中和劑以消石灰和碳酸氫鈉為主，鈣(鈉)硫比高，消耗量大[14]。

采用碳酸氫鈉粉脫硫時，粉末比表面積以及反應溫度是決定其脫硫效率的兩大因素。碳酸氫鈉粉末在倉內儲存易潮解成塊，且粒徑過大，粉末比表面積小，直接與煙氣中的SO2接觸時，反應不充分，反應效率降低，因此配置研磨機，將碳酸氫鈉粉末研磨至粒徑為20 μm左右，以增大比表面積，提高反應效率，并降低碳酸氫鈉的消耗量。碳酸氫鈉的脫硫效率與反應溫度也有很大關系，有研究[16]表明在140～200 ℃下灼燒碳酸氫鈉后，顆粒物孔隙分布均勻豐富，脫硫效率達95%，這很可能是因為孔隙率的增加，使SO2擴散至 Na2CO3顆粒內部，增加了反應時間和提高了反應效率，但當溫度升高至280 ℃時，顆粒表面明顯致密，多孔碳酸氫鈉有可能發生燒結和孔道損失的現象，導致脫硫效率降低。

如果選擇合適的反應溫度以及增加研磨設備來增大藥劑的比表面積及活性，碳酸氫鈉脫硫效率可媲美濕法脫硫效率，但其設備投資、運行控制要求以及運行成本卻比濕法脫硫技術低，可作為超低排放的可選工藝進行深入地探索研究。

2.3 濕法脫硫技術

濕法洗滌是一種比較成熟的脫硫技術，隨著生活垃圾焚燒行業對酸性污染物排放標準的提高，濕法脫硫因效率高(≥95%)被行業采用。濕法塔一般設置在除塵器下游，采用NaOH作為中和劑。經濕法脫硫處理后，煙氣溫度一般降為65 ℃左右，因此需要配置煙氣再加熱裝置，增加設備投資及場地，同時該工藝會產生高濃度廢水，需單獨設置廢水處理站。總體而言，該技術設備投資高，運營費用高，占地較大。我國垃圾焚燒行業采用的濕法工藝主要引進日本三菱及日立造船株式會社的濕法脫硫塔，這兩種脫硫塔塔體內部設計有所區別，效率和投資上相差不大。

2.4 組合工藝

根據煙氣的不同特性和環保排放要求，可對上述煙氣脫硫處理工藝進行不同的組合。

上海市共有生活垃圾焚燒發電廠11 座，焚燒處理設計能力1.38萬t/d，其中江橋一期、金山一期以及崇明一期煙氣凈化工藝采用“SNCR+半干法+干法+活性炭吸附+布袋除塵”；江橋二期、老港一期及松江一期煙氣凈化采用“SNCR+干法+活性炭吸附+布袋除塵+濕法+煙氣再熱”工藝；黎明項目煙氣凈化采用“SNCR+干法+活性炭噴射+袋式除塵器+濕式洗滌塔+蒸汽加熱器+活性炭吸附”工藝[17]。由此可以看出，上海市已建成的垃圾焚燒廠中，少部分焚燒煙氣處理系統采用“半干法+干法”脫硫工藝，自2013年發布DB 31/768—2013生活垃圾焚燒大氣污染物排放標準后，投運的項目均采用“干法+濕法”脫硫工藝。

深圳市已建及在建生活垃圾焚燒廠共13 座，焚燒處理設計能力2.635萬t/d。其中平湖能源生態園一期和二期項目煙氣處理采用“SNCR+半干法+干法+活性炭吸附+布袋除塵”工藝；南山能源生態園、鹽田能源生態園、寶安能源生態園一期和二期煙氣處理采用“SNCR+半干法+干法+活性炭吸附+布袋除塵+SCR”工藝；龍崗能源生態園、寶安三期、光明能源生態園以及龍華生態園煙氣處理采用“SNCR+半干法+干法+活性炭吸附+布袋除塵+濕法+SCR”工藝。深圳近期建設項目煙氣凈化系統均采用“半干法+干法+濕法”的脫硫工藝，確保SO2排放濃度滿足當地污染物控制標準要求。

海南省已有13座垃圾焚燒廠，生活垃圾焚燒處理能力達1.157 5萬t/d，其中2018年后建設的9座垃圾焚燒廠的煙氣凈化處理均采用“SNCR+半干法+干法+活性炭吸附+布袋除塵+濕法+SCR”工藝，確保SO2排放濃度滿足當地污染物控制標準要求。

根據《河北省生活垃圾焚燒發電中長期專項規劃(2018—2030年)》(修訂版)，2020年全省建成垃圾焚燒發電項目65項，已建垃圾焚燒發電廠煙氣處理絕大部分采用“SNCR+半干法+干法+活性炭吸附+布袋除塵”工藝。雄安新區作為河北省管轄的國家級新區，正在建設的生活垃圾焚燒發電廠(3×750 t/d)煙氣凈化處理工藝為“SNCR+爐內干法+預除塵+堿液噴射+備用干法+活性炭吸附+布袋除塵+濕法+SCR”，確保雄安新區煙氣污染物的達標排放。

浙江伊布提出“雙干法+雙袋式除塵器”的組合工藝，SO2排放濃度可達到超低排放要求，但目前在國內還沒有應用業績。

綜上，我國早期城市生活垃圾焚燒項目多采用“半干法+干法”的脫硫工藝，而后期建設項目基本都增設濕法工藝來確保煙氣中SO2穩定達標排放。

組合工藝處理效果好，但占地面積大、設備投資和運行成本高，各工藝在整體運行中如何分擔達到最佳的運行效果，同時控制最優的運行成本尚在摸索之中。

3 結束語

生活垃圾焚燒行業主流的“機械旋轉霧化半干法+干法”組合工藝能夠滿足SO2≤50 mg/Nm3的排放要求，但隨著環保要求的提高，如地方標準的出臺、環境影響評價的要求加嚴，生活垃圾焚燒項目多數選擇配置濕法脫硫工藝來保證污染物的排放要求，雖然SO2的排放量將大大降低，但同時項目的投資及運行成本也將大幅提高，導致生活垃圾處理成本增加。經濟效益與環境效益的和諧統一，將是生活垃圾焚燒廠煙氣脫硫處理工藝的發展趨勢，探索組合工藝中各技術的最佳分擔比例、干法脫硫藥劑以及穩定控制的最佳反應條件都可作為滿足超低排放工藝進行深入研究的課題。